面向托卡马克部件转运车的地图创建与导航方法研究

发布时间：2020-04-14 01:38

【摘要】：托卡马克部件转运车系统是热核聚变实验中非常重要的组成部分。转运车系统在有辐射、有毒性、高温的环境下,代替人工进行托卡马克建筑和热室之间的部件运输及辅助装配等工作。托卡马克部件转运车是自主导引车的一种,属于轮式移动机器人,它需要在室内环境下实现可靠的、高精度的导航。基于地图的导航是一种室内环境下移动机器人导航常用方法。本文针对托卡马克部件转运车特点及其工作环境,提出了两种地图创建方法,并在实验平台上进行了室内环境下的导航实验。首先,本文研究了各种环境地图的表示方式,针对复杂路口环境中,部分环境信息易被遮挡而无法观测,以及运动物体易干扰观测的情况,提出了一种基于路标的异构地图创建方法。在创建地图的过程中,使用基于路标地图的定位结果辅助ICP-SLAM方法建立轮廓地图,可以减小ICP(Iterative Closest Points)算法的计算量,并减少迭代结果陷入局部最小值的情况。基于异构地图的定位实验结果表明,在环境中路标被遮挡导致使用路标地图无法定位,及环境中有运动物体干扰,使得基于轮廓地图的定位结果精度较差的情况下,使用异构地图仍能得到有效的定位结果。然后,在转运车工作环境中,基于磁钉的磁导航是一种广泛应用的转运车导航方法,因此本文针对基于磁钉的磁导航,研究了导航需要用到的磁钉地图的创建方法。传统方法使用高精度RTK-GPS直接测量磁钉的坐标,但是这种方法精度不高,测量的工作量大,而且在室内等环境下无法使用。由此本文提出了基于SLAM(Simultaneous Localization And Mapping)的磁钉地图的创建方法,先分析了各种SLAM的方法,对比了各自的优缺点及适用环境,之后提出了基于Graph-SLAM的磁钉地图创建方法。一般的SLAM方法中,观测和计算误差的累积会造成SLAM最终结果不一致,Graph-SLAM通过提取环境中的观测约束并对位姿进行优化,解决了一般SLAM无法解决的环形闭合的问题。其中的重难点问题之一是对于观测环境中闭合约束的提取,而本文所要获取的结果——磁钉的坐标,正好又为Graph-SLAM提供了高可靠、高精度的环形闭合约束。实验结果验证了本文方法的可行性。最后,针对核聚变实验场景中的特殊环境,设计了转运车导航方案,给出了实验平台上控制器、传感器及驱动器的选型及其性能参数,实现了基于异构地图的导航实验和基于电磁导引线的导航实验。实验结果表明导航系统的导航精度较高,能够满足核聚变实验环境中的可靠性和导航精度要求。
【图文】：

转运车,托卡马克,运行环境,部件

之后第四个拥有同类大型核聚变实验堆装置的国家。HT-7 型托卡马克装置建成后对海内外均全面开放，并且是国际上能进行稳态高参数等离子物理的两大实验平台之一。截止至 2013 年 5 月 7 日为止，已有超过十轮实验托卡马克装置平台上成功进行，此后中国科学院等离子体物理研究所宣退役，后续实验将以 HT-7U（又称 EAST）为主，这是基于 HT-7 型的改进属于国家“九五”重大科学工程[8]。于托卡马克装置及其发生核聚变实验的周围环境中会有一些有毒物质，比且在装置发生核聚变反应及等离子工艺过程中，会产生放射性射线，真空件会被放射线污染，，在这种环境下是不允许人员直接接触并执行操作的，要一种能够远程操控，具有较高安全性，并能够实现满足一定精度的自主运车来辅助工作[4, 9-11]。真空室内的部件需要被转运车运送到“热室”进行些部件的装配工作也需要转运车协助完成。转运车及其运输环境如图 1-1

图 1-2 国外 AGV 示例Fig.1-2 examples of AGV abroad.2 国内研究现状相对于国外 AGV 技术起步早，技术成熟，在工业领域得到广泛运用，国内V 研究起步较晚。1976 年，北京的起重机机械研究所运用了电磁导引技术，研国内第一台可以定点通信的 ADB 型 AGV，并且将其运用于滚珠作业，这在起了巨大轰动。之后在 1991 年，邮电部所属北京邮政科技研究所第一次将无技术运用到了 AGV 上，并在上海投入使用。到 1997 年，我国成功将视觉导引应用到了 AGV 上，这是新型导引技术首次出现在 AGV 上。另外国内一些公引进国外先进的 AGV 技术进行消化改造，如昆明船舶设备研究所引进 DNC 公术，并在此技术上改造，打破了国外技术垄断，为国内 AGV 技术发展做出了巨献。另外，由于传统观念的束缚及高昂的价格，AGV 在国内的普及率还很低
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP242;TL631.24

【参考文献】