室内移动机器人路径规划与定位技术研究.docx
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室内移动机器人路径规划与定位技术研究
摘要
本文研究对象是室内移动机器人,针对各种不同的室内环境,合理高效的路
径规划算法和室内定位技术是论文研究的重点。
论文的工作包括两个部分,一是
路径规划算法的分析仿真和算法在硬件系统上的应用,二是室内无线定位技术及
其在硬件系统上的应用。
论文分析了已有路径规划技术的方法,重点研究了基于栅格地图的路径规划
算法:
区域覆盖路径规划算法和点到点路径规划算法。
针对室内环境特点提出了
环境地图的建模,具体算法设计以及基本的行进方式,用VS.NET软件开发平台
对两种路径规划算法进行了软件仿真。
本论文在研究了室内定位系统的相关技术以及常用的室内定位方法的基础
上,分析了多种室内定位算法的应用特点和测距方法,重点研究了基于ZigBee无
线网络的室内定位技术。
最后,本文设计并实现了一个基于英飞凌微控制器的简单移动机器人系统及
其室内定位系统。
硬件控制部分主要包括主控芯片模块,电机驱动模块,传感器
模块以及其定位模块等;软件设计部分主要包括A/D模块,PWM模块,以及具体
的覆盖算法和定位算法等。
论文将仿真过的算法应用于机器人系统的路径规划和
定位,验证了算法的有效性。
本论文的工作对机器人路径规划及定位方面的研究,
有一定的参考价值。
关键字:
移动机器人路径规划
ZigBee
无线网络室内定位目录
第一章绪论.........................................................................................................1
1.1课题的研究背景...................................................................................1
1.2智能移动机器人的发展与分类............................................................2
1.2.1国内外发展动态.........................................................................2
1.2.2国内发展动态.............................................................................4
1.3论文的内容安排及主要工作................................................................5
第二章室内移动机器人的路径规划技术...........................................................7
2.1路径规划技术的核心问题....................................................................7
2.2环境地图模型.......................................................................................8
2.2.1环境地图的建立.........................................................................8
2.2.2环境地图的分类.........................................................................8
2.2.3基于栅格法的环境地图..............................................................9
2.3区域覆盖路径规划.............................................................................10
2.3.1区域覆盖路径规划方法............................................................10
2.3.2区域覆盖策略...........................................................................12
2.4点到点的路径规划.............................................................................14
2.4.1点到点路径规划方法...............................................................15
2.4.2快速算法...................................................................................16
2.4.3距离转换算法...........................................................................17
第三章室内定位方法及其关键技术.................................................................19
3.1常用的室内定位方法..........................................................................19
3.1.1基于构造地图的定位方法........................................................19
3.1.2基于路标的定位方法...............................................................20
3.2室内无线定位技术.............................................................................21
3.2.1ZigBee技术...............................................................................21
3.2.2无线射频识别技术...................................................................23
3.2.3蓝牙技术...................................................................................23
3.2.4无载波通信技术.......................................................................24
3.3常用的测距算法.................................................................................25
3.3.1RSSI测距算法..........................................................................25
3.3.2AOA测距算法..........................................................................26划与定位技术研究
3.3.3TOA测距算法...........................................................................27
3.3.4TDOA测距算法........................................................................28
第四章机器人软硬件系统设计与实现.............................................................29
4.1实验机器人硬件的总体设计..............................................................29
4.1.1机器人的运动模型...................................................................29
4.1.2机器人的控制系统...................................................................30
4.2机器人的硬件平台设计......................................................................31
4.2.1机器人控制芯片.......................................................................31
4.2.2机器人行走驱动设计................................................................32
4.2.3障碍物探测功能设计................................................................33
4.2.4机器人定位系统设计................................................................35
4.3机器人的软件设计..............................................................................38
4.3.1机器人软件设计开发环境........................................................38
4.3.2环境地图的建立.......................................................................39
4.3.3区域覆盖算法的实现................................................................43
4.3.4机器人定位系统软件设计........................................................45
第五章仿真与测试............................................................................................49
5.1区域覆盖规划仿真测试......................................................................50
5.1.1迂回覆盖...................................................................................50
5.1.2内螺旋覆盖...............................................................................50
5.1.3两种覆盖算法性能比较............................................................51
5.2点到点路径规划算法仿真测试..........................................................52
5.2.1快速算法...................................................................................52
5.2.2距离转换算法...........................................................................53
5.2.3两种算法性能比较...................................................................54
5.3机器人系统测试与分析......................................................................54
5.3.1机器人系统实验测试................................................................54
5.3.2定位实验测试...........................................................................56
第六章总结.......................................................................................................59
致谢........................................................................................................................61
参考文献................................................................................................................63第一章绪论1
第一章绪论
1.1课题的研究背景
机器人的诞生和机器人学的建立和发展是20世纪自动控制最具说服力的成就
之一,是20世纪人类科学技术进步的重大成果。
机器人从20世纪60年代诞生以
来,随着电子技术、计算机技术、信号处理和人工智能技术的发展,在短短的几
十年内取得了巨大进步。
从第一台机械手到现在的大规模自动化生产线,机器人
技术在工业领域的广泛应用大大提升了生产效率并获得了巨大的成功。
随着机器
人技术的发展,越来越多的具有智能化特点的机器人,深入到我们的生产生活中。
作为机器人中重要分支之一的智能移动机器人更是给人们带来了无限的惊
喜。
智能移动机器人的研究始于20世纪60年代末,斯坦福研究所(SRI)的NilsNvissen
和CharlesRosen等人,在1966年至1972年中研制出了取名shakey的自主移动机器
人,其目的是研究、应用人工智能技术以及在复杂环境下机器人系统的自主推理、
规划和控制
[1]
。
20世纪70年代末,随着计算机的应用和传感器技术的发展,移动机
器人研究又出现了新的高潮。
20世纪90年代以来,以研制高水平的环境信息传感
器技术、信息处理技术、高适应性的移动机器人控制技术和真实环境下的规划技
术为标志
[2]
,开展了动机器人更高层次的研究。
图1.1自主移动机器人shakey
类似shakey,以轮子作为移动机构、能够实现自主行驶的自主式移动机器。
我们称之为智能小车,又称轮式机器人。
Abstract
ThisresearchistheindoorAutonomousrobot,foravarietyofindoorenvironment,
howtoselecttherationalandefficientregionalcoveragepathplanningalgorithmisthe
focusofthepaper’sresearch.Thepaper’scontentsincludedtwoparts,onepartisthe
analysisofalgorithmsandtheapplicationofalgorithmonthehardwaresystem,another
partisindoorwirelesslocationtechnologyanditsapplicationonthesystemin
hardware.
Thepaperanalyzedtheexistingvariousmethodsofpathplanningtechnology,and
mainlystudiedmap-basedregionalcoveragepathplanningalgorithm,theregional
coveragepathplanningalgorithmsandthepointtopointpathplanningalgorithm.The
contentsoftheresearchincludedthespecificprocessofalgorithmdesign,the
expressionoftheenvironmentalmap,thebasicroadmethodandsoon.Thepaper
programmedachievedasoftwaresimulationofthetwokindsofalgorithmsthroughthe
VS.NETbuildingenvironment.
ThepaperdoesresearchesontechnologiesrelatedtoIndoorPositioning,Analysis
ofavarietyofindoorpositioningalgorithmsapplicationcharacteristicsandmethodsof
measurement,FocusontheZigBeewirelessnetworkbasedonindoorpositioning
technology.
Accordingtothetestrequirements,asimpleautonomousrobotsystemandits
indoorpositioningsystembasedoninfineoncontrollerswasdesignedandachieved,
whichincludedhardwaresystemdesignandsoftwarecontrolsystemdesign.The
hardwaresystemincludedmaster-chipmodule,motordrivemodule,sensormodule,
indoorpositioningmoduleandsoon.ThesoftwarecontrolsystemmainlyincludedA/D
module,PWMmodules,aswellasspecificcoveragealgorithmandpositioning
algorithm.Thepaperusedthealgorithmsimulatedtoapplytotherobotsystem’spath
planning,whichverifiedtheeffectivenessofthealgorithm.Thereisacertainreference
valuethatthepaper’sworkontheresearchoftherobot’spathplanningandPositioning.
Keyword:
IntelligentmobilerobotPathplanningZigBeewirelessnetwork
IndoorPositioning第一章绪论5
1.3论文的内容安排及主要工作
本论文的课题是以室内移动机器人系统为基础的,而路径规划技术以及定位
技术是机器人系统的核心。
因此,本论文的主要章节安排如下:
第一章主要介绍了国内外智能移动机器人的发展动态,为路径规划技术的研
究提供了背景支持。
第二章对室内自主机器人的路径规划技术进行了研究,介绍了路径规划技术
的定义和分类,研究了区域覆盖路径规划算法和点对点路径规划算法。
对当前主
要的路径规划技术进行了总结和分析。
第三章介绍了常用的室内机器人定位方法和无线传感器网络定位技术,对本
文用到的ZigBee无线网络定位方法加以阐述和说明,为接下来的工作打下基础。
第四章根据实验要求,设计实现了一个简单的基于英飞凌XC888单片机的移动
机器人系统,包括硬件系统设计和软件控制系统设计。
硬件系统主要有控制芯片
模块,行走驱动模块,探测功能模块以及定位模块等;软件系统设计主要包括环
境地图的建立,具体覆盖算法的实现以及定位系统的设计实现等。
第五章主要对区域覆盖路径规划算法进行了软件仿真和机器人系统的实验调
试,模拟了不同的室内环境下算法的覆盖结果,覆盖算法效果良好。
对机器人的
定位进行了实验验证,并用图形化的界面显示实验结果,验证了定位的有效性,
达到了一定的实验目的。
第六章对论文的主要工作进行了总结,并指出了一些不足之处。
划与定位技术研究
智能小车是一个集环境信息感知、路径规划、行为控制与执行等多种功能于
一体的综合智能系统。
而其中的路径规划技术是机器人研究领域的关键技术之一,
它要求机器人能够根据给予的机器指令以及周围的环境信息自主地规划路径,避
开障碍物,实现最终的任务指标。
路径规划是机器人完成任务的安全保障,是机
器人智能化程度的标志之一,同时也是人工智能与机器人学的一个重要的结合点
和研究热点。
自上世纪70年代起,路径规划问题就已经受到了国内外众多机构和
学者的广泛关注,尤其是80年代以来,在人工智能、计算机科学、数学和机械工
程等领域内的专家学者们的共同努力下,路经规划技术的研究在理论和实践方面
都有了很大的提高。
而随着机器人应用的日益广泛,针对路径规划问题所具有的
复杂性、随机性、多约束性、多目标性等特点,如何在各种不同的环境中具体问
题具体地分析,合理有效地选择路径规划方法及策略等问题已经
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- 关 键 词:
- 室内 移动 机器人 路径 规划 定位 技术研究