機器人實時避障研究與嵌入式控制系統(tǒng)設計.pdf

1、移動機器人是綜合計算機技術(shù)、控制理論、人工智能理論、傳感器等多學科而形成的高技術(shù)，它是集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)。未知環(huán)境中移動機器人的導航控制是移動機器人研究的熱點和難點問題，為了能夠安全而自主的導航，機器人要能夠通過傳感器和其它技術(shù)感知環(huán)境和自身狀態(tài)，然后實時的規(guī)劃出一條無碰撞的路徑，實現(xiàn)在有障礙環(huán)境中的避障和導航控制，從而完成預定任務。
　　 在未知環(huán)境中，環(huán)境信息對于機器人而言是不

2、明確或不充分的，機器人缺少或不存在任何先驗信息，包括環(huán)境大小、障礙物分布等，機器人必須通過傳感器建立環(huán)境模型，適當?shù)沫h(huán)境模型有助于對環(huán)境的理解，降低路徑規(guī)劃和各種決策的計算量。本文針對各種環(huán)境模型進行了闡述，分析了各自的優(yōu)缺點，文章中在進行移動機器人定位與地圖創(chuàng)建時，用到的是特征點地圖，所選取的環(huán)境模型是由特征點構(gòu)成的環(huán)境地圖。
　　 在進行移動機器人定位及環(huán)境建模時，僅根據(jù)里程計等單一傳感器獲得機器人的狀態(tài)及環(huán)境信息容易產(chǎn)生誤

3、差，本文在進行機器人導航定位及環(huán)境地圖創(chuàng)建時采用里程計來實現(xiàn)對機器人的航跡推測，根據(jù)航跡推測的結(jié)果與當前地圖中的已知環(huán)境特征來預測環(huán)境幾何特征的集合，接著利用激光雷達感知環(huán)境信息，將其量測的實際環(huán)境信息經(jīng)過處理形成環(huán)境幾何特征的集合，然后將預測幾何特征與實測幾何特征進行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)匹配，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)匹配的結(jié)果實現(xiàn)地圖或機器人位姿更新。
　　 對自主移動機器人來說，要實現(xiàn)在未知環(huán)境中的避障和導航控制，首先需要保證機器人能夠可靠定位

4、，機器人的可靠定位是以準確的環(huán)境地圖為基礎(chǔ)的，而準確的環(huán)境地圖又需要機器人的精確定位，這類問題稱為同時定位與地圖創(chuàng)建，即SLAM問題。
　　 本文針對未知靜態(tài)環(huán)境下的機器人SLAM 問題進行研究，詳細介紹了移動機器人SLAM 問題的實現(xiàn)方法，首先對卡爾曼濾波器在SLAM問題中的應用進行闡述，針對卡爾曼濾波器僅適用于線性系統(tǒng)模型的情況下，研究并推導了基于擴展卡爾曼濾波器的SLAM 算法實現(xiàn)的詳細過程。
　　 文中為驗證通過

5、擴展卡爾曼濾波算法實現(xiàn)機器人定位與環(huán)境建模的有效性，首先建立Matlab7.0仿真界面，然后在Matlab7.0下進行仿真設計，對基于擴展卡爾曼定位跟蹤算法進行實驗驗證，實現(xiàn)環(huán)境地圖及障礙物更新、移動機器人運動方向更新及動態(tài)避障效果演示，仿真結(jié)果證明了基于擴展卡爾曼濾波的SLAM算法的有效性和合理性。
　　 移動機器人的路徑規(guī)劃問題是建立在機器人定位與地圖創(chuàng)建的基礎(chǔ)上，是移動機器人行為的深入。移動機器人的路徑規(guī)劃分為環(huán)境信息完全

6、知道的全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未知或部分未知的局部路徑規(guī)劃。本文對機器人的路徑規(guī)劃方法做了一般概述，重點闡述了人工勢場法路徑規(guī)劃原理，接著對傳統(tǒng)人工勢場法存在局部最小點問題，即機器人處在某一處所受合力為零而停止不動，本文對這一問題進行了深入的研究和改進，針對不同情況提出了不同的改進措施。
　　 移動機器人作為一個智能控制系統(tǒng)，需要實現(xiàn)各模塊之間的合理協(xié)調(diào)，并在系統(tǒng)的軟硬件設計上具有開放性和可擴展性，體系結(jié)構(gòu)的合理設計能夠?qū)崿F(xiàn)復

7、雜行為并具備進一步完善的擴展能力?？紤]到未知環(huán)境下的實時性要求和系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn)的可行性，本文在研究嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設計了一種嵌入式機器人控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)整體上采用分層思想。
　　 設計系統(tǒng)以嵌入式Linux操作系統(tǒng)和三星公司的嵌入式處理器S3C2410為核心，擴展了存儲模塊、電源模塊、JTAG調(diào)試電路、傳感模塊、無線通信模塊、伺服控制模塊、電機驅(qū)動模塊，然后在硬件平臺的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了機器人系統(tǒng)的軟件平臺，包括VIVI