机械5

移动机器人在室内环境下自主导航系统的设计 摘要 现在来自室内环境的全智能机器人的使用需求逐渐变多,代表性的产品包括家用的扫地机器人、工作在酒店、商尝餐厅、医院等环境的室内配送机器人,以及用于厂房内部巡检安保的专用机器人等。本课题目的是设计并实现面向室内环境的移动机器人自主导航系统,开发集机器人底盘、感知系统、导航系统于一体的全自主移动机器人,实现传感器信息的实时获取与处理,并通过自主探索完成室内地图的可靠构建,从而为移动机器人的自主路径规划提供支持。 这次设计操控系统(Robot Operatio
n System,ROS)的构架下设计并完成小车自主导航系统,这个设计分成了自主环境探索及建图和路径规划,主要解决机器人在室内环境下的探索与路径规划问题。本文基于部分可观测的马尔可夫决策过程(Partially Observable Markov Decisio
n Process,POMDP)实现环境探索,以信息熵作为奖励函数,对观测模型和状态转移函数进行构建,并在此基础上使用了蒙特卡洛搜索法对POMDP的值近似求解,同时使用基于粒子滤波算法进行同时定位与地图构建(Simulta
neous Localizatio
n a
nd Mappi
ng,SLAM)。 关键词:移动机器人;环境探索;同时定位与地图构建;路径规划:室内环境 目录 第一章绪论1 1.1研究背景及意义1 1.2国内外研究现状2 1.2.1ROS系统的自主移动机器人对障碍物检测的研究现状2 1.2.2环境探索研究现状2 1.2.3路径规划的研究现状3 1.3系统总体设计方案4 第二章移动机器人的主要组成7 2.1机器人运动方式的选择7 2.2轮式机器人移动能力分析8 2.3轮式机器人转向轮组成10 2.4电机的选择10 2.5电源的选择11 第三章移动机器人控制系统的设计13 3.1移动机器人导航系统硬件设计13 3.1.1导航系统模块化设计13 3.1.2道路识别模块14 3.1.3路径规划模块15 3.1.4步进电机驱动单元17 3.2移动机器人导航系统整体流程19 3.3移动机器人导航系统软件设计20 3.3.1移动机器人操作系统20 3.3.2移动机器人感知系统22 3.3.3运动控制系统软件设计24 3.4单片机的最小系统电路25 3.5路径规划方法27 3.6开发者套件介绍28 第四章全局路径规划29 4.1全局路径规划29 4.1.1改进RRT*算法研究31 4.1.3路径平滑策略32 4.1.4全局路径规划实验仿真33 第五章系统功能测试36 5.1测试环境介绍36 5.1.1仿真测试环境36 5.2功能测试39 5.2.1探索环境模型构建测试39 5.2.2环境探索算法测试41 5.2.3地图构建测试44 5.2.4改进的RRT*算法测试45 5.2.5改进的动态窗口法测试47 5.2.6自主巡航测试48 总结49 参考文献50 致谢52