家庭服务机器人自主导航与路径规划的研究

摘要

随着计算机和机器人学的发展，现代机器人已经不仅仅在工业制造方面，而且期待能在农业、林业、军事、医疗、文娱、家用、科学研究等许多方面得到广泛的应用。然而对于家庭服务、患者看护、办公事务等高级工作而言，普通的工业机器人就显得无能为力了。为此，本文开发了一个家庭服务机器人来完成家庭服务型工作。　　随着研究的深入，人们对移动服务机器人的自主导航能力提出了更高的要求，人们要求移动服务机器人在运动过程中能根据周围环境的变化而自主采取相应措施的能力也越来越强。因而，作为自主移动机器人“智能导航”的一个重要因素-路径规划就显得尤为重要了，这也是当今国内外学术界面临的挑战性问题之一。　　本文主要针对我们开发的家庭服务机器人的导航系统与路径规划问题展开了研究。首先，本文对国内外室内移动服务机器人导航问题的研究现状、研究方法及其关键技术进行归纳和总结。其次，本文介绍了移动机器人的各种路径规划方法，并重点对势场法、栅格法进行了系统的分析与研究，总结出各自的优点和缺点，为本文的研究工作奠定了重要的基础。然后，通过结合势场法、栅格法以及动态路径规划的概念提出了一种新的改进的规划方法-基于势场栅格法的动态路径规划方法。该方法利用超声波传感器和红外线传感器探测环境信息，并将探测到的环境信息用于动态路径规划中，充分结合了势场法和栅格的优点，克服其缺点，从而实现家庭服务机器人自主动态导航。最后，本文针对家庭服务机器人的室内移动特性以及提出的新的路径规划方法，为机器人设计了一个自主导航系统。并设计了一个试验仿真系统，通过仿真试验结果证明了本文提出的算法是正确和有效的，针对机械性能等做了一定量的分析。

目录

文摘

英文文摘

华南理工大学学位论文原创性声明学位论文版权使用授权书

第一章绪论

1.1机器人的产生与发展

1.2选题背景及意义

1.2.1室内(家庭)服务机器人出现的原因

1.2.2移动服务型机器人的发展

1.2.3导航与路径规划问题

1.3移动式服务机器人的关键技术

1.3.1传感技术

1.3.2机器人智能技术

1.3.3移动机器人路径规划技术

1.3.4导航和定位技术

1.4家庭服务机器人

1.4.1移动机器人的分类

1.4.2家务劳动交给机器人

1.5本文的组织结构

第二章家庭服务机器人的设计及导航的研究

2.1家庭服务机器人

2.2个人机(PC)与机器人

2.3家庭服务机器人的硬件控制器

2.4家庭服务机器人的软件体系

2.4.1控制平台系统软件的选择

2.4.2家庭服务机器人软件体系结构

2.4.3服务端软件结构

2.5家庭(室内)服务机器人的特点

2.5.1家庭服务机器人的工作环境

2.5.2家庭服务机器人基本特性

2.6导航的研究

2.6.1导航的基本任务

2.6.2导航方式分类

2.6.3导航系统分类

2.6.4导航系统的体系结构

2.6.5导航中的定位

2.6.6建图与路径规划

2.7本章小结

第三章路径规划的研究

3.1移动机器人路径规划研究的综述

3.1.1路径规划的定义

3.1.2路径规划的分类

3.1.2位姿空间

3.1.3环境的表示方法

3.2路径规划方法的研究现状

3.2.1传统路径规划方法

3.2.2路径搜索算法

3.2.3智能路径规划方法

3.2.3动态规划(Dynamic Planning)法

3.3人工势场法

3.3.1势场法概述

3.3.2势场函数的构建

3.3.3势场法的优缺点

3.3.4改进的势场函数

3.4栅格法

3.4.1用栅格表示环境

3.4.2障碍物栅格的处理方法

3.4.3栅格地图的初始化

3.4.4路径搜索

3.4.5栅格法的特点

3.5路径规划方法的评价标准与发展方向

3.6本章小结

第四章基于势场栅格法的动态路径规划

4.1路径规划方法的结构图

4.2栅格法构建路径规划的参考地图

4.2.1栅格地图

4.2.2栅格地图类建立

4.2.3检测障碍物在栅格地图的表示

4.2.4栅格法总结

4.3栅格地图中栅格势场值的构建

4.3.1A*算法介绍

4.3.2栅格节点势场函数构造

4.3.3势场法的四大缺陷

4.4势场栅格法的路径规划方法

4.4.1路径栅格节点的选取

4.4.2势场栅格法的改进

4.5基于势场栅格法的动态路径规划

4.5.1动态规划

4.5.2滚动路径规划介绍

4.5.3基本原理

4.6算法描述

4.6.1步骤

4.6.2算法说明

4.7本章小结

第五章家庭服务机器人导航与路径规划的仿真和实验

5.1路径规划方法的仿真实验

5.1.1环境的设定

5.1.2基于势场栅格法的动态路径规划仿真

5.1.3目标点在障碍物附近

5.1.4路径规划摆动问题

5.1.5狭窄通道中的路径规划

5.2家庭服务机器人导航系统的设计

5.2.1导航系统的体系结构

5.2.2运动学方程

5.3家庭服务机器人的定位

5.4超声波传感器与红外传感器系统

5.4.1超声波、红外测距系统与主机的通信

5.4.2 RS-232串口说明

5.4.3用VC++6.0实现PC机与单片机之间的串口数据交换

5.4.4编程实现

5.5超声波传感器与红外传感器实验

5.5.1超声波传感器测距原理

5.5.2超声波传感器实验

5.3.3红外线传感器测距原理

5.5.4红外线传感器实验

5.6路径规划实验分析

5.7本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的与学位论文内容相关的学术论文

致谢