网络化移动机器人系统开发与应用研究

摘要

随着机器人组件化和网络化技术的发展，智能环境与移动机器人有机结合形成的新型网络机器人技术已经成为机器人研究领域的热点之一。由于分布在环境中的辅助资源存在异构、动态、未知等特性，因而需要系统地研究网络化机器人系统框架结构、中间件技术、任务管理与协调等常用技术和方法，以形成此类系统的应用基础。本文针对室内环境下移动服务机器人应用，系统研究了多层次、松耦合网络系统框架结构下的移动机器人和典型辅助资源常用功能开发与应用技术。
　　论文首先分析了网络化移动机器人系统的基本组成与开发难点，提出系统设计通用性、完整性和可控性要求，继而针对辅助资源底层硬件和网络接口的异构问题，分析了智能环境对中间件技术的应用需求，提出了通过扩展机器人系统中间件的方法来构建整个网络化机器人系统。考虑到系统应具有低耦合高内聚的特点，在机器人系统中间件的基础上，设计采用了包含运行管理层、Web客户层和节点控制层的三层框架结构。
　　通过分析网络化移动机器人系统的运行管理机制，设计了运行管理层的具体结构和功能模块，详细给出了节点管理、Web接入和任务管理等模块的实现。针对室内服务机器人应用系统对辅助资源的功能需求，在机器人系统中间件实例ROS平台上，开发了基于线程池的并发服务器，解决了非ROS类资源的接入与交互问题，并在上述框架基础上，分别对移动机器人自主性能和动态感知类节点在智能环境下的应用进行了研究与开发。考虑到远程用户对系统友好性和实时性的要求，设计了视频数据和控制数据双通道传输的交互方案，开发了基于MJPEG压缩技术和HTTP传输协议的视频服务器以及基于WebSocket和JavaScript的人机交互接口，实现了机器人在线导航、运行监控及辅助资源在线管理等功能。
　　最后以室内家庭服务机器人助老助残应用为背景，围绕室内移动机器人定位导航的具体应用，测试了系统平台的运行过程，验证了网络化移动机器人系统的可行性和实用性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 相关研究现状

1．2．1 移动机器人

1．2．2 智能空间

1．2．3 网络化机器入

1．3 目前研究存在的难点

1．4 论文主要内容和结构安排

第二章 网络化移动机器人系统总体设计

2．1 系统总体分析

2．2 基于中间件技术的框架模型设计

2．2．1 中间件技术

2．2．2 系统框架模型

2．3 系统基本运行过程

2．4 本章小结

第三章 网络化移动机器人系统运行管理机制

3．1 辅助资源运行管理

3．1．1 辅助资源的定义与分类

3．1．2 辅助资源的生命周期

3．1．3 节点描述文档设计

3．1．4 节点注册与状态更新

3．2 Web用户接入管理

3．3 任务管理与执行

3．3．1 任务执行过程

3．3．2 任务管理模块基本结构

3．4 基于JSON的交互协议设计

3．5 本章小结

第四章 基于ROS中间件的节点接入实现与服务实例开发

4．1 机器人操作系统ROS

4．1．1 ROS简介

4．1．2 Pub-Sub与Service机制

4．2 移动机器人自主功能研究与开发

4．2．1 移动机器人功能分析

4．2．2 移动机器人SLAM

4．2．3 移动机器人导航

4．3 辅助资源接入设计与实现

4．3．1 ROS类节点的接入

4．3．2 非ROS类节点的接入设计

4．3．3 基于线程池的ROSbridge实现

4．4 动态感知类节点开发与应用

4．4．1 网络化移动机器人的动态感知

4．4．2 视觉传感节点开发与实现

4．4．3 基于HOG和SVM的人体检测

4．5 本章小结

第五章 基于互联网的远程交互开发与实现

5．1 ROS下的远程交互框架实现

5．2 基于WebSocket的实时交互

5．2．1 WebSocket和HTTP双通道传输方案设计

5．2．2 ROSJS和ROS_Web_Bridge

5．3 视频服务器MJPEG_Server开发

5．4 人机交互接口

5．5 本章小结

第六章 系统集成测试与应用研究

6．1 辅助资源接入测试

6．2 典型应用场景测试

6．2．1 应用场景设计

6．2．2 家庭环境中物品获取

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果