野外机器人导航避障系统设计

摘要

移动机器人是机器人学中的一个重要分支，具有广阔的发展前景，尤其是野外环境下的移动机器人，广泛地应用到侦查、探测、军事、搜救等特殊场合。这些应用对移动机器人导航避障能力提出了更高的要求。本文以DSP5509嵌入式开发板为控制平台，设计了野外环境下的移动机器人的导航避障系统，主要研究内容如下： 1)针对野外机器人的功能需求及关键技术，设计了野外移动机器人导航避障系统总体方案；并提出了本机器人采用的控制体系结构--基于行为的混合分层体系结构，便于软件的模块化设计和后续升级，同时提高了导航避障控制实时性。 2)分析了各传感器测量误差产生的原因；建立了电子罗盘航向输出卡尔曼滤波模型并进行了仿真，提高了航向精度；通过实验方法对超声波和红外测距传感器的性能进行了分析测试，利用最小二乘法对测量数掘进行校正，提高了测距精度。 3)设计了多路超声信号处理电路，完成了多路传感器输出渡越时间信号到输出电压信号的转变；同时研究了基于行为的导航避障方法，并为机器人系统设计了相应的传感数据采集、导航避障以及通信软件。 4)采用由GPS、电子罗盘及光电码盘组合的导航定位系统，以此分析设计了机器人的导航算法；确定了基于传感器实时信息的避障策略，提出了基于模糊控制的多传感器信息融合的避障方法，仿真验证了该方法的可行性和有效性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题研究意义

1.2国内外相关课题研究现状

1.3移动机器人的主要研究内容

1.4本文主要研究内容

2野外移动机器人导航避障系统总体设计

2.1功能需求与关键技术

2.1.1 功能需求

2.1.2关键技术

2.2野外移动机器人硬件结构总体框图及配置

2.2.1 导航避障系统的原理及组成

2.2.2野外机器人主要配置及导航避障设备的选取

2.3机器人的体系结构

2.3.1 典型机器人体系结构概述

2.3.2野外机器人控制体系结构设计

2.4本章小结

3传感器测量技术及误差校正

3.1 GPS导航定位原理及定位误差分析

3.1.1 GPS概述

3.1.2 GPS导航定位原理

3.1.3 GPS定位误差分析

3.2 HMR3300电子罗盘结构和测量原理

3.2.1罗盘结构及测量原理

3.2.2罗盘误差分析及数据校正处理

3.3超声波传感器测距

3.3.1 超声波的测距原理

3.3.2超声波传感器测距实验及数据处理

3.3.3超声波传感器测距误差分析

3.4红外传感器

3.4.1 PSD红外传感器的测距原理

3.4.2 PSD红外传感器性能测试及实验结果处理

3.5本章小结

4野外机器人导航避障系统软硬件设计

4.1多路超声信号处理模块电路

4.1.1 设计思想

4.1.2硬件设计

4.1.3软件设计

4.2系统软件设计

4.2.1软件开发平台

4.2.2导航避障系统软件组成

4.3传感数据的采集

4.3.1 GPS数据采集

4.3.2 电子罗盘HMR3300数据采集

4.3.3测距传感器信号采集

4.4机器人导航避障的行为设计

4.4.1 奔向目标行为设计

4.4.2避障行为设计

4.4.3行为选择与执行

4.5通信模块设计

4.5.1上位机的通信

4.5.2与驱动子系统的通信

4.6本章小结

5野外机器人导航避障控制算法

5.1野外机器人导航算法

5.2模糊控制避障算法设计

5.2.1避障策略

5.2.2环境信息分类

5.2.3模糊控制器的设计

5.3避障算法的仿真研究

5.4本章小结

6总结与展望

致 谢

参考文献

附录