基于激光点云的爬壁机器人越障规划方法研究

摘要

近年来，随着人们对生命财产安全要求的意识增强，航空安全问题得到了人们的广泛关注，具有运动速度快、运动稳定、反应灵活的爬壁机器人在飞机蒙皮检测和反劫机的反恐任务中具有广阔的应用前景。在飞机蒙皮检测应用中它能够减少操作人员的劳动强度，提高故障检出率；在反劫机的应用中，它能够最大限度的保证反恐人员的安全。本课题得到国家“863”计划项目“飞机壁面爬行探测机器人”（课题编号：2009AA04Z2171）和国家自然科学基金项目“飞机蒙皮检测机器人热力转换与振动的映射机理与实验研究”（课题编号：61179049）的支持。本文针对基于激光点云的爬壁机器人越障规划方法展开研究工作。主要包括以下四个方面的内容：
　　第一，为实现爬壁机器人平稳的、快速的在飞机蒙皮表面运动，结合实际样机对控制器小尺寸、低功耗和轻量化的要求，确定爬壁机器人控制器具体设计方案。详细介绍了主控芯片选型、系统的硬件设计方案及主控制芯片的资源分配情况。并结合硬件电路详细说明新型轮足复合式爬壁机器人的硬件系统的各个部分的详细设计内容。
　　第二，针对爬壁机器人自主越障的需求，结合爬壁机器人的工作环境，提出了利用二维激光测距仪实现爬壁机器人运动环境建模。搭建了三维激光扫描系统，在上位机上验证所提出的基于点云矩阵的三角网格构建算法的正确性。利用三角平面法向量聚类算法对激光点云数据边界特征信息的提取，并利用均方差对结果进一步处理，提取出更为精确的环境边界特征信息，实现环境建模。
　　第三，分析了为实现爬壁机器人能够顺利越障，爬壁机器人应该执行的运动模式。明确了先执行轮式运动模式后执行双足运动模式的策略完成爬壁机器人的越障任务。重点分析了爬壁机器人在轮式运动下的模糊控制器的设计。通过爬壁机器人在轮式运动模式下的运动学方程结合爬壁机器人在飞机壁面可能的运动状况设计出爬壁机器人的模糊控制器。
　　第四，本文中的实验研究。首先，对激光点云数据进行处理，验证了所提算法能够有效的实现对爬壁机器人运动环境的三角网格构建，并能够准确的提取出前方环境的边界特征信息，完成环境建模。其次，对所设计的模糊控制器进行仿真实验，确定爬壁机器人在轮式运动模式下，能够运用所设计的模糊控制器实现爬壁机器人从附着面任意位置移动到理想越障位置。最后对双足运动模式下的爬壁机器人样机进行实验，验证了爬壁机器人样机具有较好的跨越障碍物的能力。上述实验的最终结果可以预见，爬壁机器人能够通过二维激光测距仪完成在飞机蒙皮表面的越障任务。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第 1 章 绪论

1.1课题研究的背景及意义

1.2爬壁机器人的发展历程

1.3国内外激光点云数据处理的研究现状

1.4国内外移动机器人越障规划方法研究现状

1.5论文主要内容及章节安排

第 2 章 基于DSP的爬壁机器人控制系统设计

2.1爬壁机器人样机介绍

2.2爬壁机器人控制系统方案

2.3爬壁机器人样机硬件电路设计

2.4本章小结

第 3 章 基于激光点云的飞机蒙皮表面环境建模

3.1爬壁机器人工作环境介绍

3.2三维激光扫描系统

3.3基于点云矩阵的三角网格建模

3.4本章小结

第 4 章 爬壁机器人越障规划方法研究

4.1爬壁机器人运动模式

4.2爬壁机器人运动学分析

4.3模糊控制基础

4.4爬壁机器人的模糊控制策略

4.5本章小结

第 5 章 仿真实验研究

5.1基于三维点云数据的飞机蒙皮表面环境建模实验

5.2爬壁机器人越障规划方法实验研究

5.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果

致谢