智能空间中基于顶棚投影器的机器人辅助导航

摘要

由于家庭环境的非确定性，如何使机器人在复杂的家庭环境下实现快速导航，是家庭服务机器人面临的一个关键问题。本文以家庭环境为背景，研究如何通过基于顶棚投影器的辅助导航系统实现家庭服务机器人的快速导航。 本文设计了基于顶棚投影器的辅助导航系统，研究了投影器的路径规划、无线通讯和运动控制算法。最后使用AS-RⅡ机器人进行了相关实验，实现了基于辅助导航系统的寻迹导航。论文主要工作如下： （1）研究了顶棚投影器辅助导航系统的工作原理和工作步骤，根据系统所要实现的功能提出了系统的设计原则，并对系统所需的部分硬件做了选型。 （2）研究了基于粒子群优化算法的路径规划问题。首先利用室内环境的栅格地图得到它的危险度地图。然后分别采用粒子均匀分布和非均匀分布的PSO路径规划算法做了相关实验，实验证明粒子非均匀分布时，能得到更为平滑、安全的路径。得到安全路径后，利用坐标变换将图像平面内的路径坐标转换为世界坐标系的路径坐标，并存储到智能空间中的服务器。 （3）研究了投影器的无线通讯和运动控制算法。首先建立投影器的运动学模型，将服务器中路径的坐标信息转换为投影器的角位移，然后利用智能空间中搭建的ZigBee无线网络，将其作为控制输入传给投影器，最终控制投影器投射出可供机器人导航用的引导轨迹。 （4）寻迹导航。首先机器人通过采用彩色阈值分割和快速定位的方法识别出投影器投射到地面的激光点，然后控制机器人跟踪激光点运动，同时在机器人的运行过程中，采用红外和超声进行实时避障，以保证机器人的运行安全。最后，根据实验结果总结了系统的不足之处，并提出了相应的改进办法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题背景

1.2课题研究的意义

1.3相关技术研究现状与进展

1.3.1智能空间

1.3.2路径规划

1.3.3顶棚投影器

1.3.4机器人导航

1.4论文结构

第二章辅助导航系统设计

2.1系统概述

2.1.1工作原理

2.1.2工作流程

2.2系统设计原则

2.2.1功能要求

2.2.2设计原则

2.3硬件设计

2.4本章小结

第三章室内环境中的路径规划

3.1室内环境建模

3.1.1室内环境虚拟图

3.1.2建立危险度地图

3.2基于危险度地图的PSO路径规划

3.3实验结果及分析

3.3.1均匀分布的PSO静态路径规划

3.3.2非均匀分布的粒子各维位置确定

3.3.3非均匀分布的PSO静态路径规划

3.4坐标变换

3.5本章小结

第四章顶棚投影器研究

4.1投影器运动学模型

4.2投影器通讯

4.2.1服务器和ZigBee模块之间的串口通讯

4.2.2 ZigBee无线网络通讯

4.2.3 ZigBee模块和单片机之间的串口通讯

4.3运行控制

4.3.1步进电机的控制

4.3.2控制软件设计

4.4本章小结

第五章机器人寻迹导航

5.1基于彩色阈值分割的目标识别

5.1.1颜色空间转换

5.1.2区域中心点的确定

5.1.3识别结果

5.2机器人运动目标跟踪

5.2.1基于行为的运动目标跟踪系统

5.2.2运动目标跟踪

5.2.3实时避障

5.3基于投影器的寻迹导航实验

5.3.1实验设计

5.3.2实验结果分析

5.4本章小结

第六章总结与展望

附 录

参考文献

致谢

硕士期间参加的科研工作