面向隧道救援的悬挂式轨道机器人系统研究

摘要

随着公路隧道、铁路隧道基础设施建设里程增加，对于隧道轨道机器人有了重大需求。国内对于悬挂式轨道机器人研究主要集中在巡检、火灾探测方面，但并没有深入研究轨道机器人多数据融合定位问题。在隧道环境复杂及光线不足条件下，实现轨道机器人的控制及全局定位成为亟待解决的问题。本文对该问题展开了相关研究，主要研究内容如下：
　　首先分析了系统设计需求，使用Solidworks设计轨道机器人机械结构及3D模型，分别设计车体、驱动轮、轮轴、轨道、路标的机械结构，加工轨道机器人的各个零件，设计并搭建轨道机器人行驶轨道。设计了轨道机器人的数据采集、电气、通信系统，数据采集系统包括速度检测电路、惯导传感器电路、路标检测模块等；电气系统包括电机驱动电路、电源管理电路、电压电流检测电路。通信系统包括CAN总线电路以及无线模块。在此基础上，整合以上各个模块，完成了主控制器电路板的设计。
　　然后研究基于卡尔曼滤波的多传感数据融合轨道机器人全局定位算法，包括区间定位和区间内定位。设定轨道定位坐标系及轨道机器人自身坐标系。研究光电传感器提取的路标特征值，建立路标子区间及区间编码，并根据匹配算法进行区间定位。根据测量编码器和惯导传感器的数据，建立轨道机器人区间内定位数学模型，实现其在区间内定位。结合区间定位和区间内定位数据，实现轨道机器人全局定位。
　　最后搭建实验测试平台，分析系统的软件结构框图，编写主控制器的程序，并对路标、编码器、惯导传感器的定位数据进行处理融合。完成了基本性能实验、惯导传感器全局定位实验、多数据融合全局定位实验。通过实验数据分析了轨道机器人的性能，实验结果表明：轨道机器人多传感器融合定位精度高于单一传感器定位精度，为研究成果的产品化提供了重要依据。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 移动机器人定位技术

1.4 论文结构安排

第二章 悬挂式轨道机器人机械结构设计

2.1系统设计要求

2.2 轨道机器人机械结构

2.3 电机选型

2.4 轨道及路标结构设计

2.5本章小结

第三章 悬挂式轨道机器人系统设计

3.1系统总体设计

3.2数据采集系统

3.3电气系统

3.4通信系统

3.5电路板PCB设计

3.6 本章小结

第四章 轨道机器人多传感器融合定位方法研究

4.1 多传感器信息融合理论

4.2 轨道机器人定位坐标系

4.3 基于光电传感器的轨道机器人区间定位研究

4.4轨道机器人区间内定位模型分析

4.5数据融合定位算法研究

4.6 本章小结

第五章 软件实现及实验验证

5.1 系统控制结构

5.2 实验环境

5.3 基本性能实验

5.4 定位实验

5.5 本章小结

总结及展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢