全方位移动机器人视觉导航和运动控制研究

摘要

在柔性自动化生产线的物料搬运过程中，为了提高物料搬运设备在自主导航过程中的安全性和运动精确性，本文对全方位物料搬运机器人进行了改进，包括运动精度的测量及改进、视觉导航、安全性分析以及物料搬运的研究。本文对以上几个方面的设计进行了阐述，并进行理论分析以及实验研究。
　　现有的实验平台为基于麦克纳姆(Mecanum)轮的全方位移动机器人，包括底盘层、控制系统层和应用层。为了提高全方位移动机器人的运动精度，在测量支架上安装CCD彩色视觉传感器。当移动机器人做旋转运动时，检测移动机器人几何中心的位置和方向角的变化，通过对机器人各轮进行差速补偿，以提高其运动精度。使用橡胶空气弹簧实现减振，使移动底盘上方的控制系统层和应用层具有良好的平稳性，为移动机器人视觉导航和物料运输实现安全行驶做好准备。
　　使用Kinect摄像机进行全方位移动机器人的视觉导航研究，对摄像机采集的图像进行逆透视变换及利用OpenCV对图像预处理操作以获得视觉导航信息。利用全方位移动机器人的运动特性设计视觉导航模型，建立圆弧路径规划、切线角偏差及横向偏差的导航模型。建立以移动机器人几何中心为原点的视觉导航模型，提高移动机器人在狭小空间内进行视觉导航的运动性能。对增量式PID算法进行研究，利用Matlab对其进行仿真，通过观察对轨迹追踪效果以获得PID的各参数值。利用全方位移动机器人进行视觉导航实验，分别用两种不同的视觉导航模型对导航线进行视觉导航，使移动机器人快速纠正切线角偏差和横向偏差，使其对含有直线和圆弧的导航路径实现跟踪。
　　利用全方位移动机器人进行物料搬运实验研究，设计并安装了应用层，通过多传感器的协同工作使移动机器人实现自主物料搬运实验。通过实验验证了全方位移动机器人各传感器协同工作的可行性及其运动控制的有效性。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 全方位移动机器人发展历程及近况

1．3 全方位移动机器人关键技术

1．3．1 机器人自主导航方法及研究现状

1．3．2 全方位移动机器人运动控制技术

1．4 课题研究的主要内容

第二章 移动机器人运动精度及安全性实验研究

2．1 移动机器人原地旋转运动精度实验研究

2．1．1 Hough圆检测原理

2．1．2 摄像机标定

2．1．3 Hough圆检测实验

2．2 移动机器人全向运动精度实验研究

2．3 减振系统的设计及测试实验

2．3．1 实验步骤

2．3．2 实验结果与分析

2．4 超声波系统的设计及测试实验

2．5 本章小结

第三章 移动机器人路径识别实验研究

3．1 逆透视变换

3．1．1 摄像头的安装位置确定

3．1．2 图像逆透视变换

3．2 图像预处理

3．2．1 图像灰度化

3．2．2 图像二值化

3．2．3 图像边缘检测

3．2．4 图像边缘轮廓提取及判别

3．3 形态学处理及导航路径拟合

3．4 本章小结

第四章 移动机器人视觉导航模型及控制算法研究

4．1 全方位移动机器人视觉导航模型

4．2 视觉导航控制

4．2．1 电机数学模型

4．2．2 切线角偏差和横向偏差模型

4．2．3 圆弧路径规划

4．3 PID控制系统的建立

4．4 本章小结

第五章 移动机器人视觉导航及物料运输实验研究

5．1．1 视觉导航实验平台的搭建

5．1．2 移动机器人的视觉导航实验研究与分析

5．2 移动机器人物料搬运

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况