基于ROS的自动分拣机器人系统设计与实验研究

摘要

现代物流水平被称为全球贸易增长的新源泉，已经成为衡量一个国家综合国力的重要指标。而目前，国内仓储物流行业主要采用的人工以及自动分拣机等物流分拣方式存在效率低、柔性差等问题，这严重限制了国内仓储物流行业的发展。针对现代物流行业高效快速分拣的行业需求，研发高效率、高柔性的自动分拣机器人迫在眉睫。　　本文以仓储物流行业的发展需求为切入点，针对传统物流分拣技术效率低、柔性差的问题，提出一款高效率、高柔性的AGV+机械臂式的自动分拣机器人设计方案；通过结合动力学、控制学、优化方法以及计算机仿真等方法，对自动分拣机器人的功能设计、多传感器融合技术以及局部路径规划算法等关键问题进行了深入研究，其主要研究内容如下：　　①自动分拣机器人软硬件平台设计。分析仓储物流行业发展需求，提出自动分拣机器人的设计方案，完成机器人本体结构以及相应传感器选型等机器人硬件系统的设计；另外，采用模块化、分布式的设计思想，将自动分拣机器人的软件系统分为下位机与上位机两部分。其中，下位机基于STM32完成机器人底层驱动控制；上位机基于ROS（机器人操作系统）实现自动分拣机器人的自主导航功能；并通过串口通信，实现上位机与下位机之间的协调工作。　　②基于图优化的DWA局部路径规划算法研究。针对传统DWA局部路径规划算法路径规划不合理、避障效果差等问题，提出基于图优化的DWA局部路径规划算法。采用TEB轨迹图优化思想，为DWA算法生成的多条路径增加避障与跟随全局路径、速度、加速度、非完整动力学、点间距等约束，创建DWA超图；接着，利用G2O图优化算法对DWA超图进行图优化；最后，根据评价函数选出最优轨迹，完成DWA局部路径规划算法的优化。　　③自动分拣机器人的性能评估实验研究。根据设定的工作场景，搭建自动分拣机器人的功能测试场地，完成自动分拣机器人的多点自主导航、自动避障以及自动分拣功能测试实验；并基于该自动分拣机器人平台，设计机器人运动稳定性以及避障效果测试实验，验证基于图优化的DWA算法的优越性。

目录

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 自动分拣机器人国内外研究现状

1.3 路径规划算法研究现状

1.3.1全局路径规划算法

1.3.2局部路径规划算法

1.4 机器人操作系统研究现状

1.5 论文研究内容

2 自动分拣机器人硬件系统设计

2.1 引言

2.2.1结构设计

2.2.2 底盘运动学分析

2.3.1 传感器选型

2.3.2 硬件连接布置框架

2.4 本章小结

3 自动分拣机器人软件系统设计

3.1 引言

3.2 下位机底层驱动控制系统设计

3.2.1 底层控制系统

3.2.2 通信系统

3.3 上位机自主导航系统设计

3.3.1 机器人URDF模型

3.3.2 定位模块

3.3.3 感知模块

3.3.4 实时定位与地图构建

3.3.5 规划控制模块

3.4 机器人逻辑控制框架

3.5 本章小结

4 基于图优化的DWA 局部路径规划算法研究

4.1引言

4.2 传统 DWA算法

4.3 基于图优化的 DWA算法

4.3.1 DWA超图

4.3.2 G2O图优化

4.3.3 评价函数

4.3.4 基于图优化DWA算法路径规划流程

4.4 本章小结

5 自动分拣机器人性能评估实验

5.1 引言

5.2 自动分拣功能评估实验

5.3 DWA算法优化性能评估实验

5.3.1 机器人直线运动规划实验

5.3.2 机器人避障效果性能评估实验

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 主要创新点

6.3 展望

参 考 文 献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C. 学位论文数据集

致谢