本文關(guān)鍵詞： 煤礦救援機(jī)器人 導(dǎo)航系統(tǒng) SLAM 路徑規(guī)劃　出處：《中國礦業(yè)大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：煤炭資源是我國的主要能源之一,但煤炭開采是一個(gè)高危行業(yè)。提高煤礦事故救援效率和保證救援過程的安全非常關(guān)鍵。煤礦救援機(jī)器人可以代替救援人員深入礦井探測災(zāi)害現(xiàn)場情況,對(duì)于提高救援效率和保證救援人員安全具有重大意義。導(dǎo)航功能可以使機(jī)器人構(gòu)建災(zāi)后破壞的先驗(yàn)地圖,為救援工作提供重要參考,同時(shí)協(xié)助機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃及自主或遙控避障,提高救援效率。導(dǎo)航系統(tǒng)的研發(fā)對(duì)于提高煤礦救援機(jī)器人的自主性能和智能化,提升救援效率和實(shí)用性具有重要意義。本文以CUMT4煤礦救援機(jī)器人為平臺(tái),構(gòu)建適合煤礦環(huán)境應(yīng)用的導(dǎo)航系統(tǒng)。針對(duì)煤礦救援機(jī)器人的需求,對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。將硬件系統(tǒng)分為控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)五個(gè)部分,分別對(duì)每部分使用的硬件進(jìn)行選型,對(duì)電路連接方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。在對(duì)比現(xiàn)有機(jī)器人常用軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,分析了 ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)的特點(diǎn)�；赗OS將軟件系統(tǒng)分為環(huán)境感知系統(tǒng)、坐標(biāo)變換系統(tǒng)、底盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、SLAM系統(tǒng)、路徑規(guī)劃系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)六個(gè)部分,對(duì)各部分實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。針對(duì)煤礦救援機(jī)器人同時(shí)定位和地圖構(gòu)建問題,展開對(duì)各類SLAM算法的研究,設(shè)計(jì)和選擇適合煤礦環(huán)境應(yīng)用的SLAM算法。對(duì)SLAM技術(shù)的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析,利用概率模型和優(yōu)化模型對(duì)SLAM問題進(jìn)行描述,基于此模型介紹在線SLAM和完全SLAM算法的數(shù)學(xué)原理。在以上模型分析的基礎(chǔ)上,研究了基于貝葉斯遞歸方法的擴(kuò)展卡爾曼濾波器的EKF-SLAM、基于粒子濾波器的蒙特卡洛定位、Gmapping算法。對(duì)EKF-SLAM過程進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果表明通過觀測模型的校正對(duì)運(yùn)動(dòng)模型預(yù)測具有明顯的校正作用。蒙特卡洛定位仿真試驗(yàn)表明在地圖已知的情況下,以運(yùn)動(dòng)方程作為建議分布可以獲得良好的定位效果。利用PLICP掃描匹配的原理,針對(duì)CUMT4里程計(jì)信息不精確的問題,以Gmapping算法為基礎(chǔ),使用PLICP定位獲得的位姿假設(shè)代替里程計(jì)模型構(gòu)建的建議分布函數(shù),構(gòu)成PLICP-FastSLAM,對(duì)于煤礦里程計(jì)失效的環(huán)境具有更好的適應(yīng)性。分析了Hector-SLAM掃描匹配算法的原理,與PLICP-FastSLAM算法進(jìn)行對(duì)比。分析了基于圖優(yōu)化的Cartographer-SLAM算法,對(duì)后端的圖優(yōu)化方法進(jìn)行了研究。為了比較 PLICP-FastSLAM,Hector-SLAM,Cartographer-SLAM 算法的實(shí)用性,在室內(nèi)的樓道環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)。首先驗(yàn)證了 PLICP算法的定位效果。比較了三種算法各自的建圖精度。對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析,比較了各個(gè)算法的實(shí)現(xiàn)過程和優(yōu)缺點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,PLICP-FastSLAM利用改進(jìn)重采樣過程的粒子濾波器,利用掃描匹配的結(jié)果定位,降低粒子數(shù),極大提高了建圖的效率和精度,對(duì)于室內(nèi)環(huán)境具有良好的適應(yīng)性。Hector-SLAM掃描匹配效率高,地圖精度較高。但對(duì)于機(jī)器人旋轉(zhuǎn)加速度過大的場合適應(yīng)性較差,而且強(qiáng)烈依賴于高掃描頻率的激光傳感器。Cartographer-SLAM算法由于是基于圖優(yōu)化的算法,同時(shí)采用稀疏位姿調(diào)整,受環(huán)境噪聲影響小,得到的地圖一致性最高。三種算法在室內(nèi)環(huán)境均可獲得質(zhì)量較好的地圖。針對(duì)煤礦救援機(jī)器人的路徑規(guī)劃問題,研究了基于A*的全局路徑規(guī)劃算法和基于DWA的局部路徑規(guī)劃算法。分析比較了 A*算法、BFS算法、Dijkstra算法各自的特點(diǎn),在此基礎(chǔ)上對(duì)A*算法的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行分析。A*算法利用同時(shí)計(jì)算到目標(biāo)點(diǎn)和出發(fā)點(diǎn)距離之和的評(píng)價(jià)函數(shù),實(shí)現(xiàn)最短路徑和最快速度的結(jié)合。DWA算法通過對(duì)機(jī)器人速度、加速度以及障礙物距離的限制條件,利用動(dòng)態(tài)窗口縮小速度采樣空間。為了將A*算法和DWA算法結(jié)合使用于CUMT4導(dǎo)航系統(tǒng)中,基于ROS的路徑規(guī)劃系統(tǒng)架構(gòu),分析了導(dǎo)航棧使用的代價(jià)地圖、路徑規(guī)劃算法、定位信息、傳感器信息及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系等內(nèi)容。在此基礎(chǔ)上利用Cartographer-SLAM生成的室內(nèi)地圖進(jìn)行仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明基于ROS的路徑規(guī)劃系統(tǒng)具計(jì)算速度快、路徑短且平滑等優(yōu)點(diǎn),可以滿足煤礦救援機(jī)器人導(dǎo)航使用。針對(duì)煤礦救援機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)問題,對(duì)CUMT4型機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。對(duì)機(jī)器人使用的激光雷達(dá)、深度相機(jī)、AHRS、里程計(jì)等底層驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和安裝。利用STM32作為控制核心,對(duì)底層控制器的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì),并介紹了軟件的實(shí)現(xiàn)過程。通過將導(dǎo)航系統(tǒng)使用的各個(gè)子系統(tǒng)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航功能。為了驗(yàn)證CUMT4導(dǎo)航系統(tǒng)的有效性,在模擬礦井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。首先對(duì)比研究了 PLICP-FastSLAM、Hector-SLAM 以及 Cartographer-SLAM 算法各自在現(xiàn)場試驗(yàn)中的使用,重點(diǎn)分析三種算法的構(gòu)圖精度和計(jì)算壓力。結(jié)果表明Cartographer-SLAM魯棒性最好,構(gòu)圖精度和一致性最高,同時(shí)計(jì)算壓力最小。然后利用Cartographer-SLAM構(gòu)建的地圖進(jìn)行自主和半自主導(dǎo)航試驗(yàn),結(jié)果表明CUMT4導(dǎo)航系統(tǒng)具有較好的導(dǎo)航效果,可以基本滿足煤礦環(huán)境下的應(yīng)用需要。
[Abstract]:This paper analyzes the technical difficulties of coal mine rescue robot , designs and selects a navigation system suitable for the application of coal mine environment . The simulation results show that the system is divided into three parts : control system , communication system , chassis drive system , SLAM system , path planning system and man - machine interaction system . In order to improve the efficiency and accuracy of the navigation system of coal mine , the paper designs and installs the hardware and software of the navigation system .

【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TP242

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1541029