我國的人口老齡化問題不斷突出,給社會各方面都帶來很大的影響。機器人在緩解人口老齡化問題中發(fā)揮著重要作用。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展,智能機器人技術(shù)的研究不斷深入。自主導(dǎo)航技術(shù)作為智能機器人技術(shù)的基礎(chǔ)和核心,已成為科學(xué)研究的熱點。很多行業(yè)都推出了替代人類工作的專用智能機器人,但是目前市場上缺少可以集合各類功能并且能夠進行自主導(dǎo)航測試的移動開發(fā)平臺。故此本文設(shè)計了一款具備自主導(dǎo)航能力的機器人平臺,該平臺可以進行自主導(dǎo)航算法測試,能夠通過搭載不同設(shè)備進行功能擴展。研究了實現(xiàn)自主導(dǎo)航的構(gòu)圖定位算法、路徑規(guī)劃算法以及控制算法,針對算法中存在的缺陷進行了優(yōu)化改進與測試分析,提升了機器人平臺的自主導(dǎo)航性能。具體的研究與實現(xiàn)過程如下:第一、根據(jù)性能需求設(shè)計了自主導(dǎo)航機器人平臺的整體框架,包括機械結(jié)構(gòu)、硬件平臺、軟件系統(tǒng)三個部分。從行駛結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式、硬件規(guī)格三個方面分析設(shè)計了機械結(jié)構(gòu);根據(jù)性能需求和機械結(jié)構(gòu),對硬件平臺的器件電路進行了分析設(shè)計;針對自主導(dǎo)航需求,對軟件系統(tǒng)中的驅(qū)動軟件和算法軟件的結(jié)構(gòu)進行了分析設(shè)計,從而完成自主導(dǎo)航移動平臺的框架搭建。第二、對自主導(dǎo)航前半部分的構(gòu)圖定位算法進行研究。梳理了SLAM算法的系統(tǒng)流程和概率模型,對比分析了基于卡爾曼濾波理論的SLAM算法和基于粒子濾波理論的SLAM算法的優(yōu)缺點,在此基礎(chǔ)上對集合兩種算法優(yōu)點的Fast SLAM算法進行深入研究。針對該算法存在的計算量大、粒子匱乏的問題,引入了新的重采樣策略,并通過仿真測試分析改進算法的有效性。第三、對自主導(dǎo)航后半部分的規(guī)劃控制算法進行研究。對路徑規(guī)劃中的地圖環(huán)境和自由度進行確定,分析比較了全局路徑規(guī)劃中迪杰斯特拉算法和A*算法,局部路徑規(guī)劃中的人工勢場法和動態(tài)窗口法。根據(jù)Matlab的算法仿真效果確定平臺的規(guī)劃算法,并對A*算法中存在的缺陷進行改進。最后根據(jù)平臺控制實時性要求,對采用的PID算法進行分析,通過仿真軟件對關(guān)鍵參數(shù)進行了調(diào)節(jié)。第四、對移動平臺進行實現(xiàn)和測試分析。根據(jù)設(shè)計框架進行硬件制作并對驅(qū)動軟件和算法軟件進行程序編寫,然后在ROS框架下進行系統(tǒng)運行。之后進行實際場景的地圖構(gòu)建以及路徑規(guī)劃控制算法的性能測試,并對測試結(jié)果進行分析研究,設(shè)計的機器人平臺可以進行自主導(dǎo)航,并且改進的構(gòu)圖定位算法精度更加精確,路徑規(guī)劃長度更短,完成了研究目的。
【學(xué)位單位】：成都理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP242
【部分圖文】：

第 1 章 緒論國外對 AGV 車的研究取得了非常大的突破。德國 KUKA 公司研發(fā)設(shè)計的 MobilePlatforms 智能移動運輸平臺,可以靈活的在工廠進行移動，并且可以在狹小的空間內(nèi)進行工作。美國亞馬遜 2012 收購的 KivaSystem 公司研發(fā)的 Kiva 機器人可以實現(xiàn)貨物的自動識別和分揀，配合物流管理系統(tǒng)，利用該機器人能夠更高效的完成貨物分類和搬運，極大的節(jié)約了人力成本。綜合以上調(diào)查，國外對于移動機器人的研究逐步迭代，并且成果豐富，目前還在不斷研究推進。下圖為目前國外研發(fā)的一些典型移動機器人。

類型 全向輪 麥克納姆輪結(jié)構(gòu)輪轂上均勻分布輥子構(gòu)成，輥子徑向和輪轂經(jīng)向垂直。輪轂的框架下嵌入輥子，輥子軸和輪轂軸呈現(xiàn) 45 度角。安裝實現(xiàn)全向移動輪轂安裝角度必須是：60、90、120 度的角度。實現(xiàn)全向轉(zhuǎn)動，輪轂可安裝在平行的軸線上。優(yōu)點 可實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)動，價格較低很強靈活性和機動性，能夠在無半徑的情況下任意角度旋轉(zhuǎn)。荷載量大缺點 對行走地面要求高、承重能力差 行走速度慢適用場景 機器人、貨用車、 貨用搬用通過上表的性能分析，全向輪的價格低但載荷量比較小，并且對輪子的安裝角度有方向設(shè)定要求，而麥克納姆輪的荷載量大，并且安裝簡單和平時的安裝位置角度一致。因此麥克納姆輪可擴展性更好以及應(yīng)用場景更廣，因此硬件平臺輪子選擇麥克納姆輪。下圖展示麥克納姆輪和全向輪的結(jié)構(gòu)和實物圖。

類型 全向輪 麥克納姆輪結(jié)構(gòu)輪轂上均勻分布輥子構(gòu)成，輥子徑向和輪轂經(jīng)向垂直。輪轂的框架下嵌入輥子，輥子軸和輪轂軸呈現(xiàn) 45 度角。安裝實現(xiàn)全向移動輪轂安裝角度必須是：60、90、120 度的角度。實現(xiàn)全向轉(zhuǎn)動，輪轂可安裝在平行的軸線上。優(yōu)點 可實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)動，價格較低很強靈活性和機動性，能夠在無半徑的情況下任意角度旋轉(zhuǎn)。荷載量大缺點 對行走地面要求高、承重能力差 行走速度慢適用場景 機器人、貨用車、 貨用搬用通過上表的性能分析，全向輪的價格低但載荷量比較小，并且對輪子的安裝角度有方向設(shè)定要求，而麥克納姆輪的荷載量大，并且安裝簡單和平時的安裝位置角度一致。因此麥克納姆輪可擴展性更好以及應(yīng)用場景更廣，因此硬件平臺輪子選擇麥克納姆輪。下圖展示麥克納姆輪和全向輪的結(jié)構(gòu)和實物圖。
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本文編號：2882326