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自主避障系统的研究与设计

作　者: 孙兰兰
导　师: 毛建国
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 自主避障模糊控制控制仿真平台超声波测距差分GPS
分类号: TP18
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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引　用: 7次
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内容摘要

自主避障的能力是移动机器人智能化程度的重要指标,也是智能型车辆安全行驶的重要保障。自主避障算法是避障功能的灵魂所在,传统的控制算法通常依赖于被控对象精确的数学模型和完整全面的环境信息。当控制过程相对复杂,参数众多,环境信息不全,被控对象的数学模型难以确定时,避障效果往往不能令人满意。基于上述情况,本文进行了自主避障系统的研究和设计,该系统主要包含前端采集模块,中央处理模块,控制执行模块和被控对象四个部分。前端采集模块包含了超声波测距系统和伪距差分GPS定位系统,分别用于检测行驶过程中障碍物到被控对象的距离以及实现被控对象的自身定位,数据通过RS232串行接口传送给中央处理模块中的上位计算机;中央处理模块根据前端采集到的数据,采用相应的避障控制算法得出控制信号发送给控制执行模块;控制执行模块接收到控制信号后,通过触发无刷电机驱动转向机构,改变被控对象的行驶方向,从而实现避障。避障控制算法设计上引入了模糊控制理论,将避障行为划分为寻踪和避障两大行为模式,两种行为模式在相应条件下可相互切换。分别建立了两种模式的模糊控制器,对被控对象的转向角进行控制,通过转向角大小控制步长,来实现转弯过程中的自然减速。文中分析了几种典型的陷阱环境,通过设置虚拟目标点的方法进行陷阱避让,给出了具体实现方案。在Visual Basic集成开发环境下,设计了控制仿真平台用于仿真避障导航的控制过程,通过几种典型障碍物环境下的避障实验,验证了该算法具有很好的避障效果。前端采集模块中完成了基于AT89C51单片机的超声波测距系统的软、硬件设计,并进行了测距实验,结果表明该系统的测量误差为±2%。借助伪距差分GPS定位系统来实现自身的定位,以弥补单纯由传感器检测环境信息的不足。文中介绍了伪距差分GPS的定位原理,以及GPS信号的接收和处理的实现过程。控制执行机构选用了无刷电机和电动助力转向机构,被控对象采用了智能避障、越障概念车,组成了完整的自主避障系统,设置了真实情况下的不同障碍物环境,进行实车自主避障实验。实验的结果跟仿真的避障导航的控制过程吻合,也验证了该自主避障控制系统具有一定的现实意义。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-15
  1.1 课题研究的背景和意义  10
  1.2 避障过程中的环境探测  10-11
  1.3 避障算法研究  11-13
  1.4 课题研究的内容及关键技术  13-14
  1.5 论文的结构安排  14-15
第二章自主避障算法研究  15-35
  2.1 模糊控制理论  15-17
  2.2 避障算法设计  17-19
    2.2.1 参考坐标系  17-18
    2.2.2 传感器介绍  18
    2.2.3 算法说明  18-19
  2.3 模糊控制器的设计  19-23
    2.3.1 模糊控制器输入输出变量的选取  19-20
    2.3.2 输入输出空间的模糊语言描述和模糊分割  20
    2.3.3 输入输出量的模糊化  20-21
    2.3.4 建立模糊控制规则库  21-22
    2.3.5 基于模糊控制规则库的模糊推理  22
    2.3.6 模糊控制量的清晰化计算  22-23
  2.4 利用MATLAB 模糊逻辑工具箱建立和分析模糊控制器  23-29
    2.4.1 寻踪模式  24-27
    2.4.2 避障模式  27-29
  2.5 步长的转向角控制  29-30
  2.6 陷阱克服策略  30-33
  2.7 本章小结  33-35
第三章避障导航控制仿真  35-45
  3.1 避障导航控制仿真平台  35-41
    3.1.1 Visual Basic 开发环境简介  35-36
    3.1.2 仿真平台总体设计  36-37
    3.1.3 仿真平台详细设计  37-41
  3.2 几种典型障碍物环境下的避障  41-44
    3.2.1 非陷阱障碍物环境下的避障  41-42
    3.2.2 简单U 型障碍物的避障  42
    3.2.3 反U 型障碍物的避障  42-43
    3.2.4 紧急情况下的倒车  43-44
  3.3 本章小结  44-45
第四章前端采集模块设计  45-67
  4.1 超声波测距系统  45-55
    4.1.1 超声波传感器以及测距原理  45-46
    4.1.2 测距系统硬件设计  46-51
    4.1.3 测距系统软件设计  51-55
    4.1.4 超声波测距实验  55
  4.2 伪距差分GPS 定位系统  55-66
    4.2.1 GPS 定位原理及单点定位  55-61
    4.2.2 差分GPS 定位系统  61-63
    4.2.3 GPS 信号接收和数据采集  63-66
  4.3 本章小结  66-67
第五章避障导航控制实验  67-72
  5.1 智能避障、越障概念车  67-68
  5.2 概念车自主避障实验  68-71
  5.3 本章小结  71-72
第六章总结与展望  72-74
  6.1 总结  72-73
  6.2 展望  73-74
参考文献  74-77
致谢  77-78
在学期间的研究成果及发表的学术论文  78-79
附录1 超声波测距系统程序，系统原理图  79-82
附录 2 避障控制仿真程序  82-86

自主避障系统的研究与设计

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