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搜救机器人运动控制系统完善与改进

作　者: 谢爱珍
导　师: 李贻斌
学　校: 山东大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 搜救机器人航位推算法 AHRS IMU 姿态保护视觉里程计
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 57次
引　用: 1次
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内容摘要

搜救机器人在灾难救援方面有着巨大的应用潜力,它可以代替救援人员首先进入救灾现场采集现场数据,给下一步的救援行动提供重要信息。针对救援环境的特殊性,搜救机器人需要具备多项功能,例如灵活的越障避障能力、多项环境感知能力、高效通信能力等。在完成了搜救机器人的各项基本功能基础上,为了增强搜救机器人的实用性,非常有必要进一步研究机器人的定位系统与姿态保护系统设计。机器人的定位技术种类繁多,其中一种简单有效的方法是航位推算法。本文设计了基于光电编码器的定位系统,给出详细的电路设计,并进行了实验,给出实验结果与分析。针对光电编码器系统误差比较大的缺点,提出两种可行的补偿方式,一是软件补偿,二是通过测量航向角进行补偿。搜救机器人在井下特殊环境中工作,需要具备一定的自我保护能力。因此,进行了利用倾角传感器所做的姿态保护设计,机器人在面临翻车危险时可以做出及时反应,自身采取一定措施的同时也可以接受来自操作人员的安全行驶命令。选择倾角传感器而不选功能更强大的惯性测量仪器的原因,在论文中也给出了分析与说明。近几年兴起的视觉里程计技术具有信息量大、适用范围广等优点,既可以求出机器人的位置变化,还可以得到机器人的姿态变化。为了将来在搜救机器人平台上应用视觉里程计,研究了视觉里程计的常用框架,包括特征提取、特征匹配、摄像机标定以及运动估计,分析了视觉里程计每一步常用方法,并给出部分实验结果,为视觉里程计与航位推算法和姿态保护等融合运用打下基础。最后,总结了研究工作中的不足,展望未来。

全文目录

摘要  8-9
ABSTRACT  9-11
第1章绪论  11-17
  1.1 课题研究背景与意义  11-12
  1.2 移动机器人研究现状  12-13
  1.3 搜救机器人研究现状  13-15
  1.4 论文的主要内容与章节安排  15-17
第2章机器人定位系统设计  17-35
  2.1 机器人自主定位方法介绍  17-18
  2.2 航位推算(DR,Dead Reekoning)技术  18-20
  2.3 机器人运动方程  20-25
    2.3.1 运动学方程  21-23
    2.3.2 运动学模型  23-25
  2.4 运动控制板电路设计  25-31
    2.4.1 驱动器方式及驱动器选型  25-26
    2.4.2 速度测量  26-31
  2.5 算法应用与软件实现  31-34
  2.6 本章小结  34-35
第3章姿态检测与保护  35-51
  3.1 引言  35-36
  3.2 AHRS姿态检测  36-43
    3.2.1 Innalabs AHRS  36-40
    3.2.2 传感器原理简述  40-43
  3.3 IMU(惯性测量系统)姿态检测  43-45
    3.3.1 XW-VG5300工作原理  43-44
    3.3.2 XW-VG5300控制指令  44
    3.3.3 XW-VG5300输出数据格式  44-45
  3.4 倾角传感器姿态检测  45-48
    3.4.1 倾角传感器简介  45-46
    3.4.2 测量原理与应用电路设计  46-47
    3.4.3 硬件接口与数据传输  47-48
  3.5 姿态保护设计  48-50
  3.6 本章小结  50-51
第4章视觉里程计中的姿态与位移测量  51-73
  4.1 视觉里程计发展概述  51-52
  4.2 特征提取  52-58
    4.2.1 特征提取概述与分类  52-53
    4.2.2 SIFT尺度不变特征检测  53-54
    4.2.3 Harris角点检测算法  54-58
  4.3 特征匹配  58-62
  4.4 张正友平面标定法  62-66
  4.5 运动估计  66-72
    4.5.1 任务分析  66-67
    4.5.2 建立数学模型  67-69
    4.5.3 求解方法  69-72
  4.6 本章小结  72-73
第5章总结与展望  73-75
  5.1 总结  73
  5.2 展望  73-75
附录A 获取编码器输出脉冲的VHDL程序  75-77
附录B 角点检测和匹配部分程序(MATLAB)  77-80
参考文献  80-85
致谢  85-87
攻读硕士学位期间参与项目  87
攻读硕士学位期间发表的论文  87-88
学位论文评阅及答辩情况表  88

搜救机器人运动控制系统完善与改进

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