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仿人机器人监控系统研究与设计

作 者: 张文林
导 师: 马宏绪
学 校: 国防科学技术大学
专 业: 控制科学与工程
关键词: 仿人机器人 监控系统 数据通信 自主定位 路径规划 蚁群算法 人机交互
分类号: TP242
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
下 载: 65次
引 用: 1次
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内容摘要


自从上世纪70年代以来,专家们在仿人机器人研究与开发方面做了大量的工作,取得了突破性的进展。但是,受到相关学科发展的限制,仿人机器人还不能实现自主控制,至今基本上仍处于实验室研制阶段。同时,随着人口老龄化的加剧,人们对能够在室内辅助老年人工作和生活的机器人的需求大大增强。显然,最好的选择是能够自主执行任务的仿人机器人。但是,具备完全自主能力的仿人机器人目前还不能实现,而由操作者监控的半自主仿人机器人是发展过程中的必由之路。本文针对实验室研制的仿人机器人实验平台,研究和设计了其在室内结构化环境下工作的监控系统。首先,在分析了仿人机器人的机械机构、控制系统和行为能力之后,对仿人机器人的工作环境、操作方式和功能需求进行了分析,进而设计了监控系统硬件和软件结构,并将监控系统划分为数据通信、运动控制和人机交互3个子系统。然后,分别对3个子系统进行了设计和实现。对于数据通信子系统,主要设计了其无线通信模块和CAN总线通信模块。对UDP协议进行有限的可靠性优化,基于PCI9052接口芯片设计了8路CAN总线通信。对于运动控制子系统,主要对仿人机器人在室内结构化环境下的自主定位路径规划和运动规划进行了研究。本文设计了基于航位推算法的位姿跟踪和基于路标识别的全局定位2种自定位方法,并结合这2种方法设计了行走中的定位机制。基于栅格法对环境进行了建模,并实现了栅格化环境下基于改进蚁群算法的路径规划,仿真结果证明了算法的可行性。设计了基于基本行为在线合成的仿人机器人步行运动规划方法,实现了连续行走,其中基本行为是离线规划的。对于人机交互子系统,设计了人机交互界面和语音控制模式。人机交互界面中没有机载视觉的显示,减轻了通信负担,同时三维虚拟机器人的同步运动显示和机器人位姿及规划路径的显示确保了操作者对机器人当前状态的全面了解。语音控制模式是基于微软SAPI5.1设计的,性能测试结果表明系统对操作者语音指令的识别率在95%以上,并且不会对噪音和操作者的非语音指令误识别。

全文目录


摘要  9-10
ABSTRACT  10-11
第一章 绪论  11-21
  1.1 研究背景及意义  11-12
  1.2 国内外研究现状  12-19
    1.2.1 仿人机器人技术的发展现状  12-15
    1.2.2 监控技术的发展与应用  15-17
    1.2.3 仿人机器人监控系统的发展  17-19
  1.3 本文研究的主要内容  19-21
第二章 仿人机器人监控系统的总体设计  21-32
  2.1 仿人机器人系统介绍  21-26
    2.1.1 机械机构  21-22
    2.1.2 控制系统  22-23
    2.1.3 行为能力  23-26
  2.2 监控系统的需求分析  26-28
    2.2.1 工作环境  26-27
    2.2.2 操作方式  27-28
    2.2.3 功能需求  28
  2.3 监控系统总体结构  28-31
    2.3.1 硬件结构  28-29
    2.3.2 软件结构  29-30
    2.3.3 监控系统总体结构分析  30-31
  2.4 小结  31-32
第三章 数据通信子系统设计与实现  32-45
  3.1 数据和数据流向  32-34
  3.2 无线通信模块  34-37
    3.2.1 硬件设计  34-36
    3.2.2 软件设计  36
    3.2.3 性能分析  36-37
  3.3 CAN 总线通信模块  37-44
    3.3.1 设计原理  37-39
    3.3.2 硬件组成  39-41
    3.3.3 软件设计  41-43
    3.3.4 性能分析  43-44
  3.4 小结  44-45
第四章 运动控制子系统设计与实现  45-59
  4.1 仿人机器人自主定位  45-49
    4.1.1 基于航位推算法的位姿跟踪  45-46
    4.1.2 基于路标识别的全局定位  46-49
    4.1.3 行走中的定位机制  49
  4.2 仿人机器人路径规划  49-56
    4.2.1 基于栅格法的环境建模  50-52
    4.2.2 基于改进蚁群算法的路径规划  52-55
    4.2.3 仿真结果  55-56
  4.3 仿人机器人双足步行  56-58
    4.3.1 规划方法  56-57
    4.3.2 基本行为的离线规划  57
    4.3.3 离线规划步态数据的实时动态连接  57-58
  4.4 小结  58-59
第五章 人机交互子系统设计与实现  59-66
  5.1 操作者与仿人机器人的交互  59-60
  5.2 人机交互界面设计  60-61
  5.3 语音控制模式设计  61-65
    5.3.1 设计方案  61-62
    5.3.2 语音指令识别的软件实现  62-64
    5.3.3 性能测试  64-65
  5.4 小结  65-66
第六章 总结与展望  66-68
  6.1 全文总结  66-67
  6.2 研究展望  67-68
致谢  68-69
参考文献  69-73
作者在学期间取得的学术成果  73

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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