【摘 要】
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机器人技术是自动化学科发展中的一个代表领域,对促进新兴产业发展具有重大意义,其中室内移动机器人的发展方兴未艾,应用范围非常广泛,在工厂作业、酒店服务、医养保健等领域都有极大的应用需求。由于移动机器人的工作环境大多是在相对密闭的室内空间,建图与导航是实现其自主移动的两大核心技术。目前流行的移动机器人室内建图与导航的解决方案主要有以下几个问题:(1)对于楼道等结构化环境的应用效果较差(比如常用的自适应
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机器人技术是自动化学科发展中的一个代表领域,对促进新兴产业发展具有重大意义,其中室内移动机器人的发展方兴未艾,应用范围非常广泛,在工厂作业、酒店服务、医养保健等领域都有极大的应用需求。由于移动机器人的工作环境大多是在相对密闭的室内空间,建图与导航是实现其自主移动的两大核心技术。目前流行的移动机器人室内建图与导航的解决方案主要有以下几个问题:(1)对于楼道等结构化环境的应用效果较差(比如常用的自适应蒙特卡洛定位技术);(2)基于固定算法或模型,灵活度不足,往往比较复杂,消耗较大的算力和存储空间;(3)软硬件成本比较高,而且缺乏开放性和互操作性。针对上述问题,本文给出了一种基于数据逻辑特征的移动机器人室内建图方法,并自主设计了移动机器人原型系统,实现了移动机器人的建图和自主导航。本文的主要工作如下:(1)给出了一种基于数据逻辑特征的移动机器人室内建图方法。首先,给出了移动机器人的特征地图表示法,明确了地图特征点的概念。其次,从理论上阐述了基于先验知识建立特征地图的合理性和可行性,并基于P-集合理论建立了地图特征点的析取模型,析取模型可以完成析取地图特征点、建立特征地图、动态发现地图特征点的工作。最后,在不同的传感网络下验证了析取模型的可行性。(2)完成了移动机器人原型系统下位机控制平台的设计。首先,自主搭建了移动机器人的硬件平台,设计了硬件平台的PIC核心控制器。其次,采用了高内聚低耦合的软件模块化框架,在框架下开发了解释器、驱动、传感网络感知等软件模块。最后,通过传感数据融合实现移动机器人的相对定位、运行轨迹跟踪等。(3)开发了移动机器人原型系统的上位机平台软件,软件采用客户端/服务端(Client/Server,C/S)架构,包含遥操作、传感网络配置、自主导航三个交互窗口。首先,利用软件遥操作移动机器人运动,并将其运动过程进行分解,设计了操作任务的分层次管理机制和操作任务指令结构。其次,实现了移动机器人传感网络的自主和人为组网,采用了本体模型对传感网络进行统一化管理,设计了传感数据信息的监测与存储机制。最后,给出了移动机器人系统建立特征地图、自主导航的实现方法:通过遥操作获取传感数据信息并形成先验知识库;利用聚类分析算法和使用人员经验实现地图特征点的析取,获取各地图特征点的触发属性集合(即析取出地图特征点),建立特征地图;通过建立触发策略指令集,并进行策略编译,实现移动机器人的多阶段自主导航。(4)通过设计简单、中等、复杂三种难度的廊形环境进行应用实验,对本文给出的方法的可行性进行了验证。其中,在简单廊形环境中遥操作一次后,移动机器人从四个不同起点(对起点进行横纵向变换)均完成自主导航。在中等环境、复杂环境中移动机器人均能正确建立特征地图并完成自主导航。对初始传感网络进行扩展,增加“摄像头-门牌识别”的传感节点,在复杂环境二(在初始传感网络下自主导航失败)中,移动机器人建立了正确的特征地图,完成了自主导航,证明了地图特征点的动态特性可以有效提高建图和导航的精度。
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