基于超声传感器移动机器人路径规划和避障算法的研究.pdf
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1、浙江理工大学硕士学位论文基于超声传感器移动机器人路径规划和避障算法的研究姓名:郑利君申请学位级别:硕士专业:机械电子工程指导教师:胡旭东20061201浙江理工大学硕士学位论文摘要本课题是结合省教委科学基金项目具有局部智能行为的遥操作机器人系统研制的子课题。移动机器人避障与路径规划是机器人研究的一个重要方向,是机器人导航技术中不可缺少的重要组成部分,是机器人完成任务的安全保障,同时也是机器人智能化程度的重要标志。本课题研究的是以超声传感器为基础的P i o n e e r I I D X E 移动机器人避障算法和路径规划的方法,其主要内容和成果有:根据课题内容,对比国内外关于该课题研究的不同情
2、况,对移动机器人路径规划和避障算法的研究方向进行了综述:简单介绍P i o n e e r D X E 移动机器人平台软、硬件特性,并根据运动学原理,建立P i o n e e r I I D X E 数学模型,并得出移动机器人在任一时刻的位移和方向角度值的计算公式,分析了避障过程中安全距离设定的原则,为研究移动机器人路径规划及避障算法奠定了理论基础;简述了超声传感器的特点、超声测距的原理及超声传感器在测距中存在的问题,创新点是针对P i o n e e r I ID X E 机器人传感器布局的特点建立数学模型,对其检测的障碍物位置坐标点通过公式进行估算,并通过比较各个传感器前后时刻所检测的障
3、碍物坐标值和相邻传感器所检测的障碍物坐标值来判断障碍物环境状况,为避障提供了依据,而且还根据超声波波束发散性的特点对其检测距离信息进行处理,通过仿真实验证明上述对障碍环境的判断和距离信息的处理是可取的,具有一定的可行性;在环境条件己知的条件下,利用几何算法讨论了移动机器人在不同障碍物环境下的路径进行规划,该算法容易理解,便于实现,而且计算简单,有利于提高运行效率,同时也解决了障碍物与机器人距离过近、障碍物与目标点位置过近以及障碍物存在交迭部分等死区问题;分析了基于超声传感器移动机器人利用模糊控制对其避障算法进行研究的方法的可行性,设计了利用双层模糊控制器来控制机器人的转角的思路,第一层模糊控制
4、器是将各个传感器所获得的数据经过模糊器处理获得其障碍物方向和距离信息,第二层是将上一层处理的数据分组(左方、前方和右方)和机器人的目标点、起始点与瞬时位姿的夹角共同作为输入,通过设定模糊控制规则来控制机器人的转角,并根据模糊算法中模糊控制规则的不确定性提出了通过遗传算法对浙江理工大学硕士学位论文其进行优化,寻找最优解,并对该避障算法进行仿真和真实环境下的实验,实验证明该控制方法不但有效避障,而且不需要外加“虚拟点”即可解决u 型陷阱问题;论文的结尾对全文进行了总结并对移动机器人避障和路径规划进行了展望。关键词:超声传感器移动机器人几何算法路径规划模糊控制I I塑坚里三查堂堡主堂垡丝苎T h e
5、r e s e a r c ho ft h ea l g o r i t h mo f o b s t a c l ea v o i d a n c ea n dt h ep l a n n i n go fw a yt oM o b i l er o b o tw h i c ha v o i d e do b s t a c l eb yt h ew a yo fu l t r a s o n i cA b s t r a c tT h er e s e a r c hp r o j e c t,T h er e s e a r c ho ft h ea l g o r i t h mo
6、fo b s t a c l ea v o i d a n c ea n dt h ep l a n n i n go fw a yt oM o b i l er o b o tw h i c ha v o i d e do b s t a c l eb yt h ew a yo fu l t r a s o n i c,w h i c hc o m b i n e sw i t ht h ep r o v i n c ee d u c a t i o nd e p a r t m e n ts c i e n c ef o u n d a t i o n p r o j e c ta n d
7、i st h es u b o r d i n a t ep r o j e c to fi t:T h ed e v e l o p m e n to fr o b o ts y s t e mw i t hp a r t i a la u t o n o m o u so p e r a t i o na n di n t e l l i g e n tb e h a v i o ra n do p e r a t i o nb yr e m o t ec o n t r 0 1 T h er e a l-t i m eO b s t a c l ea v o i d a n c ea n
8、 dp a t hp l a n n i n gi so n ei m p o r t a n tr e s e a r c ha s p e c to ft h em o b i l er o b o t,a n di so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so ft h en a v i g a t i o nt e c h n i q u ef o rt h em o b i l er o b o t。A tt h es a m et i m ei ti st h es a f e g u a r dt oa c c o m p l
9、i s ht h et a s ka n di st h ei m p o r t a n ts y m b o lo f t h ei n t e l l i g e n tl e v e lf o rt h em o b i l er o b o t T h er e s e a r c ht ot h ea l g o r i t h mo fo b s t a c l ea v o i d a n c ea n dt h ep l a n n i n go fw a yb a s e so nt h eP i o n e e rI I D X E,w h i c hp e r c e
10、p tt h ee n v i r o n m e n tb ys o n i c T h ec o n t e n t sa r ca sf o l l o w s:t h et h e s i sm a k e sas u m m a r i z eo nd i f f e r e n tr e s e a r c ha s p e c t so ft h er e a l-t i m eo b s t a c l ea v o i d a n c ea n dp l a n n i n g,a n dc o n t r a s tt h ed i f f e r e n tl e v e
11、 lo ff o r e i g na n dd o m e s t i c;g i v i n ga no u t l i n eo f t h ep r o p e r c i e sa b o u tt h eP i o n e e rI ID X Ep l a t f o r ma n db u i l d i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e l i n ga b o u tt h er o b o ta c c o r d i n gt op r i n c i p l eo fk i n e m a t i c s,I nt h es
12、a m et i m ed e d u c i n gt h ec o m p u t i n gf o r m u l aa b o u tt h ei m m e d i a t em o v e m e n ta n dd i r e c t i o na n g l eo ft h er o b o t a n dm a k i n ga na s s a yo ft h ep r i n c i p l eo fs a f ec l e a r a n c es e t t i n g,w h i c hp r o v i d i n gf u n d a r r i e n t a
13、 lb a s i sf o rO b s t a c l ea v o i d a n c ea n dp a t hp l a n n i n g;g i v i n gas k e t c ho ft h ef e a t u r e so fu l t r a s o n i cs e n s o r,t h ep r i n c i p l eo fu l t r a s o n i cr a n g i n ga n dt h eo p e nq u e s t i o nd u r i n gt h ep r o c e s s i o no fu l t r a s o n i
14、 cr a n g i n g b f i n gf o r t hn e wi d e a si st h a tb u i l d i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e l i n ga c c o r d i n gt ot h en l浙江理工大学硕士学位论文r o b o t,a n dC a l c u l a t i n ga l la m o u n tt ot h ep o s i t i o nc o o r d i n a t e s,a n dt h e ng i v i n gt h ee s t i m a t eo ft
15、 h eo b s t a c l es i t u a t i o n m o r e o v e r m a k i n gd e a lw i t ho ft h ed a t aa b o u td i s t a n c eg a i n e db yu l t r a s o n i cs e n s o r,p r o v i n gt h ep r o c e s si sc o n e c t t h et h e s i sp u te m p h a s i so nt h ea l g o r i t h mo fo b s t a c l ea v o i d a n
16、 c ea n dt h ep l a n n i n go fw a y,a n dt h em e t h o do fc o n t r o l l i n go ft h es t a t u st ot h er o b o ta c c o r d i n gt ot h e d i f f e r e n c es u r r o u n d i n g s I nt h eo b s t a c l e-k n o w nc o n d i t i o n s,p u to u tab e t t e rm e t h o db yg e o m e t r ya r i t
17、h m e t i c;w h i l ei nt h eu n k n o w nc o n d i t i o n s,p u tf o r w a r dt ot w o d o u b l ef u z z yc o n t r o l l e r,w h i c hw o r k so u tt h ep r o b l e m U”t r a pe f f e c t i v e l y I na d d i t i o nt oi t,t h ea l g o r i t h mo f t h ep a t hh a sb e e no p t i m i z e db yt h
18、 ew a yo f G A ma d d i t i o nt oi t,P r o v i n gt h ea r i t h m e t i cv e r a c i t ya n dr a t i o n a l i t yb yt h es i m u l a t i o na n dr e a le x p e r i m e n t I nt h ee n d,c a r r y i n go nt h es u m m a r yt ot h ea t t i c,a n dl o o k i n gi n t ot h ef u t u r et ot h es u b j
19、e c ti no r d e rt og a 粤t h eb e t t e re f f e c t i v e K e yw o r d s:s o n a r;m o b i l er o b o t;g e o m e t r ya r i t h m e t i c;p l a n n i n go fw a yf u z z y-c o n t r o l浙江理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明:我恪守学术道德,崇尚严谨学风。所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品
20、及成果的内容。论文为本人亲自撰写,我对所写的内容负责,并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:讳幸 右同期:口7 年弓月j g 日浙江理工大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工氏学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印成扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。唪学位论文属于保密I Z l,在不保密。哮位论文作者签名:郜剞君|=;|期:沪 年)岿L 7 日年解密后使用本版权书。指导教师签名嘲徽东日期:R o
21、酞0图2 8 移亏啦器人坐标系统重合情况图2 9 移动机器人坐标系统简单不重合情况由三角变换得到:侥=1 9+a r c t g _ XI2-(1 lY,旧V 万“O辫一图2 1 0 移动机器入坐标变换因此,A 点在绝对坐标系下的坐标值(x,J,)为:x=x o+瓜了雨了c m m2 一(2 y:y,+承了瓦s 骶通过上述方式,实现局部坐标系和全局坐标系之间的变换。2 2 2 移动机器人运动模型及位姿的确定在移动机器人动态分析过程中,从移动机器人的动作角度分析,该移动机器人采用璎轮驱动所以只有直线运动和圆弧运动两种运动方式:当两侧轮子的线浙江理工大学硕士学位论文速度一致时,机器人沿直线行驶;当
22、两侧轮子线速度不一致时,机器人作一定半径的圆弧运动。所以,通过对移动机器人的移动线速度与方向转角加以控制,便可以达到控制移动机器人的目的。在推导移动机器人运动方程之前,先作如下假设:(1)移动机器人的驱动轮在任何情况下都平行于移动机器人;(2)假设移动机器人的轮胎和地面仅有滚动而无滑动;(3)移动机器人在作转动时,左右轮的转角与方向始终保持一致。考虑到P i o n e e rI ID X E 移动机器人是一个具有二个自由度的移动机器人,其结构模型如图2 1 1 所示,移动机器人的X O Y 为绝对坐标系,x O R y 为相对坐标系,以两轮中心点连线中点q 在作为参考点,得到其运动学和动力学
23、嘲渊模型。嘶,。O一+x黼地,=I图2,1 1 移动机器人示意图A(q)q=02 一(3)肘(鼋)口十乃=B(q)T+A 7(g)五2-(4)0o 研o,丑(口):oI 为扰动项,q=(x,Y,曰),A=一m(x c o s 口+y s i n 力口,T 为马达驱动力矩,口、m、,、D 分别为移动机器人的方向角度、质量、转动惯量和两驱动轮之间的距乃)O伊SOC护nLS一(1 l、,g(41J浙江理工大学硕士学位论文选择4 固,零空间的一组基s ,=阿;习,则存在一新的控制V=“+v,)7 将方程2 一(3)转化为如下形式:=R;鞫2 嘲假定移动机器人的左右驱动轮的角速度为卿,c o,则有:H=
24、罢(卿坶)2-(6)叱=去(q q)2 _(7)其中,R 为驱动轮半径,D 为两驱动轮之间的距离。在这里,只需要控制两轮的转速就可以使移动机器人沿着不同的方向运动,假定左右两轮的转速比为k,则有:铲鲁2-(8)k p-1 时,有卿=鳞,移动机器人沿直线运动;l 时,卿 国,移动机器人左转弯;k ,移动机器人右转弯;因而易于控制,在这里移动机器人两驱动轮分别是由采用P W M 技术的直流伺服电机独立驱动。同时,可利用增量式旋转编码器的计数脉冲重建机器人状态踟。假定机器人左右两驱动轮的计数脉冲在第七个采样时刻内分别为m k 1 t,则方程2-(5)可表示为1 4浙江理工大学硕士学位论文:+譬(帆)
25、垃c o s 9,黾+l2+瓦(+吃y M+R丁T(彤I+rlk)tosinPk=Yk2(9)+瓦慨2 9 哪警(删k-I l k)加式中,+,Y k+和馥+t 为第i +1 时刻的位移和方向角度,肘,为轮子转动一周的脉冲个数,址为采样时间。这样,利用上式可求得当前时刻的状态变量值。但方程2 一(9)和2 5)相比较,存在积分误差,特别是当移动机器入长时间的工作,这种积分误差会逐渐累积变大,从而影响路径规划的精度,因而必须适当的选择采样时间以提高精度或采用卡尔曼滤波方法来降低这种积分误差。2 3 移动机器人安全距离的选取原则在讨论移动机器人安全距离嘲选取时,为了便于分析,根据前面所作的假设将移
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- 基于 超声 传感器 移动 机器人 路径 规划 算法 研究
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