基于超声波的机器人避障和目标跟踪方法的研究

论文摘要

目前机器人技术是世界上最热门的研究领域之一,很多成熟机器人产品已经在不同领域得到广泛的应用。伴随着机器人技术普遍涉及自动控制、计算机、电子技术、新材料、传感器、人工智能和机械工程等学科技术的飞速发展,伴随着社会发展的需要,机器人技术的应用环境和功能任务越来越复杂,采用的新理论、新方法、新技术也越来越多。超声技术作为一门逐渐从新兴的、多学科交叉的边缘学科变成一门以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术的新兴技术,也越来越多应用到机器人技术的领域。本文以研究竞赛机器人的避障和目标跟踪为主要目标,研究基于超声波传感器的竞赛机器人的避障和目标跟踪方法。机器人使用双轮差动式移动机器人,本文通过对超声波应用的分析和研究,基于超声波测距原理,设计和实现了一套机器人的避障和目标跟踪控制系统,参与亚太机器人大赛并圆满完成了控制任务。首先,根据比赛任务规则的解读和分析上,结合超声波技术应用的特点,提出了几个主要应用方向。并详细设计了基于超声波的物体识别的具体方法,基于超声波定位的原理和流程。其次,全方面对基于超声波的机器人避障和目标跟踪进行了设计研究。主要包括了控制策略的设计,行为模式的设计,传感器系统的设计,信息的采集和处理以及抗干扰措施等。再次,在对移动机器人避障控制常见的算法研究基础上,结合这些算法的优缺点,提出一种新的基于神经模糊控制的避障控制算法,并介绍了算法的具体设计。最后,通过仿真和实验结果验证了机器人应用超声波技术实现避障和目标跟踪的有效、可靠和稳定。机器人最后实际比赛的表现表明基于超声波的避障和目标跟踪控制能满足比赛的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 机器人发展的历史与现状
• 1.1.1 机器人的发展进程
• 1.1.2 国内外机器人的发展现状
• 1.2 课题相关的关键技术
• 1.2.1 避障技术
• 1.2.2 识别技术
• 1.2.3 驱动及结构技术
• 1.2.4 传感器技术
• 1.3 论文的主要研究内容
• 第二章基于超声波的机器人相关设计
• 2.1 亚太机器人大赛的主题和规则
• 2.2 基于超声波的机器人避障和目标跟踪
• 2.2.1 选择超声波的理由
• 2.2.2 超声波测距的技术方法和原理
• 2.3 基于超声波的机器人物体识别
• 2.3.1 超声信号的反射特性
• 2.3.2 平面、边角、圆等简单目标的识别
• 2.3.3 具体物体的识别分类
• 2.4 基于超声波的机器人定位
• 第三章基于超声波的机器人避障和目标跟踪设计
• 3.1 超声波避障和目标跟踪的总体控制策略
• 3.1.1 避障控制策略
• 3.1.1.1 基于障碍物信息深度的避障控制策略
• 3.1.1.2 基于障碍物区域的避障控制策略
• 3.1.2 目标跟踪控制策略
• 3.1.3 避障行为
• 3.1.4 跟踪行为
• 3.2 传感器系统的设计
• 3.2.1 基本结构
• 3.2.1.1 自动机器人的移动机构设计
• 3.2.1.2 安装了传感器的结构
• 3.2.2 超声波传感器的选择
• 3.2.3 超声波传感器的布置
• 3.2.4 超声波传感器对环境建模
• 3.2.4.1 坐标的转换
• 3.2.4.2 障碍物的分离
• 3.2.4.3 障碍物信息的抽取
• 3.3 避障过程中的信息采集
• 3.3.1 对传感器输入信息进行采集
• 3.3.2 基于小波变换的信号消噪技术
• 3.3.2.1 小波分析
• 3.3.2.2 信号消噪处理
• 3.3.3 信息采集系统硬件设计
• 3.3.4 信息采集系统软件设计
• 3.4 避障过程中采集到的外部信息的处理
• 3.4.1 对单个超声波传感器采集到的数据处理
• 3.4.2 对多个超声波传感器采集到的数据处理
• 3.5 多传感器信息的融合
• 3.6 抗干扰措施
• 第四章自主移动机器人避障的控制算法
• 4.1 自主移动机器人避障控制算法概述
• 4.1.1 自主移动机器人避障的模糊控制
• 4.1.2 移动机器人避障的人工神经网络控制
• 4.1.3 移动机器人避障的模糊神经控制
• 4.2 机器人避障的模糊神经控制算法设计
• 4.2.1 避障控制系统总体设计
• 4.2.2 训练样本的生成
• 4.2.3 FKCN 结构相关参数的确定
• 4.2.3.1 距离层权值向量W j 的确定
• 4.2.3.2 原型模式个数c的确定
• 4.2.4 传感器输入与控制输出映射关系的确定
• 4.2.5 特殊情况下的避障安全模式
• 第五章系统仿真和场地试验
• 5.1 避障系统仿真
• 5.1.1 仿真的设计流程及实现
• 5.1.1.1 仿真程序需求分析
• 5.1.1.2 总体设计过程和思想
• 5.1.1.3 具体功能及其设计与实现
• 5.1.2 运用该程序对避障进行模拟仿真分析
• 5.2 场地试验
• 5.2.1 感应试验
• 5.2.2 避障试验
• 5.2.3 目标跟踪试验
• 第六章结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 表1 障碍物的距离
• 在学期间的研究成果