基于行为的自主清扫机器人的研究

论文摘要

本文主要研究了自主清扫机器人的工作行为以及硬件结构、行走路线的规划分析和仿真。在行为分析上描述了各种基本行为,比如沿边走行为,避障行为等。基于行为的设计分析方法是一种自下而上的分析模式,先确定清扫机器人的底层结构,比如探测模块的特性,驱动模块的特性,再根据这些模块特性的实际应用情况研究行为特征。在清扫机器人的结构上,本文采用了嵌入式的设计。比如:在环境探测模块引入ARM结构的微控制器,大大的提高了环境探测模块的实时性,在驱动方面通过PID算法减小底层行走误差。本文采用了I2C总线,ARM结构的微处理芯片基本支持I2C总线协议,硬件物理结构简单,特别适合于清扫机器人这样对空间要求特殊的控制系统。在环境探测方面,本文采用红外测距和超声波测距相结合的探测模式;在行走方向方面,本文采用差动计算和电子罗盘相结合的方式。超声波主要负责远距离测距任务,红外主要负责近距离测距任务以及地面高度变化的测量。差动计算主要根据机器人行走模型得出。本文还研究设计了清扫机器人各个部件模块的供电情况,分类供电,特别是动力电源和控制电源,尽量避免相互干扰。本文通过对清扫机器人的各个模块的分析和设计,描述清扫机器人各行为的相互关系以及流程,清扫机器人对室内环境的相对地图的创建和清扫机器人自身相对于室内环境地图的位姿,论述地图概率节点的获取,路径的规划以及避障。在路径规划方面,本文采用的是环绕概率节点的左螺旋行走方案。清扫机器人的行走过程其实是地图的创建和自身定位一体化的过程,通过测量自身相对于墙的位置可以确立沿墙走行为,通过沿墙走行为可以获取整个室内环境的地图边界信息。在距离测量和方向测量方面,本文采用数据融合方法,使各个不同传感器的单模信息融合成总的单模信息,清扫机器人通过这个总的单模信息来寻找节点到墙面的行走方向。在仿真方面,本文采用专业移动机器人仿真软件mobotsim,根据清扫机器人所处的作业环境用mobotsim软件给出了仿真结果,论证其可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外自主清扫机器人的研究现状
• 1.3 自主机器人行为控制研究现状
• 1.4 本文章节安排
• 第二章 自主清扫机器人的行为分析
• 2.1 自主清扫机器人的感知方式和基本行为
• 2.2 自主清扫机器人的归航行为（homing behavior）
• 2.2.1 绝对定位的归航行为
• 2.2.2 差分定位的归航行为
• 2.3 自主清扫机器人的沿墙走行为
• 2.3.1 触觉传感器的清扫机器人沿墙走行为
• 2.3.2 测距接近觉传感器的沿墙走行为
• 2.4 自主清扫机器人的避障行为
• 2.5 本章小结
• 第三章 超声波和红外探测模块
• 3.1 超声波测距概述
• 3.2 超声波测距环的硬件设计
• 3.2.1 微控制器介绍
• 3.2.2 超声波系统框架
• 3.2.3 超声波驱动电路和回波接收电路
• 3.2.4 探测系统超声波子模块接口
• 3.3 探测系统红外子模块
• 3.3.1 红外测距原理及探头选择
• 3.3.2 红外测距的信息的获取
• 3.4 环境信息的扩展存储
• 3.5 本章小结
• 第四章 清扫机器人的驱动清扫和方向模块设计
• 4.1 驱动模块的设计
• 4.1.1 驱动电机的选择
• 4.1.2 电机驱动设计
• 4.2 清扫模块的设计
• 4.3 清扫机器人的指南针
• 4.3.1 磁阻式电子指南针简介
• 4.3.2 指南针模块的电路连接
• 4.4 本章小结
• 第五章 清扫机器人的电源模块
• 5.1 动力电源
• 5.2 控制过程电路的电源
• 5.3 充电导航模块
• 5.3.1 充电站电源
• 5.3.2 充电站红外载波发射子模块
• 5.3.3 机载红外载波接收子模块
• 5.3.4 清扫机器人的归航充电
• 5.4 本章小结
• 第六章 自主清扫机器人的规划和行为实现
• 6.1 自主清扫机器人的驱动模型
• 6.2 自主清扫机器人的地图和定位
• 6.2.1 自主清扫机器人的地图创建
• 6.2.2 自主清扫机器人的定位
• 6.3 清扫机器人的路径规划
• 6.4 清扫机器人的自主避障
• 6.5 清扫机器人的运行过程
• 6.6 清扫机器人的行走仿真
• 6.7 本章小结
• 第七章 总结和展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 个人简历
• 攻读学位期间发表的学术论文