基于多傳感器的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人環(huán)境感知關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人具有廣闊的應(yīng)用前景，可以應(yīng)用于服務(wù)、娛樂(lè)、安檢等各個(gè)方面。室內(nèi)環(huán)境一般屬于比較復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)境，機(jī)器人在這樣的環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境的感知與響應(yīng)能力提出了更高的要求，其中最主要的是對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的跟蹤和避障。另外，在家庭等動(dòng)態(tài)場(chǎng)合下運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人不可避免地受到移動(dòng)物體的碰撞和用戶的觸碰，對(duì)這類環(huán)境作用的感知與響應(yīng)是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)并與環(huán)境保持和諧的基礎(chǔ)。對(duì)室內(nèi)危險(xiǎn)氣體泄漏和火情的探測(cè)則是安檢類機(jī)器人的一項(xiàng)重要功能，屬于移動(dòng)機(jī)器

2、人對(duì)危險(xiǎn)環(huán)境的感知范疇。這三項(xiàng)環(huán)境感知技術(shù)對(duì)于室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人在各方面的應(yīng)用是至關(guān)重要的。
　　國(guó)內(nèi)外對(duì)這三個(gè)環(huán)境感知問(wèn)題的相關(guān)方面也開展了一定的研究，但是在具體應(yīng)用中尚有不足。論文在國(guó)家863計(jì)劃的支持下，針對(duì)室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行所涉及到的上述三個(gè)環(huán)境感知問(wèn)題，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，系統(tǒng)地開展了理論和實(shí)驗(yàn)研究。
　　首先研制了 HR-I室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，作為機(jī)器人環(huán)境感知問(wèn)題的研究平臺(tái)。根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活、支撐穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的

3、要求，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了尺寸優(yōu)化。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，在軟、硬件上集成了運(yùn)動(dòng)環(huán)境感知、危險(xiǎn)環(huán)境感知和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)感知需要的多種傳感器。為了提高機(jī)器人的多任務(wù)管理能力和靈活的響應(yīng)能力，在上、下位機(jī)控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，基于混合式體系結(jié)構(gòu)的框架建立機(jī)器人的控制系統(tǒng)。
　　針對(duì)快速變化的動(dòng)態(tài)環(huán)境，采用高效、準(zhǔn)確的激光測(cè)距儀實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)環(huán)境感知。在建立傳感器感知模型的基礎(chǔ)上，參照柵格法提出了動(dòng)態(tài)極坐標(biāo)圖環(huán)境建模方法。將環(huán)境物體描述為直線和弧特征，在數(shù)據(jù)分割

4、的基礎(chǔ)上，利用遞歸迭代直線擬合方法分離出線段特征。為了簡(jiǎn)化環(huán)境描述，將障礙物簡(jiǎn)化為以三個(gè)極坐標(biāo)點(diǎn)表示，并將密集障礙物合并成群，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了障礙環(huán)境的描述。動(dòng)態(tài)極坐標(biāo)圖環(huán)境模型不但減少了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理工作量，而且提高了機(jī)器人基于行為控制的反應(yīng)能力。
　　對(duì)動(dòng)態(tài)障礙物的跟蹤是實(shí)現(xiàn)良好避障的基礎(chǔ)。針對(duì)機(jī)器人與運(yùn)動(dòng)障礙的相對(duì)運(yùn)動(dòng)變化較大的情況，提出了考慮運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)障礙物跟蹤方法，通過(guò)建立機(jī)器人的位姿更新模型及其協(xié)方差更新模型，將機(jī)器

5、人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)引入到基于擴(kuò)展卡爾曼濾波理論的障礙跟蹤模型中，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)當(dāng)前狀態(tài)的估計(jì)和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。為了提高避障的靈活性，采用分層避障策略，并在預(yù)測(cè)碰撞時(shí)間和位置的基礎(chǔ)上提出了動(dòng)態(tài)障礙物的避障策略。
　　針對(duì)在動(dòng)態(tài)環(huán)境下，機(jī)器人不可避免地受到碰撞和敲打的情況，采用二維加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)碰撞的感知。為了分析機(jī)器人的碰撞振動(dòng)特點(diǎn)，首先研究了機(jī)器人在靜態(tài)受到碰撞時(shí)引起的振動(dòng)信號(hào)特性。通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)序列合力的大小和方向分析，提出了基于規(guī)則

6、的碰撞方向確定方法。根據(jù)碰撞方向檢測(cè)能力和機(jī)器人的響應(yīng)要求提出了分區(qū)響應(yīng)策略，對(duì)碰撞采取避讓和順應(yīng)反應(yīng)方法。然后，針對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，自身的速度變化、機(jī)體振動(dòng)和路面傾斜狀態(tài)都會(huì)產(chǎn)生加速度信號(hào)，與碰撞信號(hào)相混合問(wèn)題，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)碰撞檢測(cè)窗口，在時(shí)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)碰撞振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)識(shí)別和提取，并基于Motor Schema行為融合理論建立了兼顧障礙和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)碰撞響應(yīng)策略。
　　機(jī)器人在氣體危險(xiǎn)環(huán)境中巡檢時(shí)，危險(xiǎn)源搜索一直是個(gè)比較困難的

7、問(wèn)題。在分析了氣體傳感器的響應(yīng)滯后現(xiàn)象、建立傳感器感知模型的基礎(chǔ)上，提出了基于視覺(jué)和氣體傳感器的危險(xiǎn)點(diǎn)直接搜索策略和基于模糊邏輯的危險(xiǎn)區(qū)域逐步搜索策略，提高了搜索效率，克服了傳感器響應(yīng)滯后及單純氣羽搜索的不足。逐步搜索策略充分利用氣體擴(kuò)散和危險(xiǎn)氣源特征的先驗(yàn)知識(shí)，對(duì)于隨機(jī)分布的危險(xiǎn)源，通過(guò)模糊邏輯判斷可疑區(qū)域的危險(xiǎn)性，根據(jù)危險(xiǎn)程度逐步搜索，靠近危險(xiǎn)源。對(duì)于火災(zāi)危險(xiǎn)，利用火災(zāi)燃燒時(shí)釋放出各種燃燒氣體并改變環(huán)境溫度的特點(diǎn)，機(jī)器人基于氣體傳感