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《中国矿业大学》 2017年
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煤矿救援机器人导航系统研究

李猛钢  
【摘要】:煤炭资源是我国的主要能源之一,但煤炭开采是一个高危行业。提高煤矿事故救援效率和保证救援过程的安全非常关键。煤矿救援机器人可以代替救援人员深入矿井探测灾害现场情况,对于提高救援效率和保证救援人员安全具有重大意义。导航功能可以使机器人构建灾后破坏的先验地图,为救援工作提供重要参考,同时协助机器人进行路径规划及自主或遥控避障,提高救援效率。导航系统的研发对于提高煤矿救援机器人的自主性能和智能化,提升救援效率和实用性具有重要意义。本文以CUMT4煤矿救援机器人为平台,构建适合煤矿环境应用的导航系统。针对煤矿救援机器人的需求,对导航系统进行了总体设计。将硬件系统分为控制系统、通信系统、感知系统、供电系统、动力和驱动系统五个部分,分别对每部分使用的硬件进行选型,对电路连接方式进行设计。在对比现有机器人常用软件系统的基础上,分析了 ROS机器人操作系统的特点。基于ROS将软件系统分为环境感知系统、坐标变换系统、底盘驱动系统、SLAM系统、路径规划系统、人机交互系统六个部分,对各部分实现的功能进行总体设计。针对煤矿救援机器人同时定位和地图构建问题,展开对各类SLAM算法的研究,设计和选择适合煤矿环境应用的SLAM算法。对SLAM技术的技术难点进行分析,利用概率模型和优化模型对SLAM问题进行描述,基于此模型介绍在线SLAM和完全SLAM算法的数学原理。在以上模型分析的基础上,研究了基于贝叶斯递归方法的扩展卡尔曼滤波器的EKF-SLAM、基于粒子滤波器的蒙特卡洛定位、Gmapping算法。对EKF-SLAM过程进行仿真,仿真结果表明通过观测模型的校正对运动模型预测具有明显的校正作用。蒙特卡洛定位仿真试验表明在地图已知的情况下,以运动方程作为建议分布可以获得良好的定位效果。利用PLICP扫描匹配的原理,针对CUMT4里程计信息不精确的问题,以Gmapping算法为基础,使用PLICP定位获得的位姿假设代替里程计模型构建的建议分布函数,构成PLICP-FastSLAM,对于煤矿里程计失效的环境具有更好的适应性。分析了Hector-SLAM扫描匹配算法的原理,与PLICP-FastSLAM算法进行对比。分析了基于图优化的Cartographer-SLAM算法,对后端的图优化方法进行了研究。为了比较 PLICP-FastSLAM,Hector-SLAM,Cartographer-SLAM 算法的实用性,在室内的楼道环境进行试验。首先验证了 PLICP算法的定位效果。比较了三种算法各自的建图精度。对结果进行分析,比较了各个算法的实现过程和优缺点。试验结果表明,PLICP-FastSLAM利用改进重采样过程的粒子滤波器,利用扫描匹配的结果定位,降低粒子数,极大提高了建图的效率和精度,对于室内环境具有良好的适应性。Hector-SLAM扫描匹配效率高,地图精度较高。但对于机器人旋转加速度过大的场合适应性较差,而且强烈依赖于高扫描频率的激光传感器。Cartographer-SLAM算法由于是基于图优化的算法,同时采用稀疏位姿调整,受环境噪声影响小,得到的地图一致性最高。三种算法在室内环境均可获得质量较好的地图。针对煤矿救援机器人的路径规划问题,研究了基于A*的全局路径规划算法和基于DWA的局部路径规划算法。分析比较了 A*算法、BFS算法、Dijkstra算法各自的特点,在此基础上对A*算法的实现过程进行分析。A*算法利用同时计算到目标点和出发点距离之和的评价函数,实现最短路径和最快速度的结合。DWA算法通过对机器人速度、加速度以及障碍物距离的限制条件,利用动态窗口缩小速度采样空间。为了将A*算法和DWA算法结合使用于CUMT4导航系统中,基于ROS的路径规划系统架构,分析了导航栈使用的代价地图、路径规划算法、定位信息、传感器信息及坐标转换关系等内容。在此基础上利用Cartographer-SLAM生成的室内地图进行仿真试验。结果表明基于ROS的路径规划系统具计算速度快、路径短且平滑等优点,可以满足煤矿救援机器人导航使用。针对煤矿救援机器人导航系统的具体实现问题,对CUMT4型机器人的导航系统软硬件进行了详细设计。对机器人使用的激光雷达、深度相机、AHRS、里程计等底层驱动节点进行了设计和安装。利用STM32作为控制核心,对底层控制器的硬件进行设计,并介绍了软件的实现过程。通过将导航系统使用的各个子系统相结合,实现了导航功能。为了验证CUMT4导航系统的有效性,在模拟矿井进行了现场试验。首先对比研究了 PLICP-FastSLAM、Hector-SLAM 以及 Cartographer-SLAM 算法各自在现场试验中的使用,重点分析三种算法的构图精度和计算压力。结果表明Cartographer-SLAM鲁棒性最好,构图精度和一致性最高,同时计算压力最小。然后利用Cartographer-SLAM构建的地图进行自主和半自主导航试验,结果表明CUMT4导航系统具有较好的导航效果,可以基本满足煤矿环境下的应用需要。
【学位授予单位】:中国矿业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TP242

【参考文献】
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