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《中国科学技术大学》 2007年
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基于无线传感器网络的移动机器人导航方法与系统研究

梁华为  
【摘要】: 移动机器人在许多场合被寄予了替代人类自动执行某些日常性与危险性任务的厚望。在移动机器人的相关研究中,导航与定位技术是其核心技术,也是移动机器人实现真正的智能化和完全自主移动的关键技术。 目前,移动机器人常用的导航方法主要有惯性导航、视觉导航、基于传感器数据导航和卫星导航等。惯性导航的优点是可以提供完全的自主性和完备的导航信息,缺点是定位误差会随着机器人航程的增长而增加。视觉导航具有定位精度高的优点,但视场范围有限。基于传感器数据导航(如:声纳等)常用于局部导航和避障。美国全球定位系统(GPS)是迄今为止投入使用的最精确的卫星导航系统,它与惯性导航系统(INS)组合使用可获得相当高的导航精度。但GPS是由美国国防部控制的,对非授权用户,其所能获得的定位导航精度较低,且使用安全性无法得到保障。对于外星球探测等GPS信号无法覆盖和战场环境等安全性要求高的应用场合,需要研究新的、不依赖GPS等卫星信号的导航定位方法。 本论文将无线传感器网络引入移动机器人的研究中,提出了一种基于无线传感器网络定位技术的移动机器人导航新方法,作为现有导航方法的有益补充。例如,在不能或不宜使用卫星系统进行导航时,可以用该方法代替卫星导航系统对各种移动机器人进行导航和定位,并能利用无线传感器网络获取的各种环境信息(温度、湿度、坡度等),为导航与路径规划提供决策支持,使机器人在路径规划时能避开危险区域、选择优化路径。 论文的主要研究内容和创新点如下: 1、能量受限是无线传感器网络面临的首要挑战。为了高效使用节点携带的有限能量、延长网络和导航系统的使用寿命,本论文研究并提出了一种基于蚁群优化的无线传感器网络能量均衡路由算法,利用群智能的思想,实现网络信息的高效传输和能量的均衡消耗。仿真实验表明,该算法能够有效的延长无线传感器网络和导航系统的寿命。 2、为充分发挥能量均衡路由算法的性能,在分析了基于电压的能量检测方法和基于电流的能量检测方法的基础上,根据无线传感器网络节点能耗模型,结合无线传感器网络节点的工作特点,设计了一种电压和电流检测相结合的节点能量检测方法,实现了无线传感器网络节点剩余能量的实时准确检测。 3、为了实现移动机器人的定位,为环境建模和导航提供位置信息,论文研究了无线传感器网络的定位方法,基于Chipcon(TI)CC2431研制了具有定位功能的无线传感器网络节点。测试实验表明,节点的定位性能和GPS相当,能满足移动机器人导航的应用要求。 4、论文结合无线传感器网络的特点,提出了一种基于无线传感器网络的环境建模和地图创建方法,利用无线传感器网络采集的分布环境信息,建立基于多元信息的环境模型和栅格地图。仿真分析表明,使用该方法建立的环境模型具有较高的地图匹配度。 5、为了适应动态变化环境的导航应用要求,论文利用无线传感器网络对环境动态监测的功能,研究并提出了基于无线传感器网络的移动机器人在线路径规划方法。仿真研究表明,该方法可以实现移动机器人在线路径规划,并能通过调整算法参数使移动机器人在安全性与有效性之间进行不同的权衡。 6、构建了基于无线传感器网络的移动机器人导航实验系统,进行了移动机器人导航实验。完成的导航实验结果表明,本论文研究的基于无线传感器网络的移动机器人导航方法能够满足机器人导航应用的要求。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TP242.6

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