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家庭环境智能空间中服务机器人导航技术研究

陈西博  
【摘要】: 机器人技术的快速发展,使得机器人进入家庭服务的条件日趋成熟。机器人在家庭环境中快速、准确地导航是机器人进入家庭、提供各类服务的前提。区别于工业机器人所处的整备好的确定性环境,家庭环境变动性大,由不规则形状的家具、相对狭窄的门和频繁活动于其间的人类构成,且不能因为机器人的进入,大规模改动家庭环境,从而给生活主体人类带来不便。 若单纯依靠增加机器人本体传感器数量去感知环境,实现精确自主定位,将使机器人本体变得庞大笨重,不利于进入家庭为人类服务。因此寻找实用且效率高的环境获取方法,同时在不大量增加传感器数量的前提下,实现精确定位,从而支持家庭服务机器人快速、准确导航成为一个极富挑战性的课题。 本文旨在建立家庭环境智能空间中移动机器人导航系统,利用QR-code智能信息标签系统分布式存储环境地图,使机器人轻松获得准确描述家庭环境的信息,利用人工地标和里程计信息融合方法解决移动机器人定位,采用改进A*算法,在拓扑-栅格混合地图中搜索可通行区域,提取最优路径,设计全局路径规划,利用双阈值约束策略实现路径跟踪,并设计了沿墙走动态避障模块,规避家庭环境中的动态障碍,最终实现移动机器人在家庭环境中的快速、准确导航。主要研究内容如下: (1)梳理导航任务的一般流程,构建了移动机器人导航的一般框架,分析提炼了实现精确导航的关键技术,在分析家庭环境导航任务需求后,设计了家庭环境智能空间中的导航方案,设计了家庭环境智能空间中移动机器人导航的软件平台。 (2)设计了便捷的智能标签地图存储系统。将分层的描述环境的结构化拓扑栅格混合信息,存储在分布式的QR-code地标中,支持机器人在当前活动区域内数据运算资源最优化。智能地标采用关联式设计,智能地标中的相互关联信息支持移动机器人识读到第一个智能标签后,即可获得整个标签系统信息,根据导航任务,更快地识读下一个需要识读的标签。 (3)设计了高精度的、可靠的移动机器人自主定位系统。利用智能空间信息共享特性,采取机器人里程计自主定位与智能空间中人工地标定位信息融合的方式,定位机器人的位姿。里程计定位和人工地标的定位都不受外界光照、环境结构的影响,提高了定位信息的可靠性,通过人工地标与QR-code标签关联,提高了移动机器人定位的自主性。 (4)设计了拓扑-栅格混合地图中路径规划改进A*算法。全局路径规划搜索可通行区域,提取最优路径。设计了双阈值约束路径跟踪策略,跟踪路径。而当预定路径中由于动态障碍物的出现移动机器人不可通行时,在可通行区域提供的避障方向性指导基础上,启动避障策略,实现安全快速的动态避障,从而支持移动机器人更好的完成导航任务。


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