移动机器人室内自主导航方法设计开题报告.docx
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移动机器人室内自主导航方法设计开题报告
移动机器人室内自主导航方法设计开题报告
目录
1、课题目的及意义-1-
2、课题调研-2-
2.1.功能原理：
-2-
2.2.设计方法：
-3-
2.3.主要构件的典型结构：
-4-
3、课题难点-5-
4、方案论证-6-
5、工作进度安排-7-
6、参考资料-7-
开题报告
1、课题目的及意义
随着时代的不断发展，机器人尤其是移动机器人正在逐渐走入人们的生活。
与应用在工业生产中的机器人不同的是，室内自主移动机器人主要应用在家庭、医院等小型的、复杂的工作环境中，为此就非常有必要对移动机器人的室内自主导航方法进行研究，而且这项研究也将会成为未来研究移动机器人的一个重要方向。
导航系统是移动机器人不可或缺的一部分，研究并解决这个问题是这项课题成功的保证。
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从二十世纪八十年代中期开始，机器人已从工厂的结构化环境进入人的日常生活环境—医院、办公室、家庭和其它杂乱及不可控环境，成为不仅能自主完成工作，而且能与人共同协作完成任务或在人的指导下完成任务的智能服务机器人。
论文网
移动机器人的一个核心的部分就是惯性定位技术。
在涉及惯性器件的各种技术中，目前出现的一个重要趋势是将微电子学中的微细加工技术应用到机械行业中，从而得出一种新的集成微细电子机械。
惯性定位技术是在上个世纪初发展起来的，早期的惯性系统主要是基于转子式陀螺平台的。
上世纪后期，随着光学陀螺和微计算机技术的日益成熟，MEMS陀螺仪已大量进入军民应用领域。
目前基于MEMS的惯性定位系统主要用于中低精度领域，采用旋转调制方式实现惯性系统误差自补偿技术的光学陀螺惯性定位导航系统受到普遍重视，如俄罗斯研制的船用“奥米加（Omega）”光纤陀螺单轴旋转惯性导航系统已在某些领域得到应用。
我国的惯性定位技术的研制从70年代开始，经过三十多年的预研与技术攻关，走过了从液浮（陀螺仪、加速度计）到挠性、从平台到捷联、从纯惯性定位导航到惯性/GPS组合定位导航的过程。
目前，我国自行研制的第一代机载中等精度、高等精度挠性平台式惯性导航系统己发展成一个系列，并已批量装机使用。
低成本、中等精度的挠性捷联惯性己完成试飞、试用，并进入生产。
机器人是多学科交叉的产物，集成了运动学与动力学、机械设计与制造、计算机硬件与软件、控制与传感器、模式识别与人工智能等学科领域的先进理论与技术。
同时，它又是一类典型的自动化机器，是专用自动机器、数控机器的延伸与发展。
当前，社会需求和技术进步都对机器人向智能化发展提出了新的要求：
（1）自动化应用领域的扩展对智能机器人及系统提出了新的需求；
（2）信息技术与机器人的互动发展提升了机器人的高技术含量；（3）围绕机器人的概念创新、技术创新是国际科技竞争的重要方面；（4）机器人是自动化领域中富有代表性和生命力的亮点。
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2、课题调研
自主式移动机器人具有高度自规划、自组织和自适应能力,适合于在复杂的非结构化环境中工作。
其目标是在没有人的干预、无需对环境做任何规定和改变的条件下有目的地移动和完成相应任务。
所以,在自主式移动机器人相关技术中,导航是其中一个重要组成部分,也是移动机器人实现智能化以至完全自主的关键技术。
我国在智能移动机器人研究方面虽然已经取得了一定的成果,但由于起步较晚,在研究和应用方面都落后于一些西方国家,而且还没有达到完全实用。
因此,进行这项研究,具有一定的理论意义和工程应用意义。
移动机器人导航系统主要内容包括移动机器人的定位和路径规划。
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本文首先介绍了研究室内自主移动机器人的目的、意义、发展现状以及发展前景。
然后利用四旋翼飞行器飞控板、红外摄像头以及相关软件进行定位和路径算法的编程模拟，最后在DFrobot移动平台上实现实际模拟运行。
为了完成本课题的研究内容，采用了图书馆借阅书籍以及上网查阅相关资料以及实际仿真实验的方法，了解到了许多和自主移动机器人有关的知识。
2.1.功能原理：
惯性定位系统的工作原理
惯性定位系统是以移动机器人为载体，实时的对机器人的位置信息进行更新。
惯性传感器主要由加速度计、电子罗盘和陀螺仪组成。
当移动机器人进入操作人员无法进入的区域，或者是机器人上的GPS信号很弱或是消失的情况下，机器人上搭载的惯性定位系统便开始工作，可以通过里程计得到机器人的运动距离，电子罗盘和陀螺仪可以用来记录机器人的运动方向。
陀螺仪随着积分误差的累积会产生漂移，只能工作在相对较短的时间尺度内，因此需要有一个参照物来纠正陀螺仪的累积误差。
由于电子罗盘输出的是姿态角，所以可以作为一个相对静止的参照物。
由数字信号处理器对惯性传感器进行数据采集，加速度计输出水平面上沿运动方向的加速度值，电子罗盘输出机器人旋转的角度，陀螺仪输出旋转角速率。
数字信号处理器把采集到的惯性传感器的输出数值，与里程计信息进行数据融合和定位计算，以得到机器人的位置信息，通过数据通信接口输出。
惯性定位系统的原理框图
2.2.设计方法：
一、惯性定位系统的设计要求
本文研究的移动机器人的惯性定位系统主要是有加速度计、电子罗盘、陀螺仪和机器人里程计组成。
惯性定位系统主要任务是对移动机器人在运动过程进行实时的定位，以便对其控制。
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二、惯性定位系统功能要求
（1）实时性
机器人在运动过程中，其位置信息是在不停的变化的，而且为了对机器人进行定位导航，这就要求惯性定位系统有很高的实时性，否则就不能对机器人进行定位导航。
（2）准确性定位信息的准确性是系统功能的一个重要功能，决定着机器人定位信息的合理
性。
三、惯性定位系统性能要求
机器人在运动过程中的定位的精度和速度，取决于系统对惯性传感器采集到的数据的精确性和使用算法的实时性。
惯性定位系统的设计要满足以下性能要求:
（1）选择结构简单、容易操作、性价比高、功耗低和易移植的硬件系统，使其能够应用于不同的平台上。
所传送的数据符合标准的通用的数据格式，增强系统的兼容性。
（2）惯性定位系统对实时性要求高，在选择系统处理器时，要求处理器的运算速度快;在选择软件运行环境时，要求稳定性好、系统开销少的操作系统。
（3）要求系统能够在10分钟内输出的姿态角偏差在10’以内，位置偏差在SOcm以内。
（4）通讯接口兼容。
惯性定位系统作为移动机器人的一部分，需要与移动机器人的主控板和PC终端或Android手持终端进行通讯，要求各部分通讯迅速、简单。
四、惯性定位系统的体系结构设计为了满足惯性定位系统各个方面的要求，根据不同的功能，将惯性定位系统分为五个部分:
惯性传感装置、机器人里程计、处理器和数据传送装置。
惯性定位系统的体系结构图
（1）惯性传感装置:
由加速度计、电子罗盘和陀螺仪组成，通过对惯性传感装置进行数据采集以得到惯性传感参数。
我认为研究本课题有两个难点。
一是自主导航方法的设计，在室内导航移动的过程中，由于是非常狭小而复杂的环境，所以GPS导航无法使用，这就使得室内的自主导航成为一大难题。
另一个难点是要通过怎样的手段将环境辨识和自主导航移动集成为一体，在实现环境辨识的同时可以让机器人自主导航，也就是实时环境监测与自主移动结合的问题。
4、方案论证
本课题将使用四旋翼飞行器的飞控板作为主要集成平台。
在飞控板上连接摄像头和红外设备作为移动机器人的环境识别工具；将飞控板连接电脑，用专用软件进行自主导航的编程和模拟。
最后在DFrobot开源硬件平台上实现室内自主移动机器人的模拟。
研究的方法：
（1）树莓派控制一个直流电机
使用Python和L293D芯片控制直流电机的速度和转向。
PWM（PulseWidthModulation，脉冲宽度调制）是一项用于控制电力的技术。
我们使用它来控制供给直流电机的电量及它的转速。
L293D是一个非常有用的芯片。
它实际上可以独立控制两个电机。
我们将只使用芯片的一半针脚，在芯片右手边的大多数针脚用于控制第二个电机，但在树莓派上只有一个PWM输出针脚。
L293D有两个+V的针脚（8和16）。
+Vmotor（8）针为电机提供电力，+V（16）针作为芯片的逻辑针脚。
我们将把第16针接到树莓派上然后把第8针接到电池盒上。
直接驱动一个电机这样做可能会损坏树莓派。
我们即要控制电机的转速，也要控制电机的转向。
要达到这一点，需要反转电机的电流方向，而L239D恰好就是被设计用来达到这一目的的，我们可以通过两个电机控制针脚实现。
（2）ArduinoFlyduino12路舵机控制器芯片
Flyduino是一款基于Arduino的微型控制器，40X24mm的尺寸集成了12个数字口（舵机控制口），1个舵机电源接口，8个模拟口，1个XBee无线数传接口。
具体步骤如下：
步骤一：
认真研究有关理论知识并大量查阅文献，确定系统的总体设计方案，设计出系统框图。
步骤二：
决定各项参数所需要的硬件设施，完成机器人结构的理论分析和机器人构造设计。
步骤三：
对各单元模块进行调试与验证。
步骤四：
对单元模块进行整合，整体调试。
步骤五：
完成原理图设计和硬件制作。
步骤六：
实际测试完成品的运行情况。
步骤七：
完成论文撰写，整理校核。
步骤八：
原理图、硬件、软件、论文总体检查测试，进行必要修改，完成本课题。
5、工作进度安排
本课题研究内容持续12周。
具体时间安排见表5-1。
阶段时间起始时间结束时间
毕业设计实习活动、课题调研XX-03-09XX-03-19
开题报告交流、修改XX-03-26XX-03-26
确定设计方案及主要结构形式、主要计算、主要部件选型XX-03-27XX-04-02
完成系统设计初稿XX-04-3XX-04-15
完成结构设计XX-04-16XX-04-30
修改结构设计、系统仿真设计XX-05-03XX-05-15
撰写设计论文、修改设计稿XX-05-16XX-05-30
表5-1工作进度安排表
6、参考资料
1、R•西格沃特,I•R•诺巴克什,D•斯卡拉穆扎著自主移动机器人导论西安交通大学出版社XX源自/六^维:
论"文;网（加7位QQ3249~114
2、宋永端主编移动机器人及其自主化技术北京:
机械工业出版社,XX
3、薛安克,周亚军编著运动控制系统人民邮电出版社XX
4．王阳阳.家居服务机器人SLAM技术的研究[D].吉林大学XX
5．张唐烁.轮式移动机器人惯性定位系统的研发[D].广东工业大学XX
6．闫云章.家庭环境下基于分布式视觉的目标定位及轨迹分析[D].山东大学XX
7.StevenF.BarrettArduino高级开发权威指南机械工业出版社XX
8.JohnBlankenship,SamuelMishal机器人编程设计与实现科学出版社XX
9.麦库姆,唐乐Arduino机器人制作指南出版地:
北京
科学出版社XX
10.蒋志坚移动机器人控制技术及其应用出版地:
北京
机械工业出版社XX
11.黄文恺,伍冯洁,陈虹Arduino开发实战指南:
机器人卷专著
出版地:
北京机械工业出版社XX
12.沃伦,亚当斯,莫勒,于欣龙,张阳,张岩,陈丽Arduino机器人权威指专著=Arduinorobotics出版地:
北京电子工业出版社XX
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