發(fā)布時間：2018-02-27 04:06

  本文關(guān)鍵詞： 煤礦救援機器人 導航系統(tǒng) SLAM 路徑規(guī)劃　出處：《中國礦業(yè)大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：煤炭資源是我國的主要能源之一,但煤炭開采是一個高危行業(yè)。提高煤礦事故救援效率和保證救援過程的安全非常關(guān)鍵。煤礦救援機器人可以代替救援人員深入礦井探測災(zāi)害現(xiàn)場情況,對于提高救援效率和保證救援人員安全具有重大意義。導航功能可以使機器人構(gòu)建災(zāi)后破壞的先驗地圖,為救援工作提供重要參考,同時協(xié)助機器人進行路徑規(guī)劃及自主或遙控避障,提高救援效率。導航系統(tǒng)的研發(fā)對于提高煤礦救援機器人的自主性能和智能化,提升救援效率和實用性具有重要意義。本文以CUMT4煤礦救援機器人為平臺,構(gòu)建適合煤礦環(huán)境應(yīng)用的導航系統(tǒng)。針對煤礦救援機器人的需求,對導航系統(tǒng)進行了總體設(shè)計。將硬件系統(tǒng)分為控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、動力和驅(qū)動系統(tǒng)五個部分,分別對每部分使用的硬件進行選型,對電路連接方式進行設(shè)計。在對比現(xiàn)有機器人常用軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,分析了 ROS機器人操作系統(tǒng)的特點�；赗OS將軟件系統(tǒng)分為環(huán)境感知系統(tǒng)、坐標變換系統(tǒng)、底盤驅(qū)動系統(tǒng)、SLAM系統(tǒng)、路徑規(guī)劃系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)六個部分,對各部分實現(xiàn)的功能進行總體設(shè)計。針對煤礦救援機器人同時定位和地圖構(gòu)建問題,展開對各類SLAM算法的研究,設(shè)計和選擇適合煤礦環(huán)境應(yīng)用的SLAM算法。對SLAM技術(shù)的技術(shù)難點進行分析,利用概率模型和優(yōu)化模型對SLAM問題進行描述,基于此模型介紹在線SLAM和完全SLAM算法的數(shù)學原理。在以上模型分析的基礎(chǔ)上,研究了基于貝葉斯遞歸方法的擴展卡爾曼濾波器的EKF-SLAM、基于粒子濾波器的蒙特卡洛定位、Gmapping算法。對EKF-SLAM過程進行仿真,仿真結(jié)果表明通過觀測模型的校正對運動模型預測具有明顯的校正作用。蒙特卡洛定位仿真試驗表明在地圖已知的情況下,以運動方程作為建議分布可以獲得良好的定位效果。利用PLICP掃描匹配的原理,針對CUMT4里程計信息不精確的問題,以Gmapping算法為基礎(chǔ),使用PLICP定位獲得的位姿假設(shè)代替里程計模型構(gòu)建的建議分布函數(shù),構(gòu)成PLICP-FastSLAM,對于煤礦里程計失效的環(huán)境具有更好的適應(yīng)性。分析了Hector-SLAM掃描匹配算法的原理,與PLICP-FastSLAM算法進行對比。分析了基于圖優(yōu)化的Cartographer-SLAM算法,對后端的圖優(yōu)化方法進行了研究。為了比較 PLICP-FastSLAM,Hector-SLAM,Cartographer-SLAM 算法的實用性,在室內(nèi)的樓道環(huán)境進行試驗。首先驗證了 PLICP算法的定位效果。比較了三種算法各自的建圖精度。對結(jié)果進行分析,比較了各個算法的實現(xiàn)過程和優(yōu)缺點。試驗結(jié)果表明,PLICP-FastSLAM利用改進重采樣過程的粒子濾波器,利用掃描匹配的結(jié)果定位,降低粒子數(shù),極大提高了建圖的效率和精度,對于室內(nèi)環(huán)境具有良好的適應(yīng)性。Hector-SLAM掃描匹配效率高,地圖精度較高。但對于機器人旋轉(zhuǎn)加速度過大的場合適應(yīng)性較差,而且強烈依賴于高掃描頻率的激光傳感器。Cartographer-SLAM算法由于是基于圖優(yōu)化的算法,同時采用稀疏位姿調(diào)整,受環(huán)境噪聲影響小,得到的地圖一致性最高。三種算法在室內(nèi)環(huán)境均可獲得質(zhì)量較好的地圖。針對煤礦救援機器人的路徑規(guī)劃問題,研究了基于A*的全局路徑規(guī)劃算法和基于DWA的局部路徑規(guī)劃算法。分析比較了 A*算法、BFS算法、Dijkstra算法各自的特點,在此基礎(chǔ)上對A*算法的實現(xiàn)過程進行分析。A*算法利用同時計算到目標點和出發(fā)點距離之和的評價函數(shù),實現(xiàn)最短路徑和最快速度的結(jié)合。DWA算法通過對機器人速度、加速度以及障礙物距離的限制條件,利用動態(tài)窗口縮小速度采樣空間。為了將A*算法和DWA算法結(jié)合使用于CUMT4導航系統(tǒng)中,基于ROS的路徑規(guī)劃系統(tǒng)架構(gòu),分析了導航棧使用的代價地圖、路徑規(guī)劃算法、定位信息、傳感器信息及坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系等內(nèi)容。在此基礎(chǔ)上利用Cartographer-SLAM生成的室內(nèi)地圖進行仿真試驗。結(jié)果表明基于ROS的路徑規(guī)劃系統(tǒng)具計算速度快、路徑短且平滑等優(yōu)點,可以滿足煤礦救援機器人導航使用。針對煤礦救援機器人導航系統(tǒng)的具體實現(xiàn)問題,對CUMT4型機器人的導航系統(tǒng)軟硬件進行了詳細設(shè)計。對機器人使用的激光雷達、深度相機、AHRS、里程計等底層驅(qū)動節(jié)點進行了設(shè)計和安裝。利用STM32作為控制核心,對底層控制器的硬件進行設(shè)計,并介紹了軟件的實現(xiàn)過程。通過將導航系統(tǒng)使用的各個子系統(tǒng)相結(jié)合,實現(xiàn)了導航功能。為了驗證CUMT4導航系統(tǒng)的有效性,在模擬礦井進行了現(xiàn)場試驗。首先對比研究了 PLICP-FastSLAM、Hector-SLAM 以及 Cartographer-SLAM 算法各自在現(xiàn)場試驗中的使用,重點分析三種算法的構(gòu)圖精度和計算壓力。結(jié)果表明Cartographer-SLAM魯棒性最好,構(gòu)圖精度和一致性最高,同時計算壓力最小。然后利用Cartographer-SLAM構(gòu)建的地圖進行自主和半自主導航試驗,結(jié)果表明CUMT4導航系統(tǒng)具有較好的導航效果,可以基本滿足煤礦環(huán)境下的應(yīng)用需要。
[Abstract]:This paper analyzes the technical difficulties of coal mine rescue robot , designs and selects a navigation system suitable for the application of coal mine environment . The simulation results show that the system is divided into three parts : control system , communication system , chassis drive system , SLAM system , path planning system and man - machine interaction system . In order to improve the efficiency and accuracy of the navigation system of coal mine , the paper designs and installs the hardware and software of the navigation system .

【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TP242

【參考文獻】

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本文編號：1541029