室内轮式移动机器人系统设计

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随着微处理器技术、无线通信技术、传感器技术、控制理论、人工智能理论等不断发展和成熟,移动机器人技术得到了迅速发展。其中室内机器人作为一个重要的研究及商业化领域,近年来,在国内外受到了普遍重视。在众多室内机器人中,具有能够自主运行功能的机器人在很大程度上可以拓展其工作空间,因此,结合TI C2000&MCU创新设计大赛的命题要求及课题组研究方向,本文设计了一款具有多种人际交互方式、多功能、低成本、软硬件系统均可升级的轮式移动机器人开发平台。移动机器人硬件平台以TI公司数字信号处理器——TMS320F28335为核心,具有人机交互、智能避障两部分主要功能。人机交互可以通过红外遥控、GSM通信、触屏LCD、射频无线通信四种方式实现,能够满足不同种类客户的使用需求;机器人智能避障基于超声波传感器阵列对环境信息的感知,通过融合多传感器数据实现机器人自主漫游避障功能。系统软件由DSP数字处理及控制程序、上位机应用程序、无线通信程序三部分组成。DSP程序为软件系统核心,完成了机器人驱动控制、各人机交互模块的数据通信、机器人自主漫游算法实现。上位机程序作为客户端软件,能够显示机器人发送的温、湿度及气体浓度信息等。无线通信程序作为连接机器人与客户端软件的中枢,完成了机器人与客户端的数据及命令交换。本文主要研究了基于DSP的室内轮式移动机器人硬件设计及相关模块的软件开发,并基于该机器人平台,本文结合TangentBug理论思想、模糊逻辑设计了一种适合非全向测距移动机器人的点对点(Point to Point,P-P)避障与运动规划方法,同时细致讨论了FastSLAM算法原理及其改进算法在机器人同时定位与地图构建(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)中的应用。最后,本文对机器人的人机交互、自主避障等主要功能进行了系统验证,通过仿真实验和系统实验验证了本文设计的避障算法在移动机器人P-P运动规划、自主漫游时的可靠性;通过构建Matlab二维SLAM算法仿真平台,验证了FastSLAM方法在移动机器人未知环境下定位与地图构建的有效性;利用该机器人平台,进行了基于超声波传感器的地图构建实验,从理论和实验上分析及证明了该轮式移动机器人的应用潜力及开发价值。
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