智能服务机器人自主定位导航系统研究

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中国人口基数众多并且显示出老龄化的趋势,劳动压力与用人成本不断提高等社会问题日益显著,如何解决这一矛盾成为了亟需解决的问题。使用服务机器人代替人工来完成清洁、陪护、安防等日常工作可以极大的缓解劳动力供需矛盾,促进社会的进步和发展。本文基于“智能陪护机器人定位导航系统研发”项目,针对室内环境,设计了一种服务机器人自主定位导航系统,主要完成如下工作:首先根据智能服务机器人自主定位导航系统的项目需求,设计了定位导航系统整体架构,并完成了软硬件框架的设计和关键设备选型,及定位导航软件开发环境的搭建。然后针对基于麦克纳姆轮移动底盘,分析并建立了智能服务机器人运动学模型,基于其运动学模型对服务机器人的航迹推算方法进行研究分析。提出了一种加权自适应无迹卡尔曼滤波融合定位算法,该方法融合了里程计数据和激光测距数据,解决了传统激光匹配定位可能会陷入的局部极值问题。同时针对不同的传感器引入不同的置信因子,进一步提升算法的定位精度。通过实验表明,本文提出的改进算法与传统定位算法相比,能够使移动机器人获得更为准确的位姿信息。接着构建了室内环境的栅格地图,并基于所构建的栅格地图,设计了一种改进的自学习遗传粒子群算法,实现了服务机器人的路径规划。该算法针对标准粒子群算法更新粒子位置的操作可能会使算法陷入局部极值而出现收敛过早的情况,引入了遗传算法中的交叉以及变异操作,并针对标准粒子群算法的学习因子做出改进,增加了学习因子的动态调整能力,使得算法的优化性能以及搜索能力也有了一些提升。随后研究了服务机器人的轨迹跟踪控制,设计了反演滑模变结构轨迹跟踪控制器,并通过仿真对线速度及角速度均为常数的圆形轨迹进行了轨迹跟踪。实验结果表明,在本文所提出的控制律的作用下,服务机器人能够跟踪上预期轨迹,且各跟踪误差也能在较短时间内收敛。最后,基于Ubuntu系统和ROS(Robert Operation System)系统,对本文所开发的全局定位、路径规划、轨迹跟踪等软件,进行了实验测试,验证了本文设计的定位导航系统的可行性及有效性。
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