基于ROS双轮驱动移动机器人建图算法与路径规划的研究及实现

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在现代科学技术的发展中,机器人学作为一门新兴学科,已经受到了国内外学术界和企业界的广泛重视。而在机器人学的研究领域中,移动机器人是一个非常重要的组成部分。在移动机器人的研究领域中,建图算法和路径规划是待解决的问题。本文主要选择一款双轮驱动移动机器人并对其进行运动学与动力学分析,然后进行两种建图算法与三种路径规划算法的理论研究,紧接着在对Linux系统下ROS系统中的几款仿真软件进行研究,最后进行机器人在实地环境下进行建图算法及路径规划的实验,并将三种路径规划算法导入到移动机器人中进行行驶测试与避障测试。围绕ROS系统下的双轮移动机器人的建图算法与路径规划展开研究,论文的主要研究内容包括:(1)对机器人学的发展现状及趋势进行探讨,并提出本次课题要解决的问题,即对双轮移动机器人导航时地图构建及其路径规划算法问题进行建图算法与路径规划效果的实验研究。(2)对移动机器人的结构进行选择,通过课题的研究环境来进行机器人构型选择,通过对实际机器人移动实验的环境进行不同结构的对比,从几种不同的机器人机构中选择双轮作为主驱动轮,并在机器人的正前端加一个起支撑结构的万向轮的三轮移动机器人结构。并对该结构进行运动学和动力学分析。(3)首先对机器人的建图算法(SLAM)进行相关的探究、对Gmapping和Hector算法进行理论分析,然后对机器人在路径规划中的算法进行研究,在对路径规划算法进行研究中,我们将机器人的路径规划算法分为全局路径规划和局部路径规划进行理论研究。全局路径规划中对Dijkstra算法、A*算法、RRT算法进行理论分析。在局部路径规划中对DWA算法进行理论分析。通过对以上几种算法的性能进行分析,为接下来的仿真实验做准备。(4)本章主要研究ROS系统下的几款仿真软件,分别对Gmapping算法和Hector算法进行建图效果的仿真实验,观测其仿真结果,然后使用Stage软件对A*算法、RRT算法及其全局路径规划与局部路径规划同时作用下的路径规划进行仿真而后在进行路径规划效果的对比。(5)选取一款合适的双轮移动机器人平台进行相关的实验。首先进行A*算法与RRT算法的路径规划对比实验,从时间和规划路径的长度这两方面进行对比。然后对DWA算法的评价函数在不同参数下进行相关的实验。紧接着进行机器人平台的线速度、角速度、与机器人运动稳定性的校核实验,使移动机器人能够平稳的在地面上运行。校核后进行机器人的原始算法避障实验。最后使用ROS系统中的navigation导航包来将A*算法与DWA算法共同作用进行路径规划实验。(6)根据的以上的几组实验得出最终结论,结论可以分为以下几点:在A*算法与RRT算法的比较实验中,A*算法规划出来的路径长度更短,RRT算法规划出来的时间更短。在DWA的三个参数的研究试验中,其他条件不变,当α的值增加时,导航时间变长,β值的变化趋势与α值相同。而当γ值升高时,导航时间变短。最后在移动机器人的避障实验中,移动机器人原始算法的导航时间较长,路径规划效率较低。而我们在本次课题中发现navigation路径规划包可以将A*算法与DWA算法结合,然后结合算法能简化路径规划的长度。在以后的研究中,可以将navigation中的全局路径规划算法中的A算法进行改进,并在传感器的选取上进行研究。
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