1、分类号注！密级学位论文全区域覆盖自主移动机器人数字化环境的建立与定位系统的研究（题名和副题名）张娜（作者姓名）指导教师姓名范垂邈塑撞申请学位级别硕士专业名称扭拯遮盐盈堡逾论文提交日期论文答辩日期！鱼学位授予单位和日期壹室堡三盘鲎答辩委员会主席评阅人年月日注：注明国际 十进分类法的分 类号。硕工论文廿，（），（）。嬲也：，礤 声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名
2、：扬哆年钥；日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：主签婴游娟扣日南京建工，：学砂：工掌位论义垒区域 钕蔷自主移动利器数字化 环境的廷立与定位系统的研究绪论引言自第一台工业机器人问世以来，至今已经有四十多年的历史了，在这短短的四十几年里，机器人的发展已经历了三代：第一代是可编程的示教再现型机器人；第二代是具有一定的感觉功能和一定自适应能力的离线编程机器人：第三代是智能机器人，这种机器人装
3、有多种传感器，并能将多种传感器探测到的信息进行“融合”（多传感器的信息融合），能有效地适应变化的环境，具有很强的自适应能力，并具有自学习、自治自己管理自己、自主决策功能。智能机器人成为当今机器人研究的热点，是与当前机器人技术和科技的发展状况及社会发展的需求密不可分的。近年来，计算机硬件水平不断提高，并行分布式处理技术、硬件控制技术、传感器技术及软件开发环境不断发展， 为机器人的研究提供了必要的物质条件，人工智能技术”尤其是机器理解、搜索、任务及路径 规划、视觉识别、模糊控制、神经网络等技术的发展，使机器人向着智能化、自主化方向发展。自主移动机器人。 “”是机器人研究领域中的一个重要分支，它集人
4、工智能、智能控制、信息处 理、 图像处 理、检测与转换等专业技术为一体，跨 计算机、自动控制、机械、电子等多学科，成为当前机器人研究领域的热点之一“。关于自主移 动机器人的研究涉及许多方面：如环境识别、控制体系及导航或路径规划等。随着人工智能、智能控制技术和计算机技术的快速发展以及各项关键技术的提高与突破，移动机器人必将在军事侦察、宇宙探测、空 间开发、扫雷排险等危险与恶劣工作环境和真空洗尘、楼宇清扫、农业 播种、草坪修剪等服务行业得至越来越广泛应用。移动机器人国内外研究现状与发展趋势机器人作为人类的新型生产工具，在减轻劳动强度，提高生产率，改变生产模式，把人从危险、恶劣、繁重的工作环境下解放
5、出来等方面， 显示出极大的优越性。世纪年代以来，机械加工、弧焊、点焊、喷涂、装配、 检测等各种类型的机器人相继出现并迅速在工业生产中实用化，这大大提高了各种产品的一致性和质量。然而，随着机器人的不断发展，人们发现， 这些固定于某一位置操作的机器人并不能完全满足各方面的需要。因此自世纪年代后期，许多国家有计划地开展了移动机器人和移动机器人技术的研究。如美国的人工智能中心在年首次进行了移动机器人越野实验“，大学的室内移动机器入能在立体制导系统引导下慢速步行【 “。美国卡内基梅隆大学（，）机器人研究所在八十年代研制出”机器人，其 计算机系统由，组成，它具有完绪论硕士论文成图像处理、 图像理解、传感器
6、信息融合、路径 规划和本体控制等功能。德国 联邦国防大学的系统和德国大众汽车公司的系统，是用于 结构化道路环境的移动机器人的典型。目前日本市场上销售的智能机器人有身体功能恢复训练机器人、步行功能训练机器人等，而保安机器人、 导购机器人、厨房机器人等尚 处于试制阶段，有望在短期内推出。由此可见，服务机器人的发展正方兴未艾、市 场需求很大，它正逐步走向人们生活的方方面面，帮助人们改善生活的质量，满足人们在新形势下的需求，因此有着极其广阔的市场前景和发展前途。随着科技的发展， 现在的机器人研究开始面向宇宙探测、空间开发。一种适用于所有地形的宇宙探测多用途移动机器人，成为研究热点。美国宇航局的“勇气”
7、号和“机遇”号火星探测器成功登陆火星，也因此载入火星探测的历史。目前美国宇航局的科学家们正在研究另一种新型火星探测器，有望在火星探测方面迈出新的一步。而我国从八五期间开始研究移动机器人。， 经过多年的发展，我国已在多项机器人关键技术中取得了突破性的进展。以中科院沈阳自动化研究所、清华大学、北京航天航空大学、东北大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学 为代表的我国机器人研究基地，已经取得了令人瞩目的成果。由南京理工大学和北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学等多所院校联合研制的军用室外移动机器人系统于年月通过验收。其直线跟踪速度达到，避障速度达到一。清华大学计算机系智能技术与系统国家重点实验
8、室自年开始研制（）系列移动机器人系统。在移动机器人的自主式系统、体系结构、 传感器信息的获取与处理、路径规划与立体视觉、感知动 作、多行 为 控制、通讯与临场感应技术上进行了较为深入的研究，并完成了多项整体实验。 “系统是清 华大学计算机系正在研制的新一代智能移动机器人，兼有面向高速公路和一般道路的功能。除此之外，还 有中国科学院沈阳自动化研究所的和防爆机器人；香港城市大学智能设计、自 动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人；中国科学院自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统；哈尔滨工业大学于年研制成功的导游机器人等。随着机器人应用领域的不断拓展，机器人工作环境复杂度的提高，
9、在完全未知的环境中，由机器人自主的建立环境模型是机器人研究领域中发展起来的个重要研究方向“”。现 在移动机器人存在的主要问题是缺乏灵活性和自主性，大多数机器人只能在预先定义的地图中或者是高度结构化的环境中执行预先规定的动作“。在陌生的环境下，机器人不能很好的完成任务，主要原因在于对环境情况的预先知识通常是不全面、不确定的和近似的。为了提高移动机器人的自主性，就要增强机器人对未知环境的识别能力，因此，对工作 环境识别汹“和建立环境数字化地图。”是移动机器人研究的一个热点问题。对于工作区域数字化环境的建立，国外一些专利给出了一些方法南京理工大学预！：学位论叉垒区域覆盖自主移动机器人数孚化环境的莲与
10、定位系统的研竞和观点，美国 专利，、，“、中介绍预先使用电缆包围整个工作区域，然后在电缆中通上电流，机器人工作过程中通过探测通电电缆所形成的磁场来获取边界信息；而专“”中，提出了在工作区域边界设置了标识物，机器人用光学传感器来检测边界， 进而获取边界信息；在专利，“，”中采用先由人工推着机器人在整个工作区域内无遗漏地行走一遍，机器人记录下所有的轨迹，建立区域环境信息。移动机器人环境识别及其关键技术移动机器人大多数工作于未知的非结构化的工作环境中，在很多情况下，其作业环境的信息是未知的。这样，机器人在 进入环境时，就需要它对作业环境能进行有效的探测，并构建作 业环境的数字化地图来 。只有在了解了
11、环境的基础上才可能进行导航、路径规 划、避障策略和其他操作的 设计。因此，对未知作业环境信息的探测和构建数字化作业空间地图是移动机器人研究领域中一个重要的研究方向，受到了研究人员的日益关注。早期的移动机器人系统或是由操作者手动指挥机器人在环境中，机器人用示教的方法在同样的环境中运动，或是依靠预先存储的环境地图，也有的是采用被动机构来构建环境地图。而在另外的一些系统中，构建 环境地图所需要的传感器数据是由机器人在人工控制下采集到的，然后再采用离线的学习算法来建立数字地图“。而且早期建立的机器人环境的数字化地图往往是一维的或是二维的（平面的），它不能反映机器人工作环境的客观情况”“”。从移动机器人
12、环境识别研究方面公开发表的文章来看，多数研究工作尚处于模型或设计模拟阶段”，多数是在仿真条件下研究相 应的算法。美国建立的”系统，采用了、轮式计数器、与彩色视频摄像机等传感器；德国建立的”系 统，采用了、测距仪、高度计、与彩色视频摄像机等传感器；德国建立的“。系统，采用了、轮式传感器、气压计、视频等 传感器；加拿大的建立的系统，采用了、与彩色摄像机等传感器。以上几种系统主要是用来构建道路环境地图的，因为都是用了，并利用立体视觉得到环境特征的相对位置，从而能构建出部分三维地图来。美国建立的和“系统，分 别采用了激光雷达扫描仪恤、推 测定位法和视频、声纳传感器；参与工程的几家公司和大学建立了系统，
13、采用了红外彩色立体视频摄像机、激光雷达“”、倾斜计、流量罗盘等传感器。这三个移动机器人系统是用于识别未知环境，帮助机器人导航定位，都使用激光雷达进行全局定位，精度较高。而对于全区域覆盖运行机器人，需要构建整个工作区域范围内的三维数字化环境绪论硕士论趸地图的研究还比较少。的对虚拟的三维环境进行探测，并构建了地图汹。文献将二维算法与三 维的表面探测相 结合组成三维算法，研究了机器人的三维导航问题。而移 动机器人环境信息探测、建立数字化环境地图”的研究主要涉及到移动机器人定位技术“”“邮”、传感器技术和信息融合技术等方面。移动机器人的定位技术对于移动机器人来说，为了能高效率地在环境中穿行，或者要构建
14、出环境的地图来，就必须能判断出它自身的位置。移 动机器人的定位问题是提高智能移动机器人自主能力的关键问题之一，目前解决定位问题的方法大致分为两类：（）通过码盘“、加速度传感器“、陀螺仪“、多普勒速度 传感器等传感器感知机器人自身运动状态，经过累积计算得到定位信息。此类方法，成本 较低、可靠性较高、 对外部环境无特殊要求。可在一段时间内获得较高定位精度，但其定位误差往往会随时间不断累积，最终导致测量结果失效。所以，此 类方法难以独立应用。（）通 过超声传感器。“圳“”、红外传感器“。、计算机 视觉“”“”等 传感器感知机器人外部环境（或人为设置的路标），确定机器人与环境（或路标）的相对位置，从而
15、获得定位信息。此类方法必需改造外部环境或建立较精确的环境模型，系统一般较复杂，环境测量与数据处理的时间较长，难以获 得高精度、强实时性的定位信息。与以上分类相对应，目前解决定位 问题大致有个研究方向：（）提高（）类方法的精度，减慢误差的累积速度；（）提高（）类方法的实时性，减少对外部环境的改造；（）将（）、（）类方法相结合，以求得到精度 较高、 实时性较强的移动机器人定位信息。显然，（）类研究是全面解决移动机器人定位问题的合适途径，但是，（）类研究也具有重要意义。它通 过不同传感器共同工作进行多传感器信息融合，消除或减少误差累积，从而能 够在不损失系统定位精度与实时性的前提下，达到降低系统复杂
16、程度，提高定位实时性和降低系统对环境依赖程度及经济实用等诸多目的。移动 机器人探测环境的传摩器技术无论是定位还是行走，机器人都是靠传感器收集环境信息来实现的。目前，机器人进行环境探测所用的传感器主要有范围传感器（包括声纳、红外、激光等）和视觉传感器“”。任何 传感器都有其固有的局限性，会产生信号噪声。探测环境信息的信息噪声可以通过补偿算法加蛆消除，而定位产生的噪声则会对定位产生直接的误差。而且传感器的测量范围和分辨率限制使得一些很重要的环境性质无法被检测到。而机器人与环境的模型本身就具有模糊性的，也会对传感系统探测带来额外的不确定性。目南京理工灭学硕士学位论文垒区域覆盖目王移动机器人数字化环境
17、的建立与罡直系统的研究前，机器人在对工作环境的探测、 创建数字地图时采用如下的传感器技术”“：（）测距法（）测距法在短时间内的探 测结果有很高的准确度，但 传感器需要极高的采样率，而且误差随时间的积累会使最终的位置误差很大。实际误差分为两类：系统误差和非系统误差。系统误差是由机器人运动学上的不完善引起的，如不等轮直径或有关精确轴距的不确定性等；非系统误差是机器人与环境地面之间的相互作用引起的，如轮子的滑动、 颠簸或越缝隙。（）惯导法（）惯导法传感器包括陀螺仪和加速度计。惯导法用陀螺仪和加速度仪的测量结果积分合成得到机器人位置。陀螺仪测量回转速度，加速度计测量加速度。测量值的一次积分或二次积分可
18、分别求出角度或位置参量。这种方式不需要外在的参考系。但是惯性传感数据会随时间产生偏差，每次积分后原先的微小误差都会无限制地累积增大。光纤陀螺仪（又称为激光陀螺仪）用来检测和修正系统产生的位置误差，其检测非常准确，价格较为合理，更广泛地用到移动机器人的环境探测中。（）全球定位系 统（）”全球定位系统由若干卫星和地面接收器组成，主要适用于室外环境的地图建造。用一种很先进的三边算法地面接收器可以计算出卫星的位置来，已知地面接收器与三个卫星间的距离，从理论上就可以计算出接受器的纬度、经度和高度。由于树 木和山地的影响带来的周期性信号阻滞、多路径干扰、初步导航系统定位精度不够等是这类系统的不足之处。（）
19、路标导 航法（）。 ”。“。路标导航中，一般来说，路标都有固定的已知位置，机器人参照路标可以进行相对定位。为了使问题简 化， 经 常假设机器人的当前位置和朝向已经划定，机器人只需在有限的区域内寻找路标。为了成功检测出路标来，需要很高的测距精度。移动机器人在运行时，必须持续不断地感知周围环境信息及自身状态信息。由于移动机器人工作环境的复杂性、机器人自身状态的不确定性和单一传感器的局限性，只靠一种传感器难以完成对外部环境的感知。单的传感器或主要依靠某一种传感器的机器人所获得的环境信息比较单一，不能识别复杂环境，缺乏应变能力，不能根据环境的变化实时地调整自身的行为决策，且信息缺乏冗余度，导致获取的信
20、息容错性差。为了完成在复 杂、 动态 及不确定性环境下的自主性，移 动机器人通常装有多种传感器。移动机器人的多传巷器信息融合技术由于越来越多的移动机器人采用了多种或多个传感器，就出现了多传感器信息的融合问题。多 传感器信息融合“”“”系 统 把从多个传感器得到的信息结合起来，用以更好地描述探测对象。多传感器比单类或单个传感器能提供冗余和互补性的信息。冗余信息可以用来降低某类传感器信息的不确定性，使系统在某一传感器失效时仍保持稳定性，或者 说具有鲁捧性。互补性信息可以更为完整地提供被探测对象的状态。尽管遇到的具体问题困难各异，但最终目标是一样的，就是利用所有能得到的数据来更绪硷碗士论上好地理解被
21、研究的现象。现在的传感器技术越来越多地颈向于软件算法上的改进。关于融合算法基本上有种理论“”：决策或检测理论与估计理论。前者主要用来做决定，对对象进行探测或分类。其基础 理论为人工智能技术，如：神 经网络。“，模糊 逻辑，贝叶斯方法，基于规则的方法，方法：后者是要找到与所观察到的数据相吻合的状态。估计理论问题 可以分为以下 类：过滤、预测和消除不确定性，分别指：上一次感知的时间、将来的某一时间和过去的菜一时间，在当前所能得到的数据基础上，估计系统的状态。三者的 结合则可以用全部的信息来估计系统在任何时间的状态，并且能处理异步数据的融合。但是由于其计算量太大，因此在实时系统中并非十分适用。本课题
22、的来源、研究背景及意义机器人技术作为世纪 入类最伟大的发咀之一。目。年代初问世以来， 经历年的发展己取得长足的进步。工业机器人在经历了诞生一成长一成熟期后，已成为制造业中不可少的核心装备。移动机器人作为机器人家族的后起之秀，由于其用途广泛而大有后来居上之势，仿人形机器人、 农业机器人、服务机器人、水下机器人、医疗机器人、 军用机器人、娱乐机器人等各种用途的移动机器人纷纷面世，而且正以飞快的速度向实用化迈进。与多数从点对点运动的移动机器人不同，全区域覆盖自主移动机器人是一类特殊的移动机器人。所 谓全区域覆盖，就是指机器人的运行轨迹要能够无遗漏充满整个工作区域“，且在运行 时要遵循以下原则：）机器
23、人运行的总时间和总行程最短；）能量消耗最少；）区域充满的同时能够避开各类障碍；）尽量使用简单的运行轨迹（如直线）。全区域覆盖自主移动机器入不仅可以应用于目常生活中，帮助人们从一些简单繁琐的工作中解脱出来，比如：自动割草机器人、真空吸尘机器人、铲雪机器人、涂覆机器人、农业 播种机器人、收割机器人等；而且还可以应用于一些危险、极限的工作环境，如高空楼宇清洗、 军事排险清障（例如生化武器污染区清障、雷区排雷、太空和海洋资源勘探等）。全区域覆盖自主移动机器人应用之广泛、潜在市场之巨大吸引了国内外众多研究机构和公司竞相开展研究。本课题研究的对象就是这样一类全区域覆盖自主移动机器人。对于这一类机器人，要希
24、望它们能够在最短时闻、最短行程、最低能耗下无遗漏、无重复的完成全区域覆盖任务，就必需 让它对所工作的环境有全局的了解，只有在了解了环境的基础上才可能进行有效的定位导航，路径规划，区域覆盖，避障策略和其他操作。因此有效的对环境进行探测、获取环境信息、建立数字化的工作环境是该类移动机器人研究领域的关键，受到了研究人员的日益关注。它要解决的重要问题：一是移动机器人在空间的位置、方向，环境信息的精确 检测：二是所获信息的处理、分析及环境模型的建萑京理工天学硕士学位论文全区域覆盖自王移动书：器人数字化环境的建立与定位系统的研竟立。目前，对于移动机器人 环境地图的建立，从国步公开 发表的一些文章来看，多数
25、系统是用来建立道路环境地图的，均采用、视频等传感器，且大部分研究工作尚处于模型或模拟阶段。基于以上研究背景及现状，本课题研究的目标是对一块任意形状的区域，建立其三维数字化工作环境，使移动机器人通过电子地图进行导航定位、自主实现全区域覆盖。课题来源于江 苏省高技术研究项目全区域覆盖自主移动机器人的研制，研究该类机器人的一些共性和急需解决的关键技术，因此具有较高的理论研究价值和很大的实际应用价值。本课题主要研究内容本文的研究重点在于移动机器人工作区域三维环境信息获取和数字地形环境的建立的理论与方法。着重对以下问题进行研究：）对 移动机器人获取环境信息的定位系统进行分析研究，结合本课题的实际情况，提
26、出采用组合相对定位系统来获取三维环境信息。）对 障碍物进行分类研究，分别给出其边界及空 闫信息的获取方法。）研究基于合作信标的全局定位方法修正组合定位系统存在的累积误差，以使更逼真、更客观地描述环境。）基于采集到的环境信息，研究数据存储的结 构类型、 环境电子地图建立的方法、环境地形面 拟合的拟台方法与实现。）研究机器人基于建立的数字地图的全区域覆盖的导航原理和边界匹配算法。）设计建立数字化环境的定位系统的硬件电路和控制程序。全匹域覆盖晶主移动机器，、数字化环境信息的获取硕士论义全区域覆盖自主移动机器人数字化环境信息的获取引言本文研究的对象为全区域覆盖自主移动机器人，要求其能够在一块任意形状的
27、工作区域内，自动覆盖整个区域而不越出边界，且能避开工作区域内的障碍。这就涉及到移动机器人的工作区域的环境建立和导航定位问题。以自动割草机器人为例，希望机器人能够在最短时间、最短行程、最低能耗下无遗漏地完成割草任务而不至于越出草坪边界并能自动绕开草坪内树木和花坛等障碍，这里就涉及到建立工作区域数字化环境尤其是建立区域边界信息的问题；如果机器人对自身工作的环境不了解，就无法准确地判断出是否到达区域边爨，是否无重复、无遗漏地完成全区域覆盖，就无法自动避开各种障碍。因此，建立工作区域的数字化环境在全区域覆盖自主移动机器人的研究中具有举足轻重的意义。只有在了解了环境的基础上才可能引导机器人进行导航、路径
28、规划、避障策略和其他操作的设计。对于工作区域数字化环境的建立，从国外一些专利给出的方法和观点看，大多对机器人的工作环境改造太多，这样给使用者带来了诸多不便。本文提出一种新的方法，在边界设置少许合作信标的情况下，能够使移动机器人较为准确地获取区域的环境信息，建立数字化环境， 顺 利地完成全区域覆盖任务。数字化环境建立的定位技术与定位传感器的研究与选择建立工作区域的数字化环境，最基本的就是获取工作区域的环境信息。工作区域的环境信息是指工作区域的地形信息和环境中己知的一些特征物的信息。机器人要想能准确地获取环境信息，在未知环境中自动行走是关键，这就涉及到移动机器人的定位问题。无论是定位还是建立环境地
29、图，机器人都是靠传感器收集环境信息来实现的。目前，机器人进 行环境探测、地 图创建所用的传感器”“ ”“主要有范围传感器（包括声纳、红外、激光等）和视觉传感器。从移 动机器人数字化环境地图建立方面公开发表的文章来看，大多数系统采用的是、视频、激光雷达扫描仪等传感器与推测定位法的结合。从中不 难看出，推测定位法是通过对机器人的速度进行时间积分而确定机器人位置变化的一种定位方法，属于相对定位范畴。如果单纯用推测定位法容易产生随时间无限增大的误差累积，这就需要在此基础上再采用附加的一些措施，来周期性地修正机器入的位置误差。而无论是采用、视频还是激光雷达扫描仪定位都属于绝对定位范畴，与推测定位法相结合
30、，能有效、准确地修正误差，更新机器人位置。显然，将相对 定位技术与绝对定位技术相结合，以求得到精度较高、实时性较强的移南京理二大学硕士学位论仝区域覆盖臼移动机器，、数字化环境磋立，兰位系统自研究动机器人定位信息的定位方法是全面解决移动机器人定位问韪的理想途径。本文研究的是全区域覆盖自主移动机器人，建立数字化环境的最终目的是顺利地完成全区域覆盖。基于这一点，文中采用光 电编码器三轴罗盘组合相对定位系统进行航位推算定位采集边界点。航位推算法只保证在短时间内的探测结果有很高的准确度，误差随时间 的积累会使最终的位置误差很大。且此定位技术对地面条件要求较高，在粗糙、不平整地面上，机器人与环境地面之间的
31、相互作用会引起车轮的滑动或颠簸，进而会影响到航位推算的准确性。考虑到机器人的工作区域是任意形状的，地面不可能很平整，这样 ，如果 单纯 依靠航位推算来定位机器人、获取环境边界信息，就 势必与实际环境信息很不符合。为提高机器人定位的准确程度，本文考虑与绝对定位方法相结合来更新机器人的位置信息。由于”定位受树木和山地的影响会带来周期性信号阻滞、受多路径干扰系统定位精度不足，因此不适台全区域覆盖的定位；视频传感器定位，是使用摄像机机器人周围场景，通过图像特征的匹配来确定机器人的位置。其中图像特征的提取较难， 处理的数据信息量较大，难以满足机器人的实时性要求，从可行性考虑，也不适合用于全区域覆盖定位；
32、激光扫描仪的全局定位，系统定位误差与机器人运行的距离没有关系，但关键的是环境中要有可检测的自然路标或合作信标，且为 了保证定位精度，机器人的移动速度将受限制。在本 课题的研究中， 综合考虑机器人工作的环境和机器人的移动速度，提出采用基于合作信标的激光全局定位方法来修正相对组合定位系统的累积误差。数字化环境信息获取的方案概述要想准确地获取移动机器人的工作环境信息，就必须先对其工作环境进行分析、规划。假设一 块任意形状的工作区域，该区域由一条空间闭合曲线包围，内部含有大型静态障碍物。首先根据环境中的大型静态障碍物位置，按照能量消耗最小原则，沿二维区域的主轴方向“将整个工作区域划分为若于个子区域（，
33、）。其二维平面投影如图（注明：工作区域中每一点在 轴方向都有一个高程值，在此为了表达简便，只做出平面投影示意图）。对于这样一个工作区域，要建立其数字环境，需要获取的环境信息包括：工作区域主边界的信息，区域内划分子边界，的信息和区域内大型静态障碍物，的信息。使用光电编码器一三轴罗盘组合定位系统获取环境信息的方案原理概述为：选取一个固定点。（，）作为机器人的工作始发点（基站），然后遥控机器人由（，）出发， 顺时针绕工作区域主边界行走一遍，机器人以一定的采样速率采集由组合定位系统获得的三维边界信息，通过航位推算计算出边界点的坐标，（，），作为环境边界地图信息，存储起来；再遥控机器人从基站出发，沿着预
34、先划分好的区域子边界行走一遍，所获信息作为环境区域地图信息存储起来；最后全区域覆盖自主移动机器人数 化嚣境信悬日获取硕士沦文遥控机器人绕着区域中的所有障碍物行走一遍，记录下位置信息和空间信息。并在采样的过程中，定期启用激光扫描系统进行误差修正，不断更新机器人位置。这样，在整个环境信息获取过程中，交错结合地使用这两套定位系统，能较好的改善相对定位系统累积误差大， 绝对定位系统数据处理周期长的问题，提高采样精度。坐标系的定义与变换图工作区域规划太低凹障碍物太高突障碍物本文中使用的移动机器人为一个三轮车体，后两个车轮由两个电机单独驱动，前轮为万向轮。车体的定位系统由两个光电编码器和三轴罗盘构成，两个
35、光电编码器分别安装左右后轮上，三 轴罗盘由三轴磁阻传感器和二轴倾斜仪组成，安装在车体前端的中间位置，激光 扫描仪固定在机器人云台上，如图所示。在这里，为了研究 问题方便，采用如此定义的坐标系“，使得对三维环境信息的描述更加直接和方便。坐标系的定义如图所示。南京理工大学砸工学位论文垒区域覆盖自主移动机嚣、数字化环境的建立与定位系统的研究孙之恕栗：。（、气】中 （）（）图坐标系与航向角、俯仰角、横滚角的定义（）地面坐标系地匿坐标系用于最终描述车体在地面的位置和姿态。取机器人始发点为原点，定义轴为地球的重力加速度方向并指向上方，轴指向地球的北极（即地球自转轴的北极）方向，轴遵循右手法则指向东。（）车
36、体坐标系车体坐标系与车体固联，位于车体的质心位置。定义。轴指向上方，。轴沿车的纵轴向前指向车的运动方向， 轴遵循右手法 则指向右外侧。车体坐标系用小写字母来表示。（）稳定云台坐标系一般情况下，激光测距传感器都安装在稳定云台上。因为稳定云台可以隔离车体的运动，使传 感器的姿态不受车体运动的影响。稳定云台坐标系用小写字母来表示，其坐标轴方向与本体坐标系的轴方向一致。云台坐标系也可看作是传感器坐标系。为了便于形象、直接的讨论问题，在这里用航向角（）、俯仰角（占）与横 滚角（庐）来描述自主车系统（包括云台、传感器等）的姿态。设有两个坐标系，地面坐标系和车体坐标系，目的是要得到车体坐标系相对于地面坐标系
37、的位置和姿态。为此，按顺序作如下变换：（）平移。沿地面坐标系的兰个坐标轴，）分别移动，）个 单位，使地面坐标系与车体坐标系的坐标原点重合；（）绕车体坐标系的轴旋转角（航向角）；（）再绕车体坐标系的轴旋转口角（俯仰角）；（）最后绕车体坐标系的轴旋转驴角（横滚角）。卜生兰銎堑墅至旦圭兰垫塑堡生：！堕些堑量堕星塑茎里堡主丝苎所有的旋转角度均定义逆时针方向为正。则由车体坐标到地面坐标的变换为：“妒口卜妒（妒妒一）（妒）一西陀口舱口郇妒妒）妒妒一妒）妒式中，代表：代表，其他同理。同样，由云台坐 标（传感器坐标）到车体坐标的变换为儿岛式中，拉，表示云台坐标系原点在车体坐标系中的三轴坐标值，如图。光电编码器
38、一三轴罗盘组合定位原理（）（）光电编码器测量的工作原理为；在定时间内车体运动的距离可以通过对光电编码器产生的脉冲计数，然后通过公式（）计算换算成距离：（）石（）其中，为对编码器的计数脉冲，为编码器的线数，为车体后轮的直径。如果一个工作【匿域边界如图所示，如用光电编码器和二维磁罗盘进行生成边界，则生成二 维边界如图所示。 图中实际机器人从点行走到点，并未到达边界，但使用二维边界图的 话，机器人会判断已 经从，行走到 边界点，这导致机器人在运动过程中不能正确地识别边界，有越出边界或未达边界即转向的可能。由此可以看出建立一个三维的边界是很必要的。而建立三维边界仅仅有距离和航向角是不够的，还需要一个俯
39、仰角，因此选用了三轴罗盘作为定位系统的另一部分，用来测量 车体的航向角和俯仰角。矗乙，可儿妒护口。啷蓦一订叫刊；石矿扫南京理工大学硕士学位论文全区域覆盖自主移动机器人数字化环境的建立与定位系统的研究图机器人实际工作边界图生成的二维工作边界三轴罗盘由三轴磁阻传感器和二轴倾斜仪组成。三维磁阻传感器使用霍尼威尔公司生产的三轴混合磁阻传感器。它主要由三个独立的磁阻传感器与高精度仪表放大器组成。每一个磁阻传感器由四个磁阻构成惠斯通电桥，其供 电电源为。当 电阻中有电 流流过时，在 电桥上便施加一个偏置磁场日，这将使得两个相对放置的电阻的磁化方向朝着电流方向转动，从而引起电阻阻值的增加；另外两个相对放置的
40、电阻的磁化方向背向电流方向转动，从而引起电阻阻值减小。这样 ，便可在线性区域输出和外加磁场成正比的信号。删磁场测量范围高达，磁 场灵敏度小于；元件集成度高；片内集成了霍尼威 尔公司取得专利的置位复位技术可以减少温度漂移、非线性误差以及在高磁场环境中对输出信号造成的影响，而片内偏置电路则可消除磁场失真的影响。因此，以作为航向角测量传感器，可分别测出地磁场日分别在车体纵轴、横轴和竖轴的分量日。、日、，和日，；同时以二轴倾斜仪力作 为俯仰角（）与横滚角（妒）测量传感器。在无罗差的情况下，、占、矿的关系为：。妒矿西口一日：妒（）疗：，妒：妒其中：矗，、矗，和宣：为 磁传感器在日，状态下测得的个地磁场分量。，、，和：为 磁传感器在 ，妒 状态下删、爵的个地磁 场分量。航向角为：矗，驴删叫司 （）！全堕堕堡苎鱼圭壁垫垫壁茎兰些至垄堕星塑壅墼一堕！：鱼生图航位推算不蒽图址砖址，。（）毛她式中曰，为罗盘倾斜角：为罗盘航向角。，。，毛）为车体在地面坐 标系下的初始位置。通过计 算址时间内车体的位置变化， 进行累加，从而求出 车体的全局坐标南京理工大学硕士学位论文全区域覆盖自主移动机器人数字化环境的建立与定
