1、，果或的表复容以公摘要摘要人机交互下的移动机器人作为移动机器人发展的一个分支，在一些特定应用领域有着一般移动机器人不可替代的地位。例如在环境检测领域，常由于一些原因而发生化学物质等高度危险品的泄露污染，普通环保人员无法接近，使用一般手段无法实施检测。这时就需要一种专门的环境检测移动机器人，代替环保人员进入污染现场实施检测和处理。由于大多数情况下的污染现场都比较复杂，可能在野外恶劣的地形条件下，也可能在充满障碍的建筑物内部，因此这种机器人必须体积较小并主要采用人机交互方式进行控制。但是机器人本身也可以拥有一定的自主能力，在一定情况下辅助操作人员对移动机器人进行控制，从而降低操作人员的工作强度，提
2、高工作效率并保证安全。本文结合教育部重大创新培育基金项目，重点研究了与人机交互移动机器人及局部自主导航技术有关的总体结构、 传感系统、自主避障系 统以及自主视觉目标跟踪系统。本文分析了人机交互方式下移动机器人的功能需求并以环境检测机器人为例讨论机器人的结构设计和运动建模，设计了一种分层式、模块化、网络化、局部智能等特点的电子系统硬件结构，根据实际需要选择了用于导航定位的传感器并详细分析和讨论了机器人的传感系统，提出了一种包含测距模块、定位模块、姿态测量模块及多用传感器接口模块在内的分布式传感器系统并给出了软硬件设计方法。此分布式传感器系统软件中采用时间触发设计模式，保证了系统安全、稳定、有序运
3、行。自主避障技术是自主导航的基础，本文提出了人机交互方式下移动机器人自主辅助避障的思想，详细描述了移动机器人根据距离分段限速报警及强行突破模式在复杂工作环境下的具体实现方式，并讨论了移动机器人在柔性障碍避障技术方面的发展。机器人视觉是目前的研究热点，视觉导航也是移动机器人自主导航的一个非常重要的发展方向。 为了解决人机交互方式下移动机器人视觉导航问题，本文着重对三种流行的视觉目标识别和跟踪算法、和 进行了分析，讨论了各种算法的优点和不足之处。此外， 对于应用最广泛的算法提出了改进意见并进行了实验。最后提出以改进的算法为主要检测、算法为辅助校验的移动机器人视觉自主导航融合算法。本文在最后设计了可
4、以在移动机器人实验平台上运行的局部自主导航系统软件，详细阐述了基本的设计思想以及具体的实现过程。该软件应用了本文提出的移动机器人视觉自主导航融合算法，并融入了自主避障技术和路径规划技术，成为一个完整的局部自主导航系统。该软件在仿真及实体平台上运行成功，具有良好的目标识别和跟踪效果。关键词：人机交互；移动机器人；分布式传感系统：自主行为；视觉导航，强也，：；目录目录摘要一目录。第一章绪论课题的研究背景和意义国内外研究动态。目前移动机器人研究中存在的问题环境感知的局限性全自主机器人无法实现人与机器人的交互技术不受重视相关的理论和方法不成熟本课题的研究目标及本论文的主要内容第二章人机交互移动机器人系
5、统研究人机交互移动机器人系统的需求分析结构设计与运动建模系统结 构设计运动 建模一电子硬件系统设计一电子硬件系统总体设计基本原则人机交互移动机器人电子系统硬件结构环境检测机器人电子硬件系统感知系统。遥操作平台无线 通信系统一软件系统设计本章小结第三章分布式智能传感系统设计引言时间触发设计模式传感系统设计东南大学硕士学位论文传感系 统总体结构传感器主控制模块研制超声波红外线测距模块研制定位与姿态测量模块研制多用传感器接口模块研制本章小结第四章局部自主避障技术的研究自主避障技术简介人机交互方式下的自主辅助避障移动机器人自主柔性障碍避障技术本章小结第五章视觉导航跟踪技术研究机器人视觉简介算法研究算法
6、色彩空间的选择算法算法算法分析。算法改进阈值法预测法。算法研究算法算法分析算法研究。江算法算法分析算法比较实现 方式比较性能比较应用前景比 较。本章小结第六章人机交互移动机器人局部自主导航系统设计视觉类库目录实验平台视觉跟踪算法融合视觉自主导航算法设计局部自主导航系统软件开发视频 采集类移动 机器人管理类视觉 目标跟踪行为类软件 实现本章小结第七章结论与展望本文所做的工作今后需要进一步开展的工作一至谢一硕士期间发表论文清单及研究成果参考文献一第一章绪论课题的研究背景和意义第一章绪论二十世纪中期以来，由于计算机技术的飞速发展，机器人技术以其替代人类进行险繁重的工作的卓越价值而成为国际性的研究热点
7、。机器人技术的迅速发展，促使人类社会进入了前所未有的智能时代。在种类繁多的机器人中，移动机器人以其灵活的运动性，环境的适 应性及应用的广泛性成为当前智能机器人领域研究的最大热点之一。人机交互下的移动机器人作为移动机器人发展的一个分支，在一些特定应用领域有着一般移动机器人不可替代的地位。例如在环境检测领域，由于人为事故或恶劣环境的影响，常常会发生高度危险品的泄露污染，如危险化学物质泄漏、核废料污染等，普通环保人员无法接近，使用一般手段无法实施检测。这时就需要一种专门的环境检测移动机器人，代替环保人员进入污染现场实施检测和处理。由于大多数情况下的污染现场都比较复杂，可能在野外恶劣的地形条件下，也可
8、能在充满障碍的建筑物内部，因此这种机器人必须体积较小并主要采用人机交互方式进行控制。但是机器人本身也可以拥有一定的自主能力，在一定情况下辅助操作人员对移动机器人进行控制，从而降低操作人员的工作强度，提高工作效率并保证安全。鉴于移动机器人尤其是人机交互移动机器人技术的重大意义，美国、日本和西欧等发达国家早在上世纪末就竞相斥巨资开发相关技术。其中以美国的移动机器人技术最为先进，也最具代表性。针对国内目前对环境检测移动机器人的迫切需求，东南大学远程测控技术江苏省重点实验室结合教育部重大创新培育基金项目，开始研究开发能够在环境污染现场从事检测、取样、处理和搜救工作的便携式局部自主 环境检测移动机器人系
9、统，目前已取得了较大突破。国内外研究动态移动机器人在危险环境探查和取样、战场侦察、城市救灾等领域具有广泛的应用需求，一直是机器人研究领域的研究热点，世界各国特别是美国及欧洲的发达国家已经开发了多种能够在特种场合工作的移动机器人。美国的移动机器人技术最为先进，也最具代表性，其中最为著名的便是享誉世界的“勇气”号和“机遇号火星探测车。年，美国国家航空航天局发射的“勇气”号和“机遇号两部火星探测车登录火星，设计工作寿命 为三个月，行走米。但截止到年月，两部火星车已服役东南大学硕士学位论文近六年，行走多公里，传回了近万 张火星图片，并获得包括在火星上曾经存在液态水在内的四项重大发现。行进途中历经坎坷，
10、曾经陷入一处沙丘中被困个星期后才成功脱离。图 是的火星车的图片。图是美国 实验室年开始研 发的用于消防部门的 【儿 【，它能够代替消防人员深入危险物质泄漏的场所进行检测，避免消防人员直接暴露在情况不明的危险场合。采用具有前后导向轮的履带式结构，携 带的机械能够进行取样、开关阀门等操作。年代初，英国能源部组织来自英国朴次茅斯大学、德国的凯撒斯劳滕大学和比利时的利贝布鲁塞尔大学的移动机器人专家联合设计了一种能够在核污染环境中工作的遥操作机器人如图所示，的功能和性能要求是由法国、意大利等国的核电部门提出，目标是设计一个结构紧凑的、能够进入核辐射等对人体有害的环境中从事多种检测与修复工作的移动机器人，
11、具有条腿，采用长米、宽米、高米的仿生结构，能够水平拖动公斤物体，随身携带公斤负荷。图的火星车图 的图在搜救机器人的短暂历史中，灾难也推动了机器人技术的发展。搜索和营救机器人是当今世界最有意义的机器人应用之一，年日本神户和大阪的大地震促使东京消防局消防科学实验室研究了一系列机器人，其中许多可以用于城市搜索和营救等任务【】。美国“事件以后，移动机器人第一次被带到城市搜索和救援事务中，由来自南佛罗里达大学、福斯特一米勒、公司等单位的机器人研究专家、机器人制造商组成的机器人协助搜索和救援中一已，（）于月日当天就到达了世贸中，废墟，为期天的整个救援任务 中共发现并拯救了多个幸存者，占受害者人数的。到达
12、现场的机器人达到十种，但仅有三种参加了救援任务，分别为、和。图是公司的和机器人照片。而另外几种机器人则由于体积太大而不能运输到现场。事后，许多救援和机器人专家撰写报告和论文分析当前救援机器人在移动机构、感知系统、智能行为、人机交互等方面存在的问题并提出了许多宝贵的建议。由的机器人视觉研究小组为主，联合公司、卡内基梅隆大学机器人研究所和南加州大学机器人研究实验室共同研制的城市感知机器人（），如图所示，可以很灵活的越过障碍和攀爬楼梯。研制机器人的起初想法是用于城市环境的检测，但其独有的特性使其在安全、抢险、救援等方面能够发挥巨大作用，同样可以用于地震后倒塌的建筑物中搜索和救援【儿】【。图 为力非常
13、强，行走速度可达每小时英里，最高负载量可达磅，并可在石堆、泥地及冰面等复杂路面上行走。图是年月日在火星北极着陆的凤凰号火星探测车，它将延 续它的前辈勇气号和机遇号的事业，继续在火星寻找生命的足迹。图排爆机器人图运 输机器人图 凤凰号火星探测车可以看出，国外移动机器人的研究和应用已经具有很好的基础，许多可在多种环境中工作的移动机器人已经进入实用阶段，许多移动机器人的监控和事务规划系统已经成熟。在我国高技术发展研究计划中，自动化领域机器人技术主题于年将人机交互遥操作机器人技术列为关键技术，清华大学、东南大学、哈尔滨工业大学、中科院沈阳自动化所、中科院合肥智能所等于年开始，先后开展了遥操作机器人技术
14、基础与关键技术研究。年开始，一些高校和研究单位在国家 计划的资助下，开始针对消防和环境检测的需要，开展遥操作移动机器人技术的研究，已经取得了一些初步成果【 】【】【】【，上海交通大学等 单位研制了国内首台型消防机器人，北京航空航天大学开发了和排爆机器人，中科院沈阳自动化所研制的“灵蜥危险作业机器人（图所示），中科院沈阳自动化所研制了轮、腿和履带复合型自主式移动机器人】，以及上海航天局领衔研制的中国首辆月球车工程样机（图所示）等等。这些机器人在行走机构、模 块化、机械手等方面各有特色。操纵机大多数机器人人都为功能上内对检点实验系统的第一章绪论目前移动机器人研究中存在的问题目前，移动机器人技 术还
15、很不成熟，移 动机器人的研究仍然存在很多问题。移动机器人的环境感知能力有限，全自主特别是复杂环境下的全自主移动机器人现，人与机器人间的交互技术不受重视。更 为重要的是，目前整个机器人领域还成一套完整的理论和研究方法【。环境感知的局限性由于移动机器人必须依赖于自身的传感器和执行机构与环境进行交互，而目前的传感器和信息获取技术都还具有较大的局限性和不完善性，这就导致了机器人在现实环境中工作时存在许多不确定性和局限性【们，主要表现在：（）测量不精确。每个 传感器仅仅在一定的条件下在其标称的精度范围内是精确的，但是由于移动机器人处于动态变化的环境中，且可能存在各种环境噪声，使得 传感器无法达到理想的精
16、度。（）测量的不可靠。环境的复杂性可能导致传感器有时不能反映环境的真实情况。例如，移动机器人轮子上的编码器可用来测量移动机器人行驶的距离，但实际上测量的是轮子转动的距离。如果发生轮子打滑现象， 则行驶距离和转动距离间的差距可能很大；再如当超声波传感器面向墙角时，可能 发生超声波信号从墙壁的多次发射，这时超声波传感器得到的墙壁距离数值可能比实际的距离大得多。（）不同传感器存在局限性。每种传感器都有自己优点和限制，超声波和红外线传感器有距离限制， 电子指南针需要专门标定以消除地球磁场的影响，全球定位系统（）需要能够同时“看到”最小数目的卫星，惯性传感器存在漂移等等。此外，所有传感器都有一定的分辨率
17、限制，对于不同的应用场合也有所影响。（）数据解释困难。 传感器 获得的仅仅是环境某一特征的近似等价信息，但从这些信息中提取出有效的信息时才可能有用。而这一工作通常是很困难的。事实上，计算机视觉的整个领域都是在研究解释视觉信息的方法。（）现实世界复杂多样。由于 现实世界是动态和无法预知的， 难以用简单、精确的算法或者模型来描述，而要利用现有的机器人感知系统来全面感知和重现现实环境几乎是不可能的。全自主机器人无法实现全自主式智能系统是一个模仿人类智能和行为的高度自治系统。在无人干预的情况下，它能够在复 杂多变的未知环境中主动地执行预定任务；能通过环境感知、决策规划，有目的地产生智能行为，以适应环境
18、、改 变现状，从而达到 预定的目标【。自主式移 动机器人研究就是要研究出具有类人行为和能力的机器人。它能够根据所接受的命令自主地选择合理的移动路径运动到达目的地，并能够自主地完成所要做的工作。它还应该能够适应环境的动态变化，以获得有利的工作方式，或保护自己不受损害。从自主智能系统的定义和特点来看，要实现真正的自主，将面临着三大难题：（） 环境的建模。能够根据感知系统感知所处的环境，自主建立环境模型和进行全局定位。（）任 务规划。能够根：嚣 鲁，卑东南大学硕士学位论文据所要完成的任务，自主地进行任务规划、行 为规划，并控制移动或执行机构自动地执行一系列的动作来完成任务。（）能够对未预知事件做出合
19、理的反 应。然而，移 动机器人通常在不能预知的时间、地点和环境中工作。要实现完全自主，就需要机器人能够解决上述的三大难题。上文 刚刚分析过目前机器人感知系统存在的局限性，而全自主能力获得的前提是机器人必须具备完善的感知能力。上世纪八十年代以来对智能机器人的研究表明：全自主式智能机器人的应用在今后可以预见的时间内是难以达到的，这是因为几项关键性的技术结构、控制、传感和人工智能等领域目前还不能满足发展全自主式智能机器人的需要。因此，研究具有局部自主能力的、通过人机交互方式进行遥操作的局部自主移动机器人将是今后发展的主要方向。局部自主机器人就是具有局部环境感知、局部自主障碍检测和避让、局部自主 导航
20、等能力的机器人，它能够自主地完成操作员规划好的局部任务，而复杂环 境分析、任务规划、全局路径 选择等工作则由操作员完成，通 过操作员与机器人的协同来完成所指定的任务。研究局部自主移动机器人的意义在于可由人去实现机器人在非确定环境中难以做到的规划和决策，而由机器人去完成人难以到达的危险环境中的作业任务。人与机器人的交互技术不受重视过去的研究大多集中于构建内建的自主系统而排除了人的干预，而实际上许多场合下需要使用高度柔性的机器人系统来适应不确定的环境才能完成要求的任务。但是，大多数机器人都是用来完成特定工作的，这就限制了它们的能力在非结构化和变化的环境中的发挥。在 这些情况下，人机交互接口在机器人
21、的操作中就具有重要的作用，通过人和机器人的交互技术可以使人与机器人各自的能力进行优势互补。机器人可以长时间工作但缺乏灵活性，而人具有很强的灵活性却不能长时间工作，因此人与机器人的协作被看成解决未来机器人工业应用的有效途型博。近年来，移动 机器人已经应用于环境检测、医 疗和空间探索等领域，它不像工业机器人工作在己知环境下，不断重复事先设计好的程序。移动机器人必须工作在变化的环境中，其工作条件可能在短时间内快速变化。尽管有关自主系统和人工智能的研究已经多年，自主移动机器人在未知环境中从事复杂工作时依然遇到许多困难。要使得机器人自主能力越强，对机器人从事的工作的专业性和工作环境的了解程度要求就越高。
22、这样的限制导致机器人在处理不同的场景和任务时缺乏灵活。而在有些情况下，即使机器人具有复杂的自主行为能力，机器人仍然不能在非结构化的环境中完全自主地执行简单任务【 】【。因此，人已经变成机器人从事复杂工作时用于监督机器人的基本条件。当机器人面临它不能自主处理的场景时，人与机器人的协作将提供一种可行的办法，由人监督机器人工作并为它提供支持。如图所示为美国公司研制的人机交互移动机器人。第一章绪论图美国公司研制的人机交互移动机器人人和机器人协作系统需要一个鲁棒的人一机器人接口，以便提供人和机器人系统在所有层次的交互通道。人一机器人接口必须允许用户规划、监视和监督机器人，从而可以实现工作目标。然而， 为
23、了实现鲁棒的自适应的人一机器人接口，系统需要理解来自用户命令接口和事务规划器的用户命令，以便为机器人选择最合适的智能行为去实现事务目标。一相关的理论和方法不成熟局部自主移动机器人是一个融合多学科知识的复杂大系统。系统的行走机构要求具有足够的环境适应性，能够在多种地形的环境下行驶；要求车载机械手必须具有足够的灵活性和一定的负荷能力；还要求它具有局部的自主能力，如在具有障碍的环境中自主躲避障碍并运动到达指定地点。这些能力的取得需要机械设计、电子技术、通信技术、自动控制技术、计算机技术、人工智能技 术、信号 处理技术、 图像处理等多方面的知识。尽管机器人的研究已经取得很多突破和进展，工业机器人更是进
24、入广泛的实用阶段，部分专用的移 动机器人也已经取得重大进展和实用实例。但总体来说，移动机器人 技术目前仍然处于研究和探索阶段，尤其是在这样一个具有广阔应用前景和重大社会意义的研究领域， 还未出现完整的指导理论和研究方法。移动机器人的系统体系结构仍然处于发展阶段，常常是根据实际应用的需要， 对现存的体系结构进行修改或者添加，以便满足新的应用需要，而没有形成一个统一的理论指导。系统采用的技术更是多种多样，这主要源于环境的复杂性和基于的一些学科的基础理论如人工智能技术等一直处于发展阶段，距实 用阶段还有很长的距离。更为重要的是，作为移动机器人这样一个复杂的大系统，尽管需要一个工程化的设计方法来管理整
25、个研究工作，但是由于目前整个机器人研究领域尚处于研究探索阶段，不可能出现一个管理工具来指导和管理移动机器人的研究和开发工作，没有用于描述系统功能的形式化的描述手段或者工具，没有统一、形式化的描述系统体系结构的方法和工具，没有形式化的描述系统实现技术和开发方法的技术和工具，更没有一个控制机器人系统的复杂性、保 证工程质量的方法。所以，各个研究机构都是基于其它领域的研究方法或者手段来进行研究和开发的。第二章人机交互移动机器人系统研究第二章人机交互移动机器人系统研究。人机交互移动机器人系统的需求分析一人机交互下的移动机器人作为移动机器人发展的一个分支，在一些特定应用领域有着一般移动机器人不可替代的地
26、位。例如在环境检测领域，由于人为事故或恶劣环境的影响，常常会发生高度危险品的泄露污染，如危险化学物质泄漏、核废料污染等，普通环保人员无法接近，使用一般手段无法实施检测。这时就需要一种专门的环境检测移动机器人，代替环保人员进入污染现场实施检测和处理。由于大多数情况下的污染现场都比较复杂，可能在野外恶劣的地形条件下，也可能在充满障碍的建筑物内部，因此这种机器人必须体积较小并主要采用人机交互方式进行控制。本文以环境检测机器人为例，分析人机交互移动机器人的功能需求。环境检测机器人是工作在人机交互方式下的在发生化学物质泄露等环境污染的场合代替人从事环境检测、搜救工作的移动机器人。分析表明，环境检测机器人
27、必须具有以下功能：（）移动：能 够在平地、碎石、沙土和草地等常见路面上平稳行驶，能够顺利穿越有障碍物的街道，上下楼梯；能跨越一定宽度的沟道或坑洼；能够在操作员的控制下穿越管道等狭窄的空间。 （）尺寸：车体体积和重量都不能过大，便于携带。（）感知：自身必须装有常规的传感器、 摄像头 以及相关检测设备等对未知环境的或工作场合的地形、 环境、污染源的分布状况等进行探测。（）无线通信：能在方圆公里左右范 围内的城市环境和方圆公里左右的野外 环境中实时可靠地传输视频信号及机器人测得的现场数据，能实时可靠地接收操作员端的控制信号。（）操作员控制器：必须具有一台携带方便、 临场 感好的操作员控制器。（）动力
28、：环境检测机器人从进入工作现场到离开，必须依靠自身携带的电池供电。所携带的电池要求能够维持移动机器人进入、工作并安全离开工作现场。（）自身防护：能够在潮湿、高低温、具有化学泄漏及污染等恶劣环境中可靠工作，工作后要便于清洗和消毒。（）仪器舱：环境检测机器人的仪器舱必须能灵活更换，以便操作员能够根据污染现场的具体情况随时更换机器人上所携带的环境检测仪器。根据上述要求，环境检测机器人的配置一般包括移动平台、感知系统、车载机械手、电子系统、无 线通信系统、 电池和操作员控制器等主要部分。人的现状及用两个差动驱动器驱动，通 过分别控制机器人两侧轮子的方向和速度来控制移动机器人的运动，可实现原地旋转。轮上
29、采用履带式结构，可以帮助移动机器人在碎石、沙土等路面上行走。如图所示，车体前端底盘的两侧各安装有一个可以度全方位转动的前导臂，通过前导臂的转动支撑可以帮助移动机器人翻越障碍和攀爬楼梯。车体前部上方设有一个多自由度机械手，可以在工作现场进行采样和简单处理。车体上方还放置仪器舱，用于搭载专用的环境检测仪器。这样的移动平台能够基本满足环境检测机器人的设计要求，在这个性能优异的移动平台上面灵活地安装各种电子设备和仪器，就可以满足不同工作场合的具体需求。履（）侧视图 （）顶视图旌， 而图环境检测机器人移动平台示意图图车体前导臂全方位转动示意图， 多专慧三一第二章人机交互移动机器人系统研究为了使环境检测机
30、器人能够在工作现场进行取样及简单处理，环境检测机器人必须配备一个机械手臂，用于抓取物体或利用机械手臂上方的摄像头近距离地观察物体。如图和图分别是车载机械手臂手部及臂部示意图，它由底座、手部、大小臂以及安装在手臂上方的摄像头组成，手部可以根据任务性质快速灵活更换。图机械手手部结构示意图图机械手手部结构示意图运动建模运动控制就是控制机器人运动到指定的目标位置和方向，因此，它首先必须能够进行自主定位，然后按照一定的导航策略更新输出到驱动器的控制量，控制量为前进速度和转动角速度。下面我们导出机器人的前进 速度和转向速度的测量计算公式。假设：机器人车体的前进速度为，转向速度为，机器人车体左、右侧驱动轮的
31、直径为，左侧车轮的前 进速度为，右侧车轮的前进速度为，左侧车轮的转动角速度为，右侧车轮的转动角速度为，则 左右轮的驱动速度可以用式 计算。（）吃图为机器人运动示意图，图中为机器人从点行驶到点的距离，为转向角度。假定机器人两侧轮子的驱动速度不一样，且左右轮子都以匀速驱动，则机器人将以圆形轨迹运动，可以推导出式所示的机器人前进速度和转向速度的计算公式。图机器人运动示意图东南大学硕士学位论文址式中一为车体的宽度，机器人从点到点的时间用表示，距离和转向角度的计算公式如下式所示。，：堂：舻面厂一矿：竺硅堡将式（）中的和的计算公式代入式（）得：（）则机器人前进的（），：堕垃型 龇三乞（）、厶：坐丝 一南（）亏（吼）。）三孚（）”【，。、肾毒即 讹尬（）飞鲰南，第二章人机交互移动机器人系统研究（）将公式（）代入公式（）可得在时间内机器人的 转向角度和前进距离：电子硬件系统设计电子硬件系统总体设计（）基本原则移动机器人电子硬件系统设计的基本原则是：（）模块化：由于移动机器人功能的复杂性，为了提高系 统的可靠性和增强系统的扩展性能，电子系统采用模块化的结
