1、 本科毕业设计（论文）题目：（中文）基于向量场直方图的移动机器人避障方法研究（英文）STUDY OF OBSTACLE AVOIDANCE FOR THE MOBILE ROBOT BASED ON VECTOR FIELD HISTOGRAM诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文基于向量场直方图的移动机器人避障方法研究均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。承诺人（签名）： 年 月 日基于向量场直方图的移动机器人避障方法研究摘 要【摘要】移动机器人广泛应用于工业生产加工制造中，尤其在危险和恶劣的环境中可以用机器人代替人工操作减
2、少损失。避障技术在移动机器人的发展中起着至关重要的作用，避障方法有很多种，本文是基于向量场直方图的移动机器人避障方法。由于传统的向量场直方图法在给定值太大或太小时都无法安全避障，本文在此基础上，利用激光测距仪所或得的数据首先确定一个可以安全行驶的范围，然后通过算法自动的改变给定值的大小，最终选择最优给定值，通过差分驱动控制使机器人安全避障。并在 Robotic Studio 仿真系统中建立场景和编程来实现。【关键词】移动机器人；激光测距仪；向量场直方图 ；差分驱动；避障STUDY OF OBSTACLE AVOIDANCE FOR THE MOBILE ROBOT BASED ON VECTO
3、R FIELD HISTOGRAMAbstract【ABSTRACT】Mobile robots are widely used in industrial production and manufacturing，especially in dangerous and harsh environments they can replace manual operations to reduce losses. Obstacle avoidance technology plays a vital role in the development of mobile robot , There
4、are many ways about obstacle avoidance, this article is the obstacle avoidance method for mobile robot based on the vector field histogram.If the given value is too large or too small the robot can not go through obstacles safely using traditional vector field histogram method. Basing on the VFH, fi
5、rstly ,determining a range of safe driving use the data from laser range finders.Then changing the given value automatically and choosing the optimal value , finally using the differential drive control method make the robot avoid obstacles successfully.And make it come ture in the Robotic Studio si
6、mulated system.【KEYWORDS】mobile robot；LRF；VFH ; differential drive; obstacle avoidance 目 录摘 要 .2Abstract.31 概论 .51.1 课题的目的和意义 .51.2 课题的主要研究内容 .52 移动机器人避障的基本原理 .621 激光测距仪 LMS 200 基本工作原理 .62.2 向量场直方图法 .72.3 差分驱动法 .92.4 Microsoft Robotics Developer Studio .103 基于 VFH 的避障算法 .113.1 算法流程图 .113.2 求机器人可以安全通
7、过的所有范围 .113.3 移动机器人角速度和线速度 .133.3.1 确定给定值的原则 .133.3.3 角速度控制 .153.3.4 线速度控制 .15基于向量场直方图的移动机器人避障方法研究3.4 差分驱动控制 .164 仿真实现 .174.1 创建场景 .1742 编写仿真程序 .224.2.1 新建 DSS 项目 .224.2.2 获取 LRF 数据 .234.2.3 在窗口和 txt 文本中显示 .254.2.4 控制算法 .264.3 运行仿真程序 .285 结论 .31参考文献 .32致谢 .341 概论1.1 课题的目的和意义 移动机器人是美国和苏联在 60 年代后期，为了探
8、测月球表面，开发成功的。通过在地面的控制，利用美国“ 探测者”3 号成功实施了在月球上挖沟的计划并完成了其它的任务。苏联的“登月者”20 号在月球表面成功着陆，控制相关设备在在月球表面钻削岩石，并把岩石样品装进设备带回实验室。日本早稻田大学于 70 年代初期开发出和人类相似的两足行走机器人。随着原子能利用和海洋开发的发展，极限作业机器人和水下机器人也得到了迅速发展。在人们的日常生活中，机器人也开始得到使用并引起人们的高度关注。尤其在危险、恶劣的环境中可以用机器人代替人工操作而减少人力和物力资源损失。避障在移动机器人的发展中起着举足轻重的作用。由于传感器所获得的数据的安全性、连续性、可靠性等不是
9、太完美，并且移动机器人对周围的环境感知能力不理想。因此怎样才能够使得机器人安全的避过障碍物而到达指定目的地越来越引起人们的关注。现在有很多移动机器人的避障法，比如势场法、边沿检测法等。 1.2 课题的主要研究内容本课题的主要任务与目标是在 Robotic Studio 仿真系统中建立差分驱动轮式移动机器人的仿真环境，根据激光测距仪的障碍物距离信息，使用向量场直方图法（VFH）设计合适的机器人避障方法，使移动机器人能够无碰撞地通过障碍区。主要任务和目标：1、学习和了解 Robotic Studio 仿真系统，掌握建立机器人仿真环境和编程控制机器人的基本方法； 2、学习和了解差分驱动轮式移动机器人
10、的基本运动控制方式； 3、学习和了解激光传感器的工作原理和方式，能够根据激光数据获取周边障碍物的距离信息； 4、学习和掌握向量场直方图法（VFH） ，设计合理的避障控制算法； 5、根据激光传感器检测到的距离信息，在仿真系统中编程实现移动机器人无碰撞地通过障碍区2 移动机器人避障的基本原理21 激光测距仪 LMS 200 基本工作原理LMS200 实物如图 2-1，它采用红外线激光光束，优点是不需要接触被测量物体的表面并且物体的形状和颜色都没有要求，不需要反射片或是另一接收器而可以直接接收反射回来的信号。它的最小测量距离是 0m，最大测量距离是 80 m ，有 100和 180两种角度范围模式可
11、供选择，长度误差小于 10 mm ，角度误差小于 0. 5。障碍物的尺寸、形状能够被迅速获得，这些对于生成环境地图和机器人定位都是非常有利的。图 2-1 LMS 200 实物基于向量场直方图的移动机器人避障方法研究LMS200 激光测距仪测距原理如图 2-2 所示，它 是基于飞时测量原理（激光雷达）工作的。在激光传感器工作的范围内，发射一个激光脉冲并且被物体的表面反射回来，通过这个激光脉冲从发射出去到接受之后所消耗的时间来计算物体和 LMS 之间的距离。（2-1）=/2LctL:物体与传感器间的距离；c：光速;t: 激光脉冲往返的时间获得从物体表面反射回来的激光脉冲后，激光脉冲经过一个旋转的镜
12、子进行反射，形成了一个100或是 180的扇形区域图 2-2 LMS 工作原理2.2 向量场直方图法向量场直方图法（vector field histogram,VFH）是由 Borenstein 和 Koren 一起创造出来的，向量场直方图法的关键是在传感器的周围建立一个图形，这样可以避免由于传感器所获得数据暂时延迟而或丢失可能导致的错误。任意时刻创建的图形都是一个划分的栅格，只有在传感器扫描范围内的数据才会在栅格内从而取代已有的旧数据。为了能够有效避开障碍物，它形成了一个极坐标图，其中 x 轴代表行走的方向与障碍物所构成的角度，y 轴是根据占有栅格的多少来计算障碍物就在运动方向的概率，如图
13、 2-3 所示。如图 2-3 极坐标图利用此极坐标图可以计算出机器人的行走方向。首先确定出移动机器人可以安全避开障碍物所有路径范围，再在这些范围内选择损耗最低的路径，即最优路径。损耗函数 L 可以表示为：(2-2)k+u+wtarhelbefL其中， 表示目的角度；tar表示轮子角度；whel表示原来角度bfk、u、w 为比例系数，损耗最小的就是最优路径，调整这些系数可以改变移动机器人的避障效果。其中向量场直方图法存在某些缺陷，在不同的环境下，对于同一个给定值可能使得机器人无法安全避开障碍物，给定值太大或是太小都会出现错误。当给定值太大时移动机器人有时无法发现障碍物而最终与障碍物发生撞击，如图 2-4 所示。当给定值太小时移动机器人有时会丢弃可以安全通过的路径而最终进入死角，如图 2-5 所示。基于向量场直方图的移动机器人避障方法研究图 2-4 给定值太小发生错误
