1、1本科毕业设计（论文）题目：（中文）室内巡视机器人设计和仿真实现（英文）Indoor patrol robot design and simulation 室内巡视机器人设计和仿真实现2诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文室内巡视机器人设计和仿真实现均系本人独立完成，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 日宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）3室内巡视机器人设计和仿真实现【摘要】巡视机器人是一个集环境感知、路线规划、动态决策、行为控制等功能集于一体的综合系统，采用巡视机器人进行定点监控巡视或不间断自动巡视将
2、是目前一种可行的解决方案。将机器人用于巡视工作，具有广阔的应用前景。本文以自主移动机器人为平台，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进行巡视仿真环境，通过获取激光数据和摄像头数据来完成路径规划，避障和实时监控，设计手动控制界面来手动控制机器人进行巡视。【关键词】移动机器人；路径规划；避障；巡视；仿真；【Abstract】With the constantly expanding the size and number of social and economic development, supermarkets, airports, rail
3、way stations, exhibition centers and logistics warehouses and other large-scale flow of passengers and places, large and medium-sized cities of high-level, high-end commercial buildings, an increasing number, the automation needs of the increasingly urgent. The patrol robot is a set of environmental
4、 perception, route planning, dynamic decision-making, behavior control functions into one integrated system, patrol robot sentinel surveillance visits or continuous automatic inspection will be a viable solution. The robot for the inspection work has broad application prospects.In this paper, the au
5、tonomous mobile robot platform, the main task and goal differential drive wheeled mobile robots in the Robotic Studio simulation system to conduct an inspection of the simulation environment, by acquiring laser data and camera data path planning, obstacle avoidance and real-time monitoring design ma
6、nual control interface to manually control the robot to conduct an inspection.【Key words】Mobile Robot；Path Planning ；Obstacle Avoidance；Inspections；Simulation；室内巡视机器人设计和仿真实现4目录1 绪论 .11.1 引言 .11.2 移动机器人的研究内容及发展趋势 .11.2.1 移动机器人的国内外研究现状 .11.2.2 移动机器人的发展趋势 .21.3 论文的主要内容 .22 室内巡视机器人设计的总体方案 .32.1 研究任务 .32
7、.2 仿真机器人的组成 .32.2.1 激光传感器 .32.2.2 摄像头 .32.2.3 差分驱动轮 .42.3 室内巡视机器人的开发环境 .52.3.1 仿真环境 MICROSOFT ROBOTICS DEVELOPER STUDIO 2008 R3 .52.3.2 编程环境 VISUAL STUDIO 2008 .62.4 仿真机器人的总体巡视方案 .62.4.1 总体巡视方案 .62.4.2 传感器数据接口 .62.4.3 避障 .62.4.4 路径规划 .72.4.5 实时监控 .72.4.6 手动控制 .73 仿真机器人巡视算法及实现 .83.1 仿真环境建立及编程调试 .83.1
8、.1 仿真环境建立 .83.1.2 控制程序的编写 .83.2 避障 .103.2.1 获取激光数据 .103.2.2 避障的实现 .113.2.3 避障程序 .123.3 路径规划 .143.3.1 机器人沿墙巡视的设计 .153.3.2 最小二乘原理 .153.3.3 直线拟合 .163.3.4 机器人沿墙走巡视的设计 .163.3.5 机器人沿墙走巡视的实现 .183.3.6 机器人沿墙走巡视的特殊情况 .203.4 实时监控 .203.4.1 获取摄像头数据 .203.4.2 图像显示及刷新 .22宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）53.5 手动控制器的设计 .243.5.
9、1 手动操作面板控制原理 .253.5.2 手动操作面板控制的功能 .253.5.3 手动控制器的实现 .264 实验结果 .284.1 数据输出程序 .284.2 数据分析 .284.2.1 避障时数据分析 .284.2.2 沿墙走时数据分析 .294.3 总结 .315 总结与展望 .325.1 本文总结 .325.2 展望 .32参考文献 .33致谢 .35宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）3 1 绪论1.1 引言21 世纪，随着经济，科技，社会不断向前进步和发展，我们生活中的各种各样的的人流以及物流的集散场所不断的增加，其数量与规模是以往所不能比拟的，例如仓库、车站，大型购
10、物中心，高级写字楼、会议中心以及飞机场等等。正是由于这些人流，物流集散场所在数量和规模上的不断增加，随之而来的是这些场所中各种设备、装置的自动化需求也越来越高。然而巡视机器人，它是一个集环境感知、路线规划、动态决策、行为控制等功能集于一体的综合系统，采用巡视机器人进行定点监控巡视或不间断自动巡视将是目前一种可行的解决方案。将机器人用于巡视工作，具有广阔的应用前景，近年来已受到国内外的重视，成为服务机器人的一个新研究方向。本文主要综述室内巡视机器人设计的相关问题，并进行问题分析及提出相关的解决方案。1.2 移动机器人的研究内容及发展趋势1.2.1 移动机器人的国内外研究现状国外移动机器人的研究开
11、展较早，斯坦福研究院从 1966 年开始并用了 6 年时间研制出了“Shakey”的移动机器人。目前研究的方向主要是人工智能技术，即在复杂环境下机器人能够进行自主推理、规划和控制，并且它还安装有视觉、距离和碰撞等传感器，可以通过计算机对采集的图像进行处理和任务规划等功能。70 年代，美国加州理工大学研制的移动机器人和法国 LAAS 的机器人和人工智能研究小组开发的 Hiare 移动机器人，是当时移动机器人研究领域的代表之作。80 年代，美国国防高级研究计划局揭开了世界范围内全面研究移动机器人的序幕。其代表是 MIT 研发的 Wheelesley 机器人。90 年代，移动机器人进入更高层次的研究
12、领域，其研究的主要内容在于研发出高水平的环境信息传感器、信息处理技术、高适应性的移动机器人控制技术和真实环境下的规划技术等。美国 Probotics公司 1999 年生产了 Cye 小型家用移动机器人，它采用双轮差动驱动方式，可以自主的进行相应的工作。国内移动机器人的研究起步较晚，但通过对国外机器人平台的引进和自主开发，现已取得很大进展。很多高校和研究机构对移动机器人各方面的功能展开了广泛的研究。宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）21.2.2 移动机器人的发展趋势虽然，在目前欧美一些国家和日本在移动机器人研究领域取得很大的进步，并领先于其他国家，但是其相应的成本也是相当高昂的。因此
13、结台我国的基本国情，且考虑到移动机器人的市场等相关因素，我们必须在以下几个方面上进行努力： (1)必须降低成本，研发出能够满足不同功能需求的相关系列产品。 (2 移动机器人未来的发展方向是智能化和自主式。 (3)保证移动机器人能够正常巡视并正确的呈现出当前环境的具体状况。 (4)必要时我们可以通过人机结台，运用无线通信技术和因特网技术对移动机器人系统进行控制，来处理一些突发、紧急情况，保证移动机器人的正常工作。1.3 论文的主要内容本论文的主要内容是在 Robotic Studio 仿真系统中建立差分驱动轮式机器人的室内巡视仿真环境，通过编写程序对激光传感器数据的采集和处理，规划机器人的运动路
14、径及避障，使其能够自主巡视，再将摄像头采集到的图像显示出来，进行实时监控，然后在设计一个手动控制功能，即手动控制机器人进行巡视。课题的主要工作如下：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的基本运动控制方式；本文中我们要求机器人完成的动作都是在改变机器人左右轮子的速度来实现的，所以我们的重点是掌握机器人左右轮速度的控制上。3.通过编程实现机器人沿墙进行自主巡视及实时监控；其中涉及到机器人移动的路径规划，避障，摄像头数据获取，图像显示，图像实时刷新等问题。4. 通过编程来实现对机器人进行手动控制
15、进行巡视；虽然自动巡视具有很多的优点，如方便，快捷，自主等，但是也有些不足，比如操作不灵活，功能单一等。为此我们专门引入了手动控制器来增加操作的灵活性和多样化的功能。5.在 Robotic Studio 仿真系统中编程实现机器人在室内进行巡视。机器人能够沿着墙壁进行自动巡视，实时监控，躲避障碍物，还要能够进行手动控制，是机器人进行手动巡视。宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）3 2 室内巡视机器人设计的总体方案 2.1 研究任务本文的研究任务主要为机器人的自动巡视和手动控制巡视两部分，其中包括路径规划，避障，实时图像显示等内容。寻找一种合理，有效，方便，成熟的方法来到达我们所要求的设
16、计要求，是机器人在室内的巡视效果到达最佳。2.2 仿真机器人的组成本次研究中所使用的仿真机器人是采用轮式结构，由 2 个驱动轮和一个辅助轮组成，此外还安装有激光传感器，摄像头。2.2.1 激光传感器本文中所用的仿真激光传感器是按照德国 SICK 公司生产的 LMS200 设计的，它的扫描范围最大可以到达 8m，扫描角度为 180，而将这个 180的半圆分成 0360 共 361 份，其角度分辨率为 0.5一份。如图 2.1 所示。图 2.1 激光传感器扫描范围示意图2.2.2 摄像头本文中所用的仿真摄像头是按照日本 SANYO 公司生产的 CCD 设计的，它主要将机器人在室内巡视时所到的地方的
17、图像显示在窗口中，便于我们观察，有利于我们对室内的一切状况进行实时的监控。一旦遇到什么情况，我们可以第一时间知道并及时的做出相应的正确的反应。宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文）42.2.3 差分驱动轮本次研究中所使用的仿真机器人是采用轮式结构，由 2 个驱动轮和一个辅助轮组成。因此机器人所能完成的动作主要通过对仿真机器人左右轮的不同控制来实现的，现在我们分别设仿真机器人的左轮子的速度为 ，右轮子的速度为 ， 如图 2.2 所示。1vrv图 2.2 机器人平面图接下来，我们对二轮差分轮式移动机器人进行相关的分析，现在分别设仿真机器人的左轮子的速度为 ，右轮子的速度为 。1vrv图2.3 机器人位置和姿势示意图
