基于ROS的移动机器人路径规划研究
这是一篇关于移动机器人,机器人操作系统,软硬件设计,Dijkstra算法,路径规划的论文, 主要内容为21世纪以来,伴随着人工智能技术的发展、工业自动化的快速推进,智能移动机器人在智能生产、智慧城市、智能服务以及科学研究等领域扮演着举足轻重的角色。但随着机器人技术的飞速发展,新的机器人定位与建图技术、路径规划算法的进步以及不同的使用需求、不同的应用场景,对移动机器人平台提出了更专业、更细致的要求。本文根据实际应用场景的要求,基于机器人操作系统(ROS)设计了一款四驱麦克纳姆轮全向移动机器人,实现了改进Dijkstra全局路径规划算法与移动机器人相结合,开展了复杂环境下开展定位建图、路径规划、自主导航等试验,证明了改进路径规划算法的有效性以及移动机器人平台的稳定性。本文开展了移动机器人系统分析以及硬件设计工作。首先分析了移动机器人坐标系和世界坐标系位置关系,建立了机器人运动学模型。其次,根据机器人总体设计原则以及技术要求,设计了机器人总体方案,完成了机器人本体设计任务。进而,根据机器人控制系统总体设计要求,完成了机器人上、下位机控制器硬件选型、电路设计、直流电机驱动设计等工作。最后,设计了机器人激光雷达、双目相机等传感器信息采集系统。本文完成了基于ROS的移动机器人软件设计工作。本文采用英伟达Jetson nano作为机器人上位机控制器,STM32系列单片机作为下位机控制器,并基于机器人操作系统开展了机器人控制系统软件设计。根据机器人控制系统程序设计总体要求,完成了机器人控制器程序设计任务分配、直流电机驱动设计、控制器通信模块程序设计以及机器人远程控制等任务。最后,为了使移动机器人平台具备更好的工作环境适用性,在ROS中设计了多种定位建图算法,根据机器人硬件性能调用最理想的定位建图算法,从而极大地拓宽了机器人的适用场景,有效提高了机器人整体性能。在路径规划算法方面,本文针对传统Dijkstra全局路径规划算法搜索节点较多、搜索时间较长、转折点多等不足之处,开展了改进Dijkstra全局路径规划算法研究工作。本文提出筛选原始路径中的关键节点优化算法,有效减少了路径中的冗余节点、缩短了路径长度以及转折点数。同时,针对筛选关键路径点所生成的路径依然存在转折角较大和路径不平滑等问题,本文进而提出高阶贝塞尔曲线平滑路径的优化方法,最终规划出一条最优平滑路径。为了验证改进Dijkstra算法的有效性以及优越性,本文进而开展了改进Dijkstra算法仿真试验,完成了改进Dijkstra算法与Dijkstra算法、A*算法仿真实验对比,验证了改进Dijkstra算法在路径节点、路径长度以及转折角等方面有显著的优化效果,是一种可靠的、高效的全局路径规划方法。最后,以所设计的移动机器人平台为基础,将改进的Dijkstra全局路径规划算法与动态窗口法相结合,开展了多环境下路径规划与自主导航试验,验证了改进Dijkstra算法的可行性以及本文所设计的移动机器人平台的可靠性、稳定性。
基于ROS的果园遥控割草机器人设计与试验
这是一篇关于果园割草,电驱动,机器人操作系统,遥控系统,增强现实的论文, 主要内容为近年来,果树种植业在我国飞速发展,本文结合当前标准化果园内机械化,智能化割草作业装备的需求,设计了一种由避障割草作业模块和履带式电动平台组成的果园遥控割草机器人。该机器人采用电驱动,环保清洁。作业模块与电动平台之间可通过电动三点悬挂系统快速挂接。设计了基于ROS的整机控制系统,还有远程遥控系统,操作者可通过摇杆与车前摄像头画面对机器人进行遥控,降低劳动强度,保护操作者身心健康。最后,测试分析了该机器人的作业效果。本文的主要研究内容及结果如下:(1)避障割草作业模块设计。根据自动化果园割草作业需求,制定了避障割草模块的设计方案:该模块由电动平台牵引,采用标准三点悬挂挂接和电机驱动,具备同时进行果园行间割草与株间避障割草的功能,并对其中关键部件进行了设计与选型。(2)履带式电动平台设计。制定了履带式电动平台的设计方案:该平台由动力电池进行供电,双电机驱动,可通过WIFI网络进行远程遥控。设计了平台上搭载的电动三点悬挂系统,可挂接上述割草作业模块进行果园割草作业。(3)整机控制系统与远程遥控系统设计。设计了割草机器人的整机控制系统与远程遥控系统。整机控制系统基于ROS机器人操作系统进行搭建,设计了网络通讯,电池管理及定位信息采集,电机驱动与电路控制程序,在电动平台搭载的工控机上运行。远程遥控系统基于QT搭建,使用飞行摇杆发出操作指令,遥控界面可显示机器人车前画面等信息,并针对果园行驶条件复杂,遥控难度大的问题,设计了基于增强现实的轨迹引导方案。(4)样机遥控操作与割草作业试验。使用实机进行了割草机器人的遥控操作试验和果园割草作业试验,测试控制与遥控系统的可靠性和避障割草作业效果。试验结果表明,遥控操作下,机器人行驶机构与提升机构稳定安全,轨迹引导方案较为可靠,果园割草作业效果能够达到设计指标。
基于知识图谱的ROS功能包推荐方法研究
这是一篇关于机器人操作系统,知识图谱,ROS功能包,推荐的论文, 主要内容为机器人操作系统(Robot Operating System,简称ROS)是支持机器人应用开发的软件开发框架。开发者可以通过重用ROS提供的一组功能包,编写出机器人应用的程序代码,进而提高软件开发的效率和质量。ROS功能包形式多样、功能相近、数量众多,截止目前,已经有2,415个仓库,6,872个功能包,并且还在不断更新。开发者在重用ROS功能包进行程序编写时,常常面临着不知重用哪个ROS功能包的实际问题。解决该问题的现有方法是通过搜索引擎进行查找,但是该方法的缺点是搜索结果通常是ROS功能包的相关链接,而非对ROS功能包的直接推荐,且该方法的准确度不高,常常搜寻不出开发者所需的ROS功能包,因而很难满足程序员的开发需求。为了应对上述挑战,本文利用ROS官方社区(ROS Wiki、ROS Index等)中的ROS功能包数据,开展了基于知识图谱的ROS功能包推荐方法研究。论文的主要研究成果及贡献如下:(1)提出了面向ROS领域本体的构建方法,构建了ROS功能包知识图谱的模式层。基于模式层的架构进行了数据层的构建,通过搭建爬虫框架获取ROS功能包相关数据,针对ROS功能包描述文本,利用基于规则的分块技术提取了ROS功能包的功能和类别,基于启发式规则提取了ROS功能包的领域特征,整合ROS功能包相关知识,构建了ROS功能包的知识图谱ROSKG,其中包含25,484个实体,62,854条关系。(2)基于ROSKG,提出了基于特征相似度的ROS功能包推荐方法和基于子图匹配的ROS功能包推荐方法,设计了相应的实现算法,开发了ROS功能包推荐工具ROSPR,支持面向特定任务的ROS功能包推荐。(3)通过人工评估的方式检验了ROSKG内部知识的质量,结果表明,ROSKG内部知识具有较高的准确率,均在73%以上。为了检验基于知识图谱的ROS功能包推荐算法的准确性,本文设计实验来为给定开发任务推荐合适的ROS功能包,结果表明基于ROSKG的ROS功能包推荐方法可辅助软件开发人员找到合适的ROS功能包,相较于基准方法,两种算法的ROS功能包推荐准确率分别提高了5.7%和7.4%,平均完成任务时间提升了52.0%和47.9%。
基于知识图谱的ROS功能包推荐方法研究
这是一篇关于机器人操作系统,知识图谱,ROS功能包,推荐的论文, 主要内容为机器人操作系统(Robot Operating System,简称ROS)是支持机器人应用开发的软件开发框架。开发者可以通过重用ROS提供的一组功能包,编写出机器人应用的程序代码,进而提高软件开发的效率和质量。ROS功能包形式多样、功能相近、数量众多,截止目前,已经有2,415个仓库,6,872个功能包,并且还在不断更新。开发者在重用ROS功能包进行程序编写时,常常面临着不知重用哪个ROS功能包的实际问题。解决该问题的现有方法是通过搜索引擎进行查找,但是该方法的缺点是搜索结果通常是ROS功能包的相关链接,而非对ROS功能包的直接推荐,且该方法的准确度不高,常常搜寻不出开发者所需的ROS功能包,因而很难满足程序员的开发需求。为了应对上述挑战,本文利用ROS官方社区(ROS Wiki、ROS Index等)中的ROS功能包数据,开展了基于知识图谱的ROS功能包推荐方法研究。论文的主要研究成果及贡献如下:(1)提出了面向ROS领域本体的构建方法,构建了ROS功能包知识图谱的模式层。基于模式层的架构进行了数据层的构建,通过搭建爬虫框架获取ROS功能包相关数据,针对ROS功能包描述文本,利用基于规则的分块技术提取了ROS功能包的功能和类别,基于启发式规则提取了ROS功能包的领域特征,整合ROS功能包相关知识,构建了ROS功能包的知识图谱ROSKG,其中包含25,484个实体,62,854条关系。(2)基于ROSKG,提出了基于特征相似度的ROS功能包推荐方法和基于子图匹配的ROS功能包推荐方法,设计了相应的实现算法,开发了ROS功能包推荐工具ROSPR,支持面向特定任务的ROS功能包推荐。(3)通过人工评估的方式检验了ROSKG内部知识的质量,结果表明,ROSKG内部知识具有较高的准确率,均在73%以上。为了检验基于知识图谱的ROS功能包推荐算法的准确性,本文设计实验来为给定开发任务推荐合适的ROS功能包,结果表明基于ROSKG的ROS功能包推荐方法可辅助软件开发人员找到合适的ROS功能包,相较于基准方法,两种算法的ROS功能包推荐准确率分别提高了5.7%和7.4%,平均完成任务时间提升了52.0%和47.9%。
基于ROS的果园遥控割草机器人设计与试验
这是一篇关于果园割草,电驱动,机器人操作系统,遥控系统,增强现实的论文, 主要内容为近年来,果树种植业在我国飞速发展,本文结合当前标准化果园内机械化,智能化割草作业装备的需求,设计了一种由避障割草作业模块和履带式电动平台组成的果园遥控割草机器人。该机器人采用电驱动,环保清洁。作业模块与电动平台之间可通过电动三点悬挂系统快速挂接。设计了基于ROS的整机控制系统,还有远程遥控系统,操作者可通过摇杆与车前摄像头画面对机器人进行遥控,降低劳动强度,保护操作者身心健康。最后,测试分析了该机器人的作业效果。本文的主要研究内容及结果如下:(1)避障割草作业模块设计。根据自动化果园割草作业需求,制定了避障割草模块的设计方案:该模块由电动平台牵引,采用标准三点悬挂挂接和电机驱动,具备同时进行果园行间割草与株间避障割草的功能,并对其中关键部件进行了设计与选型。(2)履带式电动平台设计。制定了履带式电动平台的设计方案:该平台由动力电池进行供电,双电机驱动,可通过WIFI网络进行远程遥控。设计了平台上搭载的电动三点悬挂系统,可挂接上述割草作业模块进行果园割草作业。(3)整机控制系统与远程遥控系统设计。设计了割草机器人的整机控制系统与远程遥控系统。整机控制系统基于ROS机器人操作系统进行搭建,设计了网络通讯,电池管理及定位信息采集,电机驱动与电路控制程序,在电动平台搭载的工控机上运行。远程遥控系统基于QT搭建,使用飞行摇杆发出操作指令,遥控界面可显示机器人车前画面等信息,并针对果园行驶条件复杂,遥控难度大的问题,设计了基于增强现实的轨迹引导方案。(4)样机遥控操作与割草作业试验。使用实机进行了割草机器人的遥控操作试验和果园割草作业试验,测试控制与遥控系统的可靠性和避障割草作业效果。试验结果表明,遥控操作下,机器人行驶机构与提升机构稳定安全,轨迹引导方案较为可靠,果园割草作业效果能够达到设计指标。
基于ROS的果园遥控割草机器人设计与试验
这是一篇关于果园割草,电驱动,机器人操作系统,遥控系统,增强现实的论文, 主要内容为近年来,果树种植业在我国飞速发展,本文结合当前标准化果园内机械化,智能化割草作业装备的需求,设计了一种由避障割草作业模块和履带式电动平台组成的果园遥控割草机器人。该机器人采用电驱动,环保清洁。作业模块与电动平台之间可通过电动三点悬挂系统快速挂接。设计了基于ROS的整机控制系统,还有远程遥控系统,操作者可通过摇杆与车前摄像头画面对机器人进行遥控,降低劳动强度,保护操作者身心健康。最后,测试分析了该机器人的作业效果。本文的主要研究内容及结果如下:(1)避障割草作业模块设计。根据自动化果园割草作业需求,制定了避障割草模块的设计方案:该模块由电动平台牵引,采用标准三点悬挂挂接和电机驱动,具备同时进行果园行间割草与株间避障割草的功能,并对其中关键部件进行了设计与选型。(2)履带式电动平台设计。制定了履带式电动平台的设计方案:该平台由动力电池进行供电,双电机驱动,可通过WIFI网络进行远程遥控。设计了平台上搭载的电动三点悬挂系统,可挂接上述割草作业模块进行果园割草作业。(3)整机控制系统与远程遥控系统设计。设计了割草机器人的整机控制系统与远程遥控系统。整机控制系统基于ROS机器人操作系统进行搭建,设计了网络通讯,电池管理及定位信息采集,电机驱动与电路控制程序,在电动平台搭载的工控机上运行。远程遥控系统基于QT搭建,使用飞行摇杆发出操作指令,遥控界面可显示机器人车前画面等信息,并针对果园行驶条件复杂,遥控难度大的问题,设计了基于增强现实的轨迹引导方案。(4)样机遥控操作与割草作业试验。使用实机进行了割草机器人的遥控操作试验和果园割草作业试验,测试控制与遥控系统的可靠性和避障割草作业效果。试验结果表明,遥控操作下,机器人行驶机构与提升机构稳定安全,轨迹引导方案较为可靠,果园割草作业效果能够达到设计指标。
基于UWB与激光雷达的室内SLAM系统的设计与实现
这是一篇关于超宽带室内定位,即时定位与建图,非线性滤波器,激光雷达,机器人操作系统的论文, 主要内容为目前,随着人工智能不断向高度发达的方向迈进,移动机器人正成为先进成熟的生产力,在现实生活中承担着重要的作业任务,而接受这些任务的第一步,就是实现即时定位与建图(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)。移动机器人的智能化依赖于传感器感知系统,它不仅可以获取机器人自身状态和外部的环境信息,也可以为机器人自主导航和智能作业提供决策支持。本文根据系统的精度和实时性要求,对基于UWB与激光雷达的室内SLAM系统进行设计,采用低成本的超宽带(Ultra-Wideband,UWB)、磁力计和激光雷达,结合SLAM技术来实现室内高精度的地图构建。针对Gmapping算法对轮式里程计具有很强的依赖性,而轮式里程计由于位置漂移和误差累积等因素导致定位性能较差的问题,本文采用了UWB取代轮式里程计,并结合两段式SLAM算法建立室内小场景地图。其主要工作内容如下:(1)在综合比较扩展卡尔曼滤波器(Extended Kalman Filter,EKF)、粒子滤波器(Particle Filter,PF)和容积卡尔曼滤波器(Cubature Kalman Filter,CKF)三种非线性滤波器后,本文采用了CKF和集中式信息融合算法联合组成的基于TOA测距的定位算法来估计移动小车位置。(2)在已知移动小车位姿的基础上,将激光雷达的观测信息代入CKF得到路标点的位置坐标,并利用泰勒级数展开更新激光雷达的量测方程,之后采用基于概率的占用栅格算法进行建图,由此构成了两段式SLAM算法。(3)最后,在机器人操作系统(Robot Operating System,ROS)中通过实际场景下的SLAM实验,验证所采用的两段式SLAM算法与传统的Gmapping算法相比,在室内小场景建图的精度得到了较大提高。
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