检索结果-南通市图书馆

作者：周睿哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

机械臂的运动学参数标定对提高机械臂的定位精度有着重要意义。由于现有的机械臂运动学参数标定方法所需要的末端执行器如激光跟踪仪、球杆仪以及三坐标测量仪等,有操作复杂、占地空间大、实验效率低以及成本高等缺陷,所以寻找一个操作... 详细信息

机械臂的运动学参数标定对提高机械臂的定位精度有着重要意义。由于现有的机械臂运动学参数标定方法所需要的末端执行器如激光跟踪仪、球杆仪以及三坐标测量仪等,有操作复杂、占地空间大、实验效率低以及成本高等缺陷,所以寻找一个操作简便且实验成本低的机械臂运动学参数标定方法有着重大意义。针对现有的机械臂运动学参数标定方法中所存在的问题,本文提出了一种基于惯性测量单元的机械臂运动学参数标定方法,即将惯性测量单元作为机械臂末端执行器读取末端笛卡尔空间下的加速度数据,通过归一化方程求得机械臂的运动学参数。相比于其它运动学参数标定方法,本文提出的方法操作更简便,效率高,且成本更低廉,随着惯性测量单元的不断更新升级,其精度会更高,由此所标定出的机械臂运动学参数会更加准确,该方法具有很广阔的发展前景。本文首先求解机械臂的雅可比矩阵,然后方程两边求导得到机械臂末端在笛卡尔空间下的加速度与机械臂关节空间下的角度、角速度和角加速度的关系式,并对其进行归一化处理,将所要识别的机械臂运动学参数提出,从而获得机械臂末端的线加速度与机械臂的运动学参数的关系表达式。基于以上理论,本文将UR(Universal Robot)工业机械臂的运动学模型带入上述理论进行推导,从而得到后面仿真实验时所用到的UR机械臂的运动学参数估计算法的推导公式。其次,由于递推最小二乘具有收敛速度快、占用内存小、精度高以及可实时计算等优点,所以本文采用的参数辨识方法为递推最小二乘方法。本文首先介绍了递推最小二乘法的理论原理以及推导公式,然后基于上述理论,推导出对六自由度工业机械臂进行参数辨识的理论公式。最后,在ROS平台下进行UR10机械臂的仿真实验,模拟在真实机械臂运动学参数标定中所能遇到的情况进行探究,并将最后的仿真结果的准确性进行对比分析,从而说明了本课题基于惯性测量单元的机械臂运动学参数辨识研究具有一定的实际应用意义。

关键词：惯性测量单元运动学标定机械臂

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一种基于陀螺进动效应的倒立摆系统研制

一种基于陀螺进动效应的倒立摆系统研制

作者：周龙加哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

倒立摆系统是根据实际研究需要提出的一种模型化的系统，研究者根据对倒立摆的起摆与平衡控制研究成果应用在其它自然不稳定系统领域的控制研究。本课题考察了几种独轮车比较常见的侧平衡控制装置，针对基于质量块的侧平衡控制低效并会... 详细信息

倒立摆系统是根据实际研究需要提出的一种模型化的系统，研究者根据对倒立摆的起摆与平衡控制研究成果应用在其它自然不稳定系统领域的控制研究。本课题考察了几种独轮车比较常见的侧平衡控制装置，针对基于质量块的侧平衡控制低效并会为系统带来波动、基于水平转子的侧平衡装置不能灵活稳定地实现系统侧平衡、垂直转子的平衡装置对电机驱动性能的高要求，并借鉴基于陀螺仪的独轮车平衡机构，提出了一种基于陀螺进动效应的稳定装置，在此基础上设计了一种基于陀螺进动效应的倒立摆系统，并进行稳定平衡能力的研究。本文的研制的基于陀螺进动效应的倒立摆系统结构上主要有陀螺外支架、陀螺内支架、陀螺转子以及底轮四部分组成。陀螺转子由盘式无刷电机驱动，陀螺内支架与陀螺转子组成陀螺体，由直流电机驱动，为陀螺转子提供进动角速度。控制系统的核心部分为基于STM32F103C8T6单片机的控制器，它直接控制电机驱动器、MPU6050传感器信息的采集以及数据通讯模块等。文中提出了一种能实现倒立摆稳定平衡的PID控制方法，它基于系统的动力学模型设计，并利用Lyapunov函数对系统进行了稳定性分析，验证了系统的稳定性与可收敛性。利用Adams与Matlab对基于陀螺进动效应的倒立摆系统进行了三种方法的PID控制仿真，分别是基于系统传递函数的Simulation仿真、基于matlab编程的仿真以及Adams与matlab的联合仿真。通过仿真实验初步验证了PID算法的可行性以及倒立摆系统的可实现稳定平衡，并获得了能实际实验中PID参数的初始值。最后应用GUI编写了一个系统参数实时监测界面，并利用观测到的参数响应曲线调试PID参数，完成倒立摆的稳定平衡实验。

关键词：独轮车侧平衡倒立摆结构陀螺进动效应 PID控制系统稳定

机械臂碰撞检测与响应策略及柔顺控制算法研究

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机械臂碰撞检测与响应策略及柔顺控制算法研究

作者：王彬峦哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

协作型机械臂已逐渐成为研究的热点。人机协作的研究正向能够应对复杂多变的操作环境发展,这对机械臂的安全性提出了很高的要求。为了在保证安全的前提下进行人机协作,机械臂必须具有对外部物理碰撞的感知和响应能力,同时具备对外部作... 详细信息

协作型机械臂已逐渐成为研究的热点。人机协作的研究正向能够应对复杂多变的操作环境发展,这对机械臂的安全性提出了很高的要求。为了在保证安全的前提下进行人机协作,机械臂必须具有对外部物理碰撞的感知和响应能力,同时具备对外部作用力准确识别的功能。目前大部分的研究都是基于力传感器实现对外力的检测,且市场上的轻型协作机械臂大多配备了高性能的扭矩传感器,这使得机械臂的成本大幅上涨。若实现无传感器的外部碰撞检测和外力感知功能,将能够显著降低协作型机械臂的制造成本。目前具有代表性的无传感器碰撞检测算法是基于广义动量扰动观测器的碰撞检测算法,该算法可以对外部扰动力矩进行快速准确地跟踪。本文对该算法进行了仿真分析,并构建了考虑电机惯量及摩擦阻尼得扰动观测算法,实现了利用电机电流命令估计外部扰动力矩的功能。实现了无传感器的机械臂碰撞检测及响应功能。针对机械臂的人机协作功能,本文利用将外部扰动力矩估计值映射至关节空间轨迹命令的思想,通过将扰动力矩估计值映射至关节加速度命令,构建了惯性可调的柔顺控制算法,使控制算法在人机协作过程中呈现出惯性特性,并可通过调整参数,改变惯性大小。本文还通过将扰动力矩估计值映射至关节速度命令的方法,构建了阻抗可调的柔顺控制算法,在人机协作时,柔顺控制算法呈现出阻抗特性,并可通过调节算法参数,改变阻抗大小。利用该思想设计的柔顺控制算法的优点是,不需要更改机械臂伺服控制算法,在轨迹规划层实现了机械臂的人机协作功能。为验证本文提出的算法有效性,设计了二自由度机械臂实验平台。并在平台上分别利用扭矩传感器测得关节力矩作输入,和利用电机电流命令映射得到的电机侧力矩作输入,实现了基于广义动量扰动观测器的碰撞检测算法。并基于两种方式,进行了碰撞检测及响应策略实验,惯性可调柔顺控制实验和阻抗可调柔顺控制实验。依靠电流命令实现了无传感器的机械臂碰撞检测及响应和柔顺控制。并且对利用电流命令实现以上算法与利用扭矩传感器实现的性能进行了比较,提出了不足和改进空间。

关键词：扰动观测器碰撞检测碰撞响应柔顺控制惯性可调阻抗可调

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一种新型变刚度关节的设计及其控制研究

一种新型变刚度关节的设计及其控制研究

作者：杨德财哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

变刚度关节由于关节刚度可调,因而相较于传统刚性关节和定刚度关节,具有更快阔的应用前景。同时,也因为需要实现刚度的调整,所以结构也更加复杂,单个关节系统需要两个电机,一个位置电机调节关节位置,一个调刚电机调节关节刚度。变刚度... 详细信息

变刚度关节由于关节刚度可调,因而相较于传统刚性关节和定刚度关节,具有更快阔的应用前景。同时,也因为需要实现刚度的调整,所以结构也更加复杂,单个关节系统需要两个电机,一个位置电机调节关节位置,一个调刚电机调节关节刚度。变刚度关节的这种特性,对其结构和控制提出了更高要求,因此,变刚度关节的结构及其控制算法研究是一个十分具有挑战性的课题。传统的变刚度关节变刚度原理多为对抗弹簧、弹性材料以及杠杆原理等。其中对抗弹簧耗能较大;弹性材料对材料特性要求较高,且刚度变化范围有限;杠杆原理被采用的最多,但采用改变弹性端或负载端的力臂实现变刚度,其刚度变化范围有限,而改变杠杆支点位置能够实现刚度的大范围变化,从接近于零到接近于完全刚性。采用杠杆原理的变刚度关节结构较为复杂,且存在体积大,质量大,齿轮啮合间隙,滚子槽内滑动摩擦耗能大,滚珠丝杆响应慢等诸多问题。在控制研究上也还不够深入,轨迹跟踪实验不够理想。针对现有变刚度原理应用中所存在的问题,本文提出了一种基于扭簧特性的变刚度原理,其采用双滚子双扭簧结构,滚子与扭簧臂之间为滚动摩擦。具有结构简单,调刚能量损耗小,刚度变化范围大的特点,能够实现从接近于零到接近于完全刚性的刚度变化。采用钢丝绳传动,具有承力大,结构紧凑的特点,同时避免了齿轮啮合传动间隙,以及滚珠丝杆质量大,体积大,响应慢的特点。基于模块化的思想,进行了变刚度关节系统结构的设计,将系统调刚部分,即调刚电机及其传动部分,和输入输出偏差角的测量部分,即绝对磁编码器,都整合进关节内部,使系统结构更加紧凑。针对变刚度关节弹性非线性环节导致系统控制器直接设计比较困难,且易受外界扰动影响的问题,本文提出了基于虚拟力矩分层控制的方法设计PD控制器,并提出了引入扰动补偿器对外界扰动等不确定因素加以补偿。实时地调整命令,进而改善关节输出轴的轨迹跟踪性能,以及动态响应性能。通过对不同刚度、负载、信号的轨迹跟踪实验效果的对比,验证了PD控制器能够实现较好的轨迹跟踪效果,同时也验证了引入的扰动补偿器对轨迹跟踪实验效果有一定的改善作用,且具有较好的适用性。此外,本文通过刚度测量实验验证了基于扭簧特性的变刚度原理的可行性;通过碰撞安全实验验证了变刚度关节系统具有一定的实际应用意义。

关键词：变刚度关节轨迹跟踪碰撞安全柔性关节扰动补偿器

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柔性关节的参数辨识及自适应控制算法研究

柔性关节的参数辨识及自适应控制算法研究

作者：刘章兴哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

在高加/减速控制模式或重载工作条件下,关节柔性是控制系统中不可忽略的影响因素。随着刚性关节机械臂控制理论的成熟,关节柔性已经成为制约机械臂控制性能进一步提升的瓶颈。此外,随着当前人机安全型机器人技术的发展,具有本质关节柔... 详细信息

在高加/减速控制模式或重载工作条件下,关节柔性是控制系统中不可忽略的影响因素。随着刚性关节机械臂控制理论的成熟,关节柔性已经成为制约机械臂控制性能进一步提升的瓶颈。此外,随着当前人机安全型机器人技术的发展,具有本质关节柔性的机器人正成为未来的研究热点。在此背景下,本课题的研究工作拟围绕柔性关节的参数辨识和自适应控制两方面展开。针对柔性关节所具有的内部弹性力矩耦合以及欠驱动特性,本课题提出了基于弹性力矩模型的分层控制策略。针对传统PD控制器抗扰动性能差的问题,在PD控制律的基础上引入一种非干涉型系统函数估计方法实现了对系统未建模误差的扰动补偿,从而构建出一种结构简单且具有较强的抗干扰性能的柔性关节自适应控制算法。引入基于RBF神经网络的自适应控制算法进行对比,并在控制系统仿真实验中初步验证了所提控制算法的有效性。针对传统基于直接动力学模型的柔性关节参数辨识方法存在对高阶微分噪声敏感的问题,本课题提出了一种基于非干涉型系统函数估计的间接辨识方法。该方法首先构造出一种包含所有待辨识参数的系统函数,然后使用该系统函数替代直接动力学模型进行参数辨识。由于系统函数方程中不存在角加速度等高阶微分项,因此一定程度上解决了辨识算法对高阶微分噪声敏感的问题,提高了辨识算法的抗干扰性能。此外,该辨识算法仅利用控制系统现有的传感器资源便可以完成柔性关节的参数辨识,不需要额外附加扭矩传感器,以此便于工程运用为满足柔性关节参数辨识和自适应控制算法研究的需要,本课题设计搭建了单自由度柔性关节实验平台。在此平台的基础上,通过不同负载情况下,柔性关节对不同正弦信号的轨迹跟踪控制实验,验证了本课题所提基于非干涉型系统函数估计的自适应控制算法的有效性;通过弹性力矩建模误差干扰下的轨迹跟踪实验,验证了该控制算法的抗干扰性;通过两个不同的正弦信号激励下的系统函数估计实验,验证了本课题所提非干涉型系统函数估计方法的有效性;最后通过与传统基于直接动力学模型的辨识方法及基于积分作用的辨识方法进行对比实验,验证了本课题所提基于非干涉型系统函数估计的参数辨识算法的有效性。

关键词：柔性关节参数辨识自适应控制系统函数估计

外骨骼助力机器人控制系统设计与控制策略研究

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外骨骼助力机器人控制系统设计与控制策略研究

作者：许长华哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

外骨骼机器人是一种能辅助人体运动、提高人体运动能力的穿戴设备,其巨大的应用价值近年来得到了国内外学者的广泛关注。目前国外已经研制出几款能够实际应用的外骨骼机器人,而国内尚处于实验室阶段,在理论研究和工程应用等方面都存在... 详细信息

外骨骼机器人是一种能辅助人体运动、提高人体运动能力的穿戴设备,其巨大的应用价值近年来得到了国内外学者的广泛关注。目前国外已经研制出几款能够实际应用的外骨骼机器人,而国内尚处于实验室阶段,在理论研究和工程应用等方面都存在许多问题亟待解决。本课题的最终目的是设计一款穿戴舒适、方便易用的外骨骼助力机器人,围绕这个目标本文从控制系统和控制策略两个方面开展具体研究内容。稳定可靠的系统平台是深入开展理论研究的基础,也是机器人能够实际应用的关键。本文针对外骨骼的特殊需求开发了一套高度集成的控制系统,主要包括基于DSP+ARM的控制器、模块化的传感器单元和基于CANopen的总线通信协议:所设计的控制器能够实现外骨骼控制中的所有基本功能,可以不依赖上位机进行独立工作;传感器模块单元采用总线接口,体积紧凑,方便嵌入到机械结构内部;所开发的CANopen协议符合国际标准,便于网络扩展和设备互换。针对外骨骼系统由人参与完成轨迹规划的特点,设计了基于人体末端运动识别的分解运动速度控制策略,重点研究了末端期望轨迹的获取和速度分解模型。为解决力反馈的滞后性问题,本文使用Kalman观测器估计人体运动速度,综合力反馈信号和人体速度估计值得到外骨骼末端期望速度。针对支撑相两个主动关节控制末端三个自由度的欠驱动问题,提出了变摆长倒立摆模型,模型将躯干平面运动转化为踝关节到髋关节长度的变化以及躯干的俯仰,通过该模型可以将支撑相末端期望速度合理的分配到驱动关节。对外骨骼控制系统进行集成,将其全部嵌入到机械壳体内部,可靠性高,穿戴方便。对外骨骼样机进行了调试和实验,完成了固定步态轨迹跟踪实验、摆动腿跟随实验、支撑腿负重实验、连续行走实验以及台阶、斜坡、草地等复杂环境下的适应能力测试实验。实验结果初步验证了控制系统的实用性以及控制策略的可行性,达到了预期效果。

关键词：外骨骼运动控制感知系统控制器 CANopen

基于姿态引导和扰动辨识的涵道飞行器智能控制

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基于姿态引导和扰动辨识的涵道飞行器智能控制

作者：郑义哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

涵道飞行器特殊的气动布局使得它具有机动性强、推进效率高等优点，特别适合用于高空侦查、监视等对悬停效率要求高的场合。但是，考虑到涵道飞行器所处的工作环境经常会受到侧风等外界空气扰动的影响，而且这些扰动是不确定的、时变的... 详细信息

涵道飞行器特殊的气动布局使得它具有机动性强、推进效率高等优点，特别适合用于高空侦查、监视等对悬停效率要求高的场合。但是，考虑到涵道飞行器所处的工作环境经常会受到侧风等外界空气扰动的影响，而且这些扰动是不确定的、时变的，这就要求涵道飞行器的控制系统有很好的鲁棒性。本文针对上述问题，以悬停和轨迹跟踪为目标，建立涵道飞行器的经典控制体系和智能控制方法，对外界扰动的辨识问题进行了探索。首先，建立涵道飞行器的数学模型。通过对涵道飞行器各个组成部分的介绍，讲述了其垂直起降和姿态调整的工作原理;考虑螺旋桨和控制舵的动力学特性，对涵道飞行器进行整体动力学建模，将整个系统抽象为11个自由度的多输入多输出系统;使用卡尔丹角描述其飞行姿态，在运动分析中引入坐标变换矩阵;通过拉格朗日函数建立系统的动力学方程，并结合空气动力学的相关知识定义涵道飞行器受到的外界作用力。其次，设计基于虚拟力导向的分层控制体系。根据系统需求设计伪控制输入，构成分层控制体系的顶层;从系统的动力学方程出发，定义参考反馈指令，再结合动力学解耦算法，将控制信息分解为各个舢板和螺旋桨的动作命令;处于分层控制体系底层的是控制舵和螺旋桨的控制规律。结合涵道飞行器的悬停目标，设计了基于计算力矩法的伪控制输入。然后，设计基于姿态导向和扰动辨识的轨迹跟踪控制方法。通过对涵道飞行器平动动力学方程的分析，得出姿态运动是水平横向和纵向飞行的虚拟输入;据此设计姿态角度命令生成器，可以解除平动和姿态运动之间的耦合;将外界空气扰动和模型的不确定性统一考虑为系统函数，并假设系统函数是由容易辨识的低频分量和高频分量组成，同时根据轨迹跟踪的要求设计系统函数的更新规律。此外，从控制系统的鲁棒性出发，对传统的控制体系和智能控制方法进行了对比分析。最后，使用MATLAB和Adams对以上两种控制方法进行联合仿真，在仿真过程中强调了系统参数选择的重要性。仿真结果与之前的理论分析相吻合，基于虚拟力的传统控制方法缺少对外界扰动的估计，抗干扰性和鲁棒性不如基于扰动辨识的智能控制方法。

关键词：涵道飞行器分层控制体系扰动辨识轨迹跟踪联合仿真

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高低温环境下传动效率测试系统的研究

高低温环境下传动效率测试系统的研究

作者：王宁哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

传动效率测试系统的研究和应用在当今已经日趋成熟,已经有很多科研工作者对其进行了深入挖掘。目前,传动效率的测试系统主要是针对常温常压的环境下进行的探索,尚且没有面向极端环境的较为高精度集成化的自动化测试装备。因此,在极端高... 详细信息

传动效率测试系统的研究和应用在当今已经日趋成熟,已经有很多科研工作者对其进行了深入挖掘。目前,传动效率的测试系统主要是针对常温常压的环境下进行的探索,尚且没有面向极端环境的较为高精度集成化的自动化测试装备。因此,在极端高低温环境下的传动效率测试系统的研究就具有重要的研究意义和价值。目前,传统的传动效率测试装置测试设备的通用性比较差,大多数测试装置功能比较单一,只能完成一种项目或者性能的测试,并且在极端高低温环境影响下测试平台设计和研究的经验较少。针对现有的传动效率测试系统显现出来的缺点,本文旨在研究一套高低温环境下的传动效率测试系统,包括机械结构和电气系统的设计,针对航天用增速器,对高低温环境下传动效率的影响进行研究和分析。首先,对传动效率测试系统的研究现状进行分析,在已有的基础上,结合本研究课题的功能要求和技术指标,设计出测试平台的整体方案。再结合设计的方案,对平台进行相关的机械结构设计,主要包括基础大平台、立柱支撑结构以及调整模块的设计工作。同时,面向高低温环境做了针对性的设计和相应部件的热影响分析,并且进行ANSYS的热仿真分析和校核等。其次,搭建高低温测试平台的电气系统,对电气构件进行选型分析,对电机进行转速、扭矩及惯量的校核,并且利用误差传递公式进行测试系统精度分析,为测试系统功能的实现做好基础,同时对测试系统精度进行分析。再次,基于Lab VIEW来实现下位机嵌入式程序的编写,采用状态机的编程思路,搭建包括运动控制和数据采集等方面的人机交互界面,来完成操作者与测试平台之间的信息交互,保证底层系统执行程序能完成指定任务。最后,在测试平台系统设计完成后,对系统进行安装和调试,并对误差进行分析。对平台设计相关实验测试,通过正交试验的方法研究分析被测因素对系统传动效率结果影响程度的大小,通过传动效率不确定度的分析验证测试方案的可行性。

关键词：高低温环境传动效率结构设计 LabVIEW

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基于陀螺进动效应的独轮机器人的研制

基于陀螺进动效应的独轮机器人的研制

作者：于法传哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

独轮机器人是一种形式特殊的轮式移动机器人,由于独轮机器人与地面之间为单点接触,自由度较多,属于本质不稳定系统。独轮机器人系统具有非线性、多变量、强耦合的特点,控制难度大,如何能够有效的实现独轮机器人的平衡控制是一个极具挑... 详细信息

独轮机器人是一种形式特殊的轮式移动机器人,由于独轮机器人与地面之间为单点接触,自由度较多,属于本质不稳定系统。独轮机器人系统具有非线性、多变量、强耦合的特点,控制难度大,如何能够有效的实现独轮机器人的平衡控制是一个极具挑战性的课题。目前,传统的独轮机器人侧平衡控制在结构上多采用惯性轮结构,包括水平惯性轮和垂直惯性轮结构。惯性轮的另一重要应用领域是航天器的姿态控制,尤其是小卫星的姿态控制。由于惯性轮的输出力矩有限,在大型航天器,如空间站的姿态控制中,多采用控制力矩陀螺作为姿态控制系统的执行机构。与惯性轮相比,控制力矩陀螺具有输出力矩大、响应速度快的优点。受此启发,本文针对基于惯性轮结构的独轮机器人输出控制力矩小、平衡能力有限的问题,研制了一种新型结构的基于陀螺进动效应的独轮机器人。该独轮机器人利用一对剪式控制力矩陀螺产生的陀螺力矩实现侧平衡高效控制。剪式陀螺消除了单陀螺结构中力矩方向变化带来的前后方向的干扰。在控制方面,对独轮机器人控制目前多采用解耦控制方法,将独轮机器人动力学模型在平衡点附近解耦为前后动力学模型和左右动力学模型,针对这两个模型设计两个分离的状态反馈控制器。该方法忽略了独轮机器人动力学模型之间由于耦合作用带来的相互干扰,抗扰动性能有待提升。针对上述控制问题,本文提出了一种基于离心力原理的补偿控制算法。该算法考虑了独轮机器人动力学中前后和左右方向之间的离心力项,用离心力矩和陀螺力矩共同补偿独轮机器人左右倾斜时的重力力矩,提高了独轮机器人侧平衡的鲁棒性。在ADAMS环境下,对基于离心力原理的补偿控制算法进行仿真,验证了该控制算法的抗扰动性。通过物理样机平衡和抗干扰实验,验证了陀螺力矩用于独轮机器人平衡控制中的高效性。

关键词：独轮机器人陀螺进动效应控制力矩陀螺离心力补偿平衡控制

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隧道烟雾环境下无人机导航系统的研究

隧道烟雾环境下无人机导航系统的研究

作者：朱志远哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着公路隧道火灾事故的频繁发生，利用新技术开发一种能够迅速、有效进入隧道等地下工程监控的设备变得越来越重要。近十多年来，随着无人机的出现，它们以其卓越的灵活性和可靠的操作性，迅速成为了热门的空中机器人平台。在特殊环境... 详细信息

随着公路隧道火灾事故的频繁发生，利用新技术开发一种能够迅速、有效进入隧道等地下工程监控的设备变得越来越重要。近十多年来，随着无人机的出现，它们以其卓越的灵活性和可靠的操作性，迅速成为了热门的空中机器人平台。在特殊环境下无人机自主任务的执行成为了新的研究热点，而导航系统是无人机实现自主任务执行的关键。针对以上背景，本文基于可二次开发的无人机平台，研究建立集隧道定位、障碍感知、自主避障于一体的无人机导航系统，在隧道烟雾环境下实现无人机自主导航，安全稳定的到达指定目标的任务。　　首先利用激光雷达采集环境深度信息，得到无人机周围环境的初始点云数据。通过分析烟雾与其它障碍在激光雷达数据中位置与深度等信息特征上的不同，将受烟雾干扰的数据进行去除。采集相机视场下的环境深度信息，针对深度图像中的空洞与噪声采用双边滤波方法进行修复，结合相机内部参数，将深度图像信息转化为需要的激光点云信息。通过对激光雷达与深度相机作时间和空间上的同步处理，实现数据融合，最终得到完整的、无烟雾干扰的障碍点云。　　然后利用超宽带定位结构简单、具备隧道封闭环境大范围使用的优点，建立无人机的定位系统。结合隧道的环境特征，基于人工势场的引力公式建立无人机的引力导航函数，针对距离越远引力越大的问题设置对应的常数值进行优化。再基于人工势场斥力公式建立无人机静态避障算法，对该算法在隧道复杂障碍环境下容易出现的“沿边走”和凹形障碍停滞等缺陷问题进行分析，并提出相应的优化方法，最后通过仿真验证了改进效果。　　随后针对动态障碍物进行避障研究。通过分析移动物体与环境背景在点云特征上的差异，采用欧式聚类和聚类分割的方式对障碍目标进行分离。针对连续帧障碍目标的跟踪提出了“新目标优先关联”策略，基于此设计本文的障碍目标的跟踪算法将动态目标进行提取，并利用卡尔曼滤波对动态障碍物的位置和速度状态进行更新，完成对动态障碍目标的识别。基于速度障碍法的原理，建立无人机与动态障碍的障碍威胁探测模型，再采用障碍物后方绕行策略实现无人机对动态障碍的规避。　　最后基于四旋翼无人机搭建了导航系统算法验证平台，并在模拟的隧道烟雾环境设计了定点悬停、无障碍导航、静态避障以及动态避障实验，无人机整体飞行平稳，成功实现了静、动态障碍物的规避，验证了本文导航系统的可行性。

关键词：无人机导航系统避障行为点云处理目标跟踪