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基于ROS的迷宫机器人系统实现与算法研究

基于ROS的迷宫机器人系统实现与算法研究

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作者：张赛天津工业大学

学位级别：硕士

智能移动机器人对我国先进制造技术的发展起着关键作用,本论文研究的迷宫机器人是移动机器人的典型代表,迷宫机器人的主要任务是在排列未知的迷宫中,根据传感器避障、运动控制、智能规划算法完成从起点向设定目标点的搜索与冲刺。迷宫... 详细信息

智能移动机器人对我国先进制造技术的发展起着关键作用,本论文研究的迷宫机器人是移动机器人的典型代表,迷宫机器人的主要任务是在排列未知的迷宫中,根据传感器避障、运动控制、智能规划算法完成从起点向设定目标点的搜索与冲刺。迷宫机器人通常以竞赛形式展现,新冠疫情之下,迷宫机器人线下竞赛受到严重影响,一定程度上阻碍了迷宫机器人技术发展,开发适用于线上竞赛需求的迷宫机器人虚拟竞赛系统尤为必要。本文针对Ubuntu环境下的迷宫机器人虚拟竞赛系统实现方法展开研究。利用Ubuntu18.04搭载ROS系统设计搭建迷宫机器人模型与迷宫环境模型,对迷宫机器人的底层控制方法、迷宫机器人搜索算法、路径规划算法展开研究。本论文主要研究内容为如下几点:1.基于ROS的迷宫机器人虚拟运行环境的搭建。利用URDF模型文件建立了迷宫机器人模型,设计了迷宫机器人的主体部件并根据迷宫机器人功能需求设置了各部件通信属性。通过设定运动插件与关节绑定,解析transmission传动标签,加载硬件接口,建立ROS和Gazebo的通信桥梁。利用WORLD标签文件实现了迷宫地图,完成了标准迷宫图形符号文件的设计及其Gazebo加载。深入分析了激光雷达传感器模型、位姿里程计模型以及TF坐标系变换关系。***迷宫机器人底层控制研究与实现。分析了迷宫机器人的工作原理,研究了虚拟环境下迷宫机器人的墙壁资料存储方法,研究确立了迷宫绝对方向和机器人相对方向的转换关系。设计了迷宫机器人运动控制环路,分析了ROS系统的节点间通讯机制,利用Python语言编写控制文件,实现了迷宫机器人的墙壁识别、角度控制、速度控制、位置控制、位姿误差矫正。3.基于ROS的迷宫机器人搜索与冲刺算法研究与实现。对比研究了深度优先算法、向心算法、基础Flood Fill算法、Flood Fill向心算法各自的特性。并验证了Flood Fill向心算法搜索迷宫的优良与可靠性。对传统冲刺算法进行了分析,针对传统冲刺算法转弯动作多、路径长等不足,提出一种适用于虚拟迷宫竞赛环境的45°斜向冲刺算法,设计采用八方向划分、等高图制作、斜向动作规划等,使迷宫机器人具备斜向运动能力。***迷宫机器人虚拟竞技系统测试。搭建线上迷宫机器人实验平台,联合Gazebo环境模拟界面、RVIZ信息显示界面、仿真评测计时系统进行实验验证。利用Python编写控制程序在Gazebo环境下控制迷宫机器人完成位姿矫正,搜索与冲刺算法验证,通过RVIZ信息显示界面显示迷宫机器人的实验路径,通过仿真评测计时系统实现对迷宫机器人的成绩评判。实验表明,本文设计的ROS迷宫机器人控制系统运行稳定,搜索与冲刺算法效率较高。

关键词：迷宫机器人虚拟竞赛系统 ROS 斜向冲刺算法

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