● 摘要
随着机器人技术的不断发展，移动机器人的研究越来越受到重视。基于多传感器融合的移动机器人导航和多移动机器人协作系统是移动机器人研究的重要领域。本文以Pioneer3-AT型轮式移动机器人为平台，对基于多传感器融合的移动机器人定位、基于超声阵列的移动机器人避障和多移动机器人避碰规划进行了研究，设计和建立了由三台机器人组成的多机器人协作实验平台。本文对移动机器人研究的进展、移动机器人定位和多传感器融合、移动机器人避障传感器和避障算法以及多机器人协作系统的研究现状进行了简要介绍。提出了移动机器人定位传感器的选择原则，并且根据这些原则为移动机器人选择了多种定位传感器。根据所选传感器的特点，设计了一种新型的联合卡尔曼滤波器，以逐级滤波融合的方式对多传感器信息进行融合。本文分析了移动机器人避障经常采用的超声阵列传感器的特点，指出了提高避障算法的抗干扰性是超声传感器得到成功应用的关键。将超声阵列的抗干扰措施分为两层：传感器层和应用层，提出了应用层抗干扰措施的设计原则。根据这些原则设计了两种应用层超声阵列抗干扰方法：卡尔曼滤波器法和动态栅格法。卡尔曼滤波器法根据移动机器人避障的运动学模型，使用卡尔曼滤波器消除超声传感器所受到的随机干扰，提高避障算法的抗干扰性。动态栅格法根据超声传感器的探测数据对动态的扇形栅格进行投影和赋值运算，保存了超声数据的历史信息，可以有效消除少数几次错误数据所造成的干扰。本文对多移动机器人协作系统中的避碰冲突问题进行了分析，提出了多移动机器人系统避碰规划方法的设计原则。采用基于行为的方法对机器人进行控制，采用分层模糊控制系统设计机器人的协作避碰行为。其中底层的模糊控制器利用“机器人位置危险度”和“机器人速度危险度”的概念描述其他机器人位置和速度两方面的信息，上层的虚拟目标角度模糊控制器综合考虑其他机器人位置和速度两方面的信息，为机器人设置虚拟目标点，实现多台移动机器人的协调避碰运动。本文以三台Pioneer3－AT型轮式移动机器人为平台，建立了多移动机器人实验研究系统。根据所采用移动机器人平台的软硬件特点，设计了多机器人系统的个体体系结构和群体体系结构。采用基于信息订阅和呼叫－回复的通信机制，利用TCP/IP协议通过Socket套接字实现多机器人系统的通信。进行了多机器人编队和拦截目标的实验。最后，论文对取得的研究成果进行了总结，指出了进一步研究的方向和内容。