安全区域下跟随机器人的研究.pdf

分类号 密级 UDC 注1 硕士专业学位论文硕士专业学位论文 安全区域安全区域下跟随机器人下跟随机器人的的研究研究 （题名和副题名） 唐康 （作者姓名） 指导教师指导教师姓名姓名 唐振民唐振民 教教 授授 学学 位位 类类 别别 工工程程硕士硕士 专专 业业 名名 称称 软件工程软件工程 研研 究究 方方 向向 地面移动机器人地面移动机器人 论文提交时间论文提交时间 2020.4 注 1注明国际十进分类法 UDC的类号。 万方数据 万方数据 声声 明明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在本学 位论文中， 除了加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过 的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 研究生签名 年 月 日 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对于保密论 文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名 年 月 日 万方数据 万方数据 硕士学位论文 安全区域下跟随机器人的研究 I 摘摘 要要 跟随机器人需要在自主跟随的同时避开环境中的障碍物， 安全区域特指环境中可 以自由通行的无障碍区域。 为解决跟随机器人在户外环境下的目标定位和自主跟随问 题，本文在以下几个方面开展工作 首先对跟随机器人进行软硬件设计，设计了可在户外工作的履带式底盘，该底盘 采用双流传动机构，具有转弯半径小、功耗低、控制简单的特点，提高了跟随机器人 的机动性和环境适应性。机器人采用 UWB 和单线激光雷达融合的传感器方案。基于 UWB 的目标定位方案可以降低光照、遮挡的影响，单线激光雷达用来检测障碍物。 在软件层面，在树莓派 4 代上基于 ROS 系统开发了跟随机器人的控制软件。 然后提出了基于 DWADynamic Window Approach算法改进的跟随算法，设计了 用于跟随的评估函数，并对该跟随算法进行初步验证。该算法可以解决跟随机器人目 标点附近过冲的问题，可提高机器人的自主跟随能力。 最后采用 Gazebo 仿真和真实场景实验相结合的方式，对跟随机器人在沙土、草 地、斜坡等不同地面环境下的机械性能、安全性和自主跟随能力进行测试。 本研究可推动跟随机器人从概念走向实用， 对跟随机器人的发展有一定的借鉴意 义。 关键词关键词跟随机器人，超宽带定位，激光雷达，双流驱动，动态窗口，ROS 万方数据 万方数据 硕士学位论文 安全区域下跟随机器人的研究 III Abstract The following robot needs to avoid obstacles in the environment. The safe area refers to the unobstructed area which robots can pass freely. In order to solve the problems of target positioning and autonomous following in outdoor environment, this thesis works in the following aspects First, the robot design is divided into two parts, namely hardware design and software design. We design a crawler chassis that can work outdoors. The chassis uses a dual-flow transmission mechanism, which has the characteristics of small turning radius, low power consumption, and simple control . The chassis improves the mobility and environmental adaptability of the following robot. The robot adopts the sensor fusion scheme of UWB and single-line lidar. The target positioning scheme based on UWB can reduce the impact of illumination and occlusion. Single-line lidar is used to detect obstacles. At the software level, the control software is developed based on the ROS system on the 4th generation of the Raspberry Pi. Then, the thesis proposes an improved following algorithm based on DWA algorithm. The algorithm has a new uation function for following. Then we conduct a simulation test on the following algorithm. The algorithm solves the problem of overshoot near the robot target point, which can improve the autonomous following ability of the robot in different environments. Finally, a combination of Gazebo simulation and real scene experiments is used to test the mechanical perance, safety and autonomous following ability of the following robot. Typical test environments include sand, grass and slopes. This research can promote the following robot from concept to practicality, and has certain reference significance for the development of following robot. Key word Following Robot，UWB，Lidar，Dual Flow Drive，DWA，ROS 万方数据 万方数据 硕士学位论文 安全区域下跟随机器人的研究 V 目目 录录 摘摘 要要 ............................................................................................................I Abstract ......................................................................................................... III 1 绪论绪论 ............................................................................................................... 1 1.1 课题研究背景和意义 ............................................................................................. 1 1.2 跟随机器人研究现状 ............................................................................................. 2 1.3 论文组织结构 ......................................................................................................... 6 2 关键技术关键技术 ........................................................................................................ 8 2.1 目标定位技术 ......................................................................................................... 8 2.2 路径规划和运动控制 ........................................................................................... 10 3 系统集成与总体设计系统集成与总体设计 ................................................................................. 15 3.1 功能和需求分析 ................................................................................................... 15 3.2 总体设计和技术方案 ........................................................................................... 15 3.3 底盘设计 ............................................................................................................... 18 3.4 传感器系统设计 ................................................................................................... 22 3.4.1 单线激光雷达 ............................................................................................. 22 3.4.2 超宽带定位 ................................................................................................. 24 3.5 电源系统 ............................................................................................................... 26 3.6 远程通信系统 ....................................................................................................... 26 3.7 控制板选型 ........................................................................................................... 27 3.8 基于 ROS 的软件系统设计 .................................................................................. 29 4 建模和分析建模和分析 ................................................................................................. 31 4.1 机械性能分析 ........................................................................................................ 31 4.1.1 最大工作坡度 ............................................................................................. 31 4.1.2 系统反应时间 ............................................................................................. 32 4.1.3 停止距离 ..................................................................................................... 33 4.1.4 转向半径和角速度 ..................................................................................... 33 4.2 目标定位方案 ....................................................................................................... 35 4.3 机器人运动学模型 ............................................................................................... 38 4.4 跟随和避障算法 ................................................................................................... 40 4.4.1 障碍检测和安全区域 ................................................................................. 40 4.4.2 DWA 算法原理 ............................................................................................ 42 4.4.3 DWA 算法的影响因素 ................................................................................ 46 万方数据 目录 硕士学位论文 VI 4.4.4 基于 DWA 的跟随算法 .............................................................................. 50 5 测试和验证测试和验证 ................................................................................................. 57 5.1 基于 ROS 系统的测试 .......................................................................................... 57 5.1.1 机器人 URDF 模型 .................................................................................... 57 5.1.2 创建 Gazebo 测试环境 ............................................................................... 58 5.1.3 搭建传感器模型 ......................................................................................... 59 5.3.4 跟随和导航仿真 ......................................................................................... 61 5.2 实际场景测试 ....................................................................................................... 62 5.2.1 跟随距离稳定性测试 ................................................................................. 62 5.2.2 斜坡地形跟随测试 ..................................................................................... 63 5.2.3 跟随时越障性能测试 ................................................................................. 63 5.2.4 地形适应性测试 ......................................................................................... 64 5.2.5 避障能力测试 ............................................................................................. 65 6 总结和展望总结和展望 ................................................................................................. 66 致致 谢谢 ......................................................................................................... 68 参考文献参考文献 ......................................................................................................... 69 附附 录录 ......................................................................................................... 73 万方数据 硕士学位论文 安全区域下跟随机器人的研究 1 1 绪绪论论 1.1 课题研究背景和意义课题研究背景和意义 机器人的研究涉及到多学科之间的交叉融合， 它的发展程度是衡量一个国家高端 制造业发展水平的重要标志[1]。目前机器人种类很多，按其应用场景分，大体可以分 为三类，分别是工业生产用机器人、特种机器人和民用的服务型机器人。 工业机器人在过去的几十年里得到了长足的发展， 在很多行业的生产车间得到了 普及[2]，最为典型的应用场景是汽车生产流水线，机器人的使用既提高了生产效率， 同时也降低了生产成本。这些机器人主要是以机械臂的形式存在，可以完成特定的工 作，比如焊接、喷漆、装配等等。前几年，以富士康为首的生产企业也掀起了改造无 人车间的浪潮，通过加装传感器来给机械臂赋予智能，让它们互联通信，从而完成更 复杂的任务。可以说，当今时代，机器人取代一部分人的工作已经成为一种不可避免 的趋势。 特种机器人主要是针对一些特殊行业和特殊需求开发的机器人， 比如说一些军用 或者警用的机器人，典型的应用有警用的拆弹机器人、军用的无人机、核电站的巡逻 救援机器人等等。这些机器人可以完成一些特殊的危险任务，有效保障人民的生命财 产安全。 而近几年，嵌入式软硬件、传感器技术和人工智能等关键技术的发展，带动了相 关行业生产成本的降低，机器人也从工业领域逐渐走向民用。尤其是服务型机器人， 获得了广大消费者的喜爱，比较典型的就是家用扫地机器人，目前扫地机器人的发展 已经比较成熟。 服务型机器人的应用场景非常广泛，生活中较为常见的有家用的扫地机器人，银 行或者运营商大厅里的引导机器人等。前段时间，在开展抗击新型冠状病毒疫情工作 的时候， 由于机器人是非生命体， 不存在感染病毒的风险， 一些医疗用的送药机器人、 测温和消毒机器人、安全巡逻机器人等等，也崭露头角，在抗击疫情的工作中发挥着 不可或缺的作用。可以说，在日常生活中，民用机器人的发展才刚刚起步，将会在不 久的将来渗透到各种工作岗位中，作为人类工作和生活的助手。 跟随机器人是移动机器人的一个分支，其特点是可以自主移动，无需手动操作， 可以解放人的双手。其具体应用场景包扩了超市或者商场的自动跟随购物车，可以自 动跟随消费者并提供服务；环卫跟随机器人，在高速公路休息区、广场等区域跟随并 辅助环卫工人完成清扫任务；自动跟随行李箱，可以帮助差旅人士解决旅行途中行李 箱的搬运问题；野外跟随勘测机器人，跟随操作人员在野外行进，在复杂环境可以完 成勘测任务。 万方数据 1 绪论 硕士学位论文 2 可以看出，跟随机器人的相关需求各式各样，工作环境也各不相同，但是有一个 共同点就是需要在一个移动机器人平台上做二次开发， 来适配具体的应用需求。 因此， 有一个可以适应各种路面环境的跟随机器人移动平台就较为关键， 这个移动平台需要 可以跟随操作人员自主移动，也可以在必要时通过遥控来控制。 本研究正是在这样的需求和背景下开展， 设计一款可以在户外地形环境下跟随并 自主移动的机器人平台，其特点是成本低廉、场景适应性强、用途广泛、安全可靠。 本研究的意义在于，通过设计一款环境适应性强、控制简单的小型双动力流驱动的履 带式底盘，提高跟随机器人对户外地面环境的适应能力；同时建立了基于 UWB 超宽 带定位技术、单线激光雷达相融合的感知系统，提高跟随机器人在未知复杂环境下的 目标定位和环境感知能力；提出的基于 DWA 算法改进的跟随算法，保证其在安全区 域内工作，不与环境障碍物和跟随目标产生碰撞。 跟随机器人的具体实现中采用了模块化设计的方式， 将跟随机器人底盘和上层控 制分离，为搭建跟随机器人的通用移动平台奠定基础。 1.2 跟随机器人跟随机器人研究现状研究现状 跟随机器人作为移动机器人的一个分支， 其发展历史是和移动机器人一脉相承的。 根据机器人底盘的不同，大体可以分为轮式、履带式、腿式[3]和其他。根据机器人的 控制方式的不同，机器人可以分为遥控、半自主和自主三种。跟随机器人是一种典型 的自主控制机器人，其特征是无需遥控操作，机器人自主跟随目标移动。本节总结了 跟随机器人发展过程中比较有代表性的几款机器人， 为后续跟随机器人的研究提供借 鉴。 在跟随机器人的前沿研究领域，国外处于相对领先地位[4]。跟随机器人的早期研 究中使用超声波定位方式实现视距内跟随。 图 1.1 Budgee 跟随机器人 万方数据 硕士学位论文 安全区域下跟随机器人的研究 3 如图 1.1 是 Five Elements Robotics 研发的 Budgee 机器人，在 Budgee 机器人的两 个耳朵里装载了两个超声波传感器，操作人员将一个超声波接收模块佩戴在腰间，机 器人使用近距离的超声波传感器来跟随目标， 操作人员还可以设置机器人保持特定的 跟随距离[5]。 如图 1.2 是美国斯坦福大学 Cheng-Yu Lee 等人在 2002 年研制的跟随机器人，该 跟随机器人在 Super Scout 平台上装载了 180 度的激光雷达传感器，通过扫描并识别 目标机器人的圆弧边缘特征点，来实现对目标机器人的定位[6]。该研究能够使得目标 机器人保持在跟随机器人的视野范围内，可以满足低速跟随，基本能够保证跟随目标 不丢失。其不足之处是，跟随目标的特征较为简单，容易受其他柱状物干扰，且对遮 挡敏感。 图 1.2 Super Scout 跟随机器人 图 1.3 ApriAttenda跟随机器人 万方数据 1 绪论 硕士学位论文 4 图 1.3 中是 2006 年，日本东芝公司开发的 ApriAttenda 跟随机器人[7]。该机器人 装载了视觉传感器和超声波传感器， 通过检测人体服装的纹理和颜色来识别并定位跟 随目标，其主要用于陪伴老人和儿童，并在跟随目标离开视线时呼唤对方。 如图 1.4 是近几年研发的 Gita 载物机器人，可以实现自主跟随，该机器人使用深 度相机实现视觉跟随，还可以在有先验环境地图的情况下进行自主导航。 图 1.4 Gita 载物机器人 在大型的跟随机器人方面，美国 Agtech 公司，开发了 HV-100 园圃机器人，可以 编队跟随操作人员，该机器人装载了 3D 激光雷达。其适合在农业大棚内为植物进行 浇灌、喷洒农药等任务。 图 1.5 HV-100 园圃跟随机器人 2014 年，Bukhari 等人开发了一款医用的跟随机器人[8]，用来跟随并辅助护士进 行日常工作， 该机器人装载了 Kinect 传感器来检测护士的人体骨骼， 从而确定护士相 对机器人的位置，该机器人能够区分人体和其他物体。在室内环境可低速跟随，但是 万方数据 硕士学位论文 安全区域下跟随机器人的研究 5 当环境中出现多个相似的人体时，不易区分，可能错误识别目标。 图 1.6 医用护理跟随机器人 2017 年，KickStart 众筹平台上出现了一款 TravelMate 智能跟随行李箱，这种智 能跟随行李箱内置 GPS 模块，装载全向轮，基于蓝牙和智能手机进行连接，同时具 有智能锁功能， 一旦走丢， 行李箱自动上锁， 该机器人在平坦路面可连续工作 4 小时。 图 1.7 TravelMate 智能跟随行李箱 相比于国外很多机器人已经产品化，国内对跟随机器人的相关研究起步较晚，目 前产品化的较少。国内的跟随机器人目前大多局限于有轨跟随，例如在工厂里一些 AGV自主小车， 其跟随方式是在地面张贴导航磁条， AGV小车跟随磁条来进行运动。 前几年，仓储物流业的蓬勃发展，也推动了物流机器人的发展，其研究聚焦在固定场 景下多机器人协同控制方面， 对于跟随机器人这种人和机器人协同工作方式的研究较 少。但随着智能跟随行李箱等新型产品的出现，近几年国内对跟随机器人的研究逐渐 增加[9]。 上述的各种跟随机器人在对跟随目标定位的基础上，可以实现自主跟随，并完成 万方数据 1 绪论 硕士学位论文 6 物资搬运、信息传递、环境探索、安全巡逻任务，在一定程度上可以减少操作人员的 负担。但与此同时，这些跟随机器人仍存在着一些亟待解决的问题 1 地形适应性不足 现有的跟随机器人大多采用轮式底盘，其研究主要集中在室内或者城市生活 区域，跟随机器人只能适应于室内或者铺装路面等单一场景，其对于户外复 杂地形环境的适应性不足。 2 跟随目标易丢失 跟随机器人对于遮挡较为敏感， 典型的是视觉跟随， 当跟随目标被物体遮挡， 机器人就无法对跟随目标进行有效定位。同时超声波之类的传感器感知范围 较小，操作人员容易离开感知范围，导致跟随目标丢失。这些都限制了跟随 机器人应用的灵活性。 3 自主能力不足 跟随机器人实现自主跟随，需要精确的感知能力和智能的导航方式，一些传 统的路径规划算法用在机器人动态跟随时，存在自主能力不足、计算效率低 等问题。 因此， 如何提高跟随机器人的环境适应性和自主行为能力是近些年的一个研究热 点[10]。在实际应用中，跟随机器人通常需要拥有可靠的控制系统、精确的感知能力、 智能的导航方式，并具有安全便捷的人机交互方式，其研究的热点包括多机器人协 同、人工智能、定位和路径规划、环境感知、电源等[10]。 1.3 论文组织结构论文组织结构 第一章为绪论部分，主要介绍了跟随机器人研究背景和意义，然后介绍了跟随机 器人当前的研究现状以及不足之处，最后对论文结构做简要介绍。 第二章介绍了跟随机器人研究中涉及到的两种关键技术，分别是目标定位技术、 路径规划和运动控制技术， 在第二章中重点介绍了几种有借鉴意义的动态环境路径规 划算法，是后续跟随算法设计的基础。 第三章是跟随机器人的系统集成和总体设计， 在分析了跟随机器人设计需求和功 能的基础上，依据模块化设计的思想，将跟随机器人的设计分为三个部分，分别是机 器人机电系统硬件结构设计、传感器系统的搭建以及软件控制系统的开发。 第四章对跟随机器人进行详细的建模和分析， 首先分析了跟随机器人的机械性能， 包括爬坡能力、停止距离、反应时间、转向半径，然后分析了跟随机器人使用的基 于 UWB 的目标定位方案，接着建立跟随机器人运动学模型，最后对 DWA 算法进行 分析，并提出了基于 DWA 改进的跟随算法，并对该跟随算法进行初步验证。 第五章是测试和验证部分， 首先在 ROS 的 Gazebo 仿真环境下建立跟随机器人模 万方数据 硕士学位论文 安全区域下跟随机器人的研究 7 型，模拟并测试了跟随机器人实际工作过程，最后在户外各种地形条件下对跟随机器 人进行实地测试。 第六章是总结和展望，对研究内容进行归纳总结，总结了一些研究中的问题和不 足之处，并为跟随机器人进一步的研究提供思路。 万方数据 2 关键技术 硕士学位论文 8 2 关键技术关键技术 跟随机器人在未知环境下能够正常工作，需要能够对跟随目标进行准确的定位， 并在机器人和跟随目标之间实时规划一条无碰的路径。 本章重点分析跟随机器人的两 种关键技术，目标定位技术和路径规划技术。 2.1 目标定位技术目标定位技术 跟随机器人在未知环境下，如何获取跟随目标的位置是一个至关重要的问题，是 跟随机器人实现自主移动的必要条件[11]。 目前在跟随机器人领域内应用较多的目标定 位方式包括 1 超声波定位 超声波定位由于其成本低廉、传感器模块化、实现简单等特点，是最早被研究和 普及的一种定位方式。超声原理是通过发射一束超声波，超声波接触被测物体后会产 生回波，可以根据发射的超声波和回波之间的时间差来计算和被测物体的距离。由于 声波传输速度较低，超声波定位的数据帧率较低，有效数据帧大约只有 15Hz，并且 声波的波束角较大，抗多径效应差，无法适应于复杂场景。目前超声波定位主要用于 机器人避障、无人机防碰。 2 射频识别 RFID 定位 射频识别定位技术兴起于上世纪九十年代，其定位系统包括阅读器和标签，一般 采用 RSSI 方式来确定和标签的相对距离，优点是功耗低、易于集成，缺点是通信距 离短[12]，易受干扰。目前射频识别的理论定位精度可以达到分米级。RFID 标签作为 一种廉价的有源标签，通常用于货物流转或者仓库管理上。 3 GPS 定位 GPS 是适用于户外开阔地带的一种定位方式，这种定位方式依赖太空中的卫星， GPS 信号接收设备至少需要收到 4 颗以上的定位卫星的信号才能解算出位置，在导 航软件中获得广泛应用。通常民用的 GPS 定位精度是 530 米左右，而智能手机中的 高精度定位是结合了 GPS 和通讯信号基站来综合定位，理想情况能将精度提高到米 级，来满足汽车导航的需求。如果需要更高的 GPS 定位精度，可以采用差分 GPS。 差分 GPS 的精度可以提高到厘米级，但是其缺点是需要架设差分基站，使用成本十 分高昂。GPS 在户外可以满足不同级别的定位需求，但是 GPS 定位有其自身缺陷， 卫星信号受天气和建筑物遮挡的影响比较大， 城市中建筑物越来越密集， 导致 GPS 有 时很不可靠[13]。 4 蓝牙定位 万方数据 硕士学位论文 安全区域下跟随机器人的研究 9 蓝牙定位是通过测量接收到的蓝牙信号强度来实现定位的，功耗比较低，这种