哈尔滨工程大学
攻读硕士学位研究生论文
开 题 报 告
专 业 导航、制导与控制
研究方向 组合导航系统技术
姓 名 刘 彪
指导教师审查意见： 审查合格，同意存档。 指导教师签字： 年 月 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文开题报告 题 目：室外监控机器人的微小型组合导航系统设计 专 业：导航、制导与控制 硕 士：刘 彪 导 师：钱华明 教授
一． 课题研究的背景、目的和意义
目前，服务机器人正处于萌芽阶段。发达国家已经着手开发智能服务机器人相关的科技产业，根据日本机器人协会(JARA)对日本国内服务机器人需求的统计调查，预计2010年其服务机器人产值为249亿美元左右；韩国通信部(Korea Ministry of Information and Communication)调查研究报告也显示：2012年全球智能机器人的产值达2500亿美元，2015年市场需求介于1000亿美元至5000亿美元之间，预计2012年其服务机器人产业全球市场占有率达10%，成为第三大机器人制造国，创造2万个新的就业机会，整个出口值达100亿美元。
监控机器人作为服务机器人的一种广泛应用与室内、外环境下的陪护、看守、安保、巡逻以及后勤服务等，适用于机场、核电站、变电站、监狱以及边界巡逻等场所。发达国家对监控机器人的研究进行的较早，有较多的产品问世如。目前，在伊拉克和阿富汗战场上，美军总共使用着大约5000多台机器人，它们能够广泛地执行各种任务。“剑”式武装巡逻机器人和防爆机器人就是其中的佼佼者。“剑”式机器人的全称是“观察、侦察与探测特种武器系统”，这种机器人身高0.9米，最高时速9公里，配备有5.56毫米口径的M249机枪，外加M16系列突击步枪与M202-A16毫米榴弹发射器。除此之外“剑”式机器人还拥有摄像机、夜视镜、变焦设备等光学侦察以及高精度导航设备，这些装备可以保证机器人在任何时候、任何天气状况下都能轻易通过楼梯、岩石堆和铁丝网，在雪地及河水中行走自如，并可在关键时候执行情报侦察任务。iRobot防爆机器人主要用于扫清充满简易爆炸物的道路，它可以利用其2米长的操作臂，进入车辆内部以及底盘处探测炸弹，同时其控制器上会显示危险系数以及被测目标的数码图像。
随着监控机器人的推广应用，对机器人的性能要求也是越来越高，在未知环境中自主行走成为了监控机器发展的必然趋势。因此对机器人导航系统和传感器信息融合提出了更高的要求，表1.1给出了近些年来机器人的导航系统所使用的传感器和信息融合手段，从表中可以看出随着机器人使用环境的变化，机器人导航系统使用的传感器越来越多，信息融合手段也越来越复杂化、智能化。特别是在未知环境中的机器人导航系统由于其涉及环境认知、优化决策、知识表达、运动控制等多项关键技术成为未来导航系统研究的主要方向。
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哈尔滨工程大学硕士学位论文开题报告 表1.1机器人导航系统及信息融合手段 机器人 Ranger Sojourner Sasiadek Robin Anfm 传感器 触觉、超声、摄像机 里程计、声纳 加速度计 GPS、INS CCD摄像机 激光传感器、触觉传感器、超声传感器 摄像机、SINS、GPS 超声、红外探测器 摄像机、GPS、SINS Seekers 里程计、电子罗盘、红外、激光测距仪 室外未知环境 粒子-卡尔曼滤波 执行环境 室内未知环境 火星表面环境 三维避障环境 未知人造环境 未知的自然环境 信息融合手段 卡尔曼滤波 扩展卡尔曼滤波 卡尔曼滤波 神经网络 模糊逻辑神经网格 二．室外监控机器人导航系统的关键技术
对于室外监控机器人的导航系统来说，很多理论还需要完善，所取得的理论成果还需要在实际的工程应用中不断完善，其涉及的范畴，不仅包含环境感知、定位、运动控制和路径规划和决策，还包括传感器和多传感器信息融合等。 (1) 环境感知技术
室外监控机器人要在未知环境中移动必须依靠各种传感器获取外界的环境信息，以指导其行为。因此获取环境信息成为机器人导航系统研究的关键技术之一，环境感知技术包括传感器技术和环境综合建模技术。通常依据感知环境信息的不同把机器人传感器分为内、外两类传感。内传感器用来感知机器人自身的状态，以用来调整机器人的行动。常用的内传感器有陀螺仪，加速度计、里程仪等；外传感器用来获取周围环境信息、障碍物以及目标物体的状态特征，使机器人与外部环境之间发生作用，从而使机器人对环境具有自我校正和自我适应能力，目前常用的外部传感器包括：机器视觉(CCD图像传感器和摄像机)、红外传感器、激光测距仪、超声波传感器等。
“环境信息综合”是一个对传感器感知到的信息进行综合建模的过程。环境模型的精度很大程度上依赖于机器人的定位精度(传感器精度或者滤波算法)，而定位的精度又离不开环境模型建立的准确度。一个合适的环境模型将有助于机器人对环境的理解，降低规划和决策的计算量，有效地辅助机器人实现导航控制，是感知到认知的重要标志。 (2) 多传感器信息融合技术
多传感器信息融合的目的是提高系统的可靠性和鲁棒性，扩展时间上、空间上的观测范围，增强数据的可信任度，增强系统的分辨能力等。多传感器信息融合的方法包括：像素级融合、特征级融合和决策级融合，具体技术有卡尔曼滤波、综合平均，神经网络，粒子滤波等。目前信息融合技术并不完善，机器人在未知环境中的多传感器信息融合主
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哈尔滨工程大学硕士学位论文开题报告 要集中在：动态环境下的信息融合技术，主动传感器信息融合技术。由于环境的动态性，从传感器获得的信息具有不确定性，因此如何降低信息的不确定性，建立合理的不确定性模型，是信息融合的一个重要研究方向。减少信息融合的错误率，提高融合的实时性，建立信息融合质量的评价机制是多源信息融合的一个目标。在机器人的导航系统中装配了很多种传感器，如何管理和使用有限的传感器资源，为机器人导航提供准确的环境信息和模型成为一个值得研究的课题。 (3) 故障检测与诊断技术
对于组合导航系统来说，容错设计的出发点是从系统的整体上来提高可靠性，设计的主要方法是是系统具有自监控的功能，通过监控系统，实时监测并隔离故障部件，进而采取必要措施，切掉故障部件，将正常的部件重新组合起来(系统重构)，从而使整个系统在内部有故障的情况下仍然能够正常工作或降低性能安全地工作。现有的故障检测与隔离方法(Fault detection and isolation ,FDI)有：基于硬件余度法，基于解析余度法和基于人工智能的方法等。 (4) 路径规划技术
路径规划是室外监控机器人按照某一性能指标搜索一条从当前位置移动到目标位置的最优无碰撞路径。当前，机器人路径规划的研究主要包括以下三种类型：
(1) 基于环境先验完全信息的路径规划； (2) 基于传感器信息的不确定环境的路径规划； (3) 基于行为的路径规划。
其中(1)为已知条件下的离线全局规划，它的任务是根据全局地图数据库信息规划出自起始点至目标点的一条无碰撞的最优路径。常用的方法包括：栅格法、人工势场法等。(2)(3)为局部路径规划方法，是在环境信息完全未知的情况下，室外机器人没有任何先验知识，此时的路径规划以提高室外机器人的避障能力为主，常用的方法包括：人工势场法、遗传算法、人工神经网络、模拟退火法、蚁群算法和粒子算法等。 (5) 障碍物检测
对于室外监控机器人来说，实现无障碍运动的首要目标是要检测出障碍物的位置、速度。目前常用的传感器有CCD摄像头、超声传感器、红外传感器和激光测距仪等。但是每种传感器都有其局限性。超声传感器价格便宜，但探测波束角过大，方向性差，红外传感器探测视角小，但无法提供距离信息，视觉传感器容易受光线强弱的影响且图像处理复杂。因此常常使用多种传感器共同探测障碍物的位置和速度。 (6) 运动控制
运动控制是室外监控机器人的导航系统实现其导航功能的最后一个环节。室外监控机器人将使用内、外传感器感知到的环境信息，在建立好的环境模型中依据规划的路径(或者依据传感器的信息反应式)控制机器人到达目标位置。常用的方法包括基于路径规划的移动机器人路径跟踪控制和基于传感器—执行器直接映射的运动控制。大量研究表明后者是一种比较灵活的控制方法。
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哈尔滨工程大学硕士学位论文开题报告 由于室外监控机器人的导航系统是一个较为复杂的系统，涉及的内容较为广泛，因此本文只针对环境感知技术和多传感器信息融合技术进行研究。
三.本课题主要研究内容 3.1 系统总体设计
室外监控机器人是一种适合于在复杂的非结构化环境中工作的自主式移动机器人，按照总体结构和性能指标要求它具有高度的自规划、自组织、自适应能力。因此，实验平台拟采用基于嵌入式单板计算机(PC104)的分布式主从控制结构，上位机系统主要负责数据融合，任务分解，策略选择制定，以及协调控制各子模块工作等；下位机拟采用意法半导体(ST)公司生产的具有Cortex-M3内核的STM32F103为微控制器(Mircro Controller Unit,MCU)，主要负责数据采集和运动控制。整个实验平台由上位机系统、环境感知子系统、运动控制子系统、监控子系统、人机交互子系统五部分构成，并采用规范化封装的功能模块，当上位机需要某个模块的数据时，子模块直接向上位机提供该模块经过处理以后的数据。
虚拟传感器GPS接收机RS232 EC3-1811LDNAADXL345导航计算机STM32F103RBSTM32F103RBMicroMag3ECADIS16355触摸屏显示DC电源模块AHRS数据采集通信子模块机器人电源导航解算子模块
图3.1 微惯性组合导航系统框图
导航技术作为室外监控机器人实现智能化自主导航的关键技术，是机器人准确定位，迅速有效执行任务的基础。基于低成本、适用性的考虑室外监控机器人采用“GPS+MSINS+EC+虚拟传感器”的微小型组合导航技术，并通过多传感器信息融合技术，解算出机器人实时的位置、速度和姿态。室外监控机器人的微小型组合导航系统如采用双处理器两个模块同步工作的模式，一个模块用于数据的采集称为数据采集通信子模块，它包括航姿参考系统（Attitude and Heading Reference System,AHRS)和里程计，
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