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1、4守/&蚀化工女蚩信息与控制工程学院毕业设计（论文）开题报告论文题目：基于网格线的自主机器人定位系统设计 学生姓名: 专业班级：电子信息工程01学 号：03030115指导教师：副教授）2011 年3月 7日填写说明：1. 题目的背景和意义对题目的出处，背景和意义进行说明论述，不少于300字。2. 题目研究现状概述通过调研和查阅文献，对题目所涉及的技术、理论和研究成果进 行说明论述，不少于1000字。3. 题目要完成的主要内容和预期目标对题目要完成的主要内容进行说明，并说明达到的预期目标，不少于300字4. 进度计划从设计开始的教学周起，依据任务书的进度安排进行细化并以周 为单位给出主要工作和
2、完成的任务。5. 参考文献对“2.题目研究现状概述”项引用的资料、论文或著作按照引用 顺序列出参考文献（格式同论文参考文献）。不少于10篇（其 中近3年的文献占1/3以上），注：相应栏不够时自动加页。排版要求：正文，宋体，小四，行距固定值20磅要求学生在毕业设计（论文）开始后的第2周末完成开题报告,并交到指导教师评阅（交电子稿和双面打印稿）。1. 题目的背景和意义机器人学的进步与应用是2（）世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义 上的自动化。从某种意义上讲，一个国家机器人技术水平的高低反映了这个国家综合 技术实力的高低。随着机器人应用领域的不断拓展，人们对机器人的作业要求也逐渐 向大范围
3、、高难度的方向发展。这就要求机器人具有更大的活动空间和更强的适应能 力。作为传感器、执行器、运动规划密切结合的活动载体，机器人具有广阔的应用前 景和商业价值，其研究也越来越受到人们的重视。要实现机器人的自主导航就要解 决三个问题，即：Where am I? Where am I going? How should I get there?这第一个问 题就是移动机器人的自定位也就是要明确机器人在环境中的正确位置，只有解决这个 问题之后，第二个问题即机器人的运动FI标才有意义。最后一个问题是机器人路径规 划问题，也就是要在当前位置和目标位置之间规划出一条合理的路径。确定移动机 器人的位置是在机器人
4、的各种应用中首先需要解决的最基本问题之一。只有确定了 自己的位置，机器人才能够谈得上完成其它的功能。由于机器人定位问题的显而易见 的重要性，它始终是机器人研究者们热门的研究之一。2. 题目研究现状概述机器人要自主地完成路径规划、避障和预定的作业任务，就需要实时地知道自己 相对于外部世界的位置和姿态。因此，自主定位是机器人的一项重要的基本功能。定 位和路径规划之间的关系也被称之为“鸡与蛋”的关系。现有的移动机器人自主 定位方法主要包括：航迹推算、组合定位和感知定位。航迹推算是通过测量机器人相 对初始位置的距离和方向来确定机器人的当前位置，长时间累计造成定位误差大，通 常与基于网格线的定位方法相结
5、合，利用环境特征和路标识别来消除或减少累积定位 误差。组合式定位系统则通过测量移动机器人的绝对位置来实现定位，定位精度高， 主要包括全球定位系统（GPS）o 下面介绍几种常用的定位方法： 1.三角定位方法这种方法需要预先在场景中定位一些参考点，这些点在全局环境中的位置己知， 彼此之间的空间几何关系己知。当机器人在场景中定位时设法获得这些点相对于机器 人当前位置的几何信息，然后通过计算得到机器人在全局环境中的位置信息oSugihara 研究了能测量相对.于路标的方向，但不确定距离的方法。Betke和Gurvits研究了路标 可辨识情况下的定位算法。2 .路标定位方法（网格线定位法）这种方法是将传
6、感器检测到的特征或路标与机器人己知地图中相应的特征或路 标匹配，实现定位。在定位中找到的路标越多，就越有利于判断机器人当前的位置。江宁石油化工大学 信息与控制工程学院School of Information and Control Engineering Drumhell护刀应用声纳检测墙壁，实现了这种算法。而Simsarian等人提出了一-种改 进的方法，他们把地图分解成视野不变区域，用搜索树方法搜索，以减少特征匹配的 代价，提高定位速度。Talluri和Aggarwal提出类似的在平面上匹配线段的定位方法。 Coxllol用激光测距器检测出建筑物墙壁，并用对应的线段表示，通过搜索树方法实
7、 现了平面里的线段匹配实用技术。Lu和Milios将全局地图和局部地图都用感知到的 点集表示，从不同位置扫描环境集合中，提取特征空间，在子空间中匹配地图实现定 位.Atiya和Hager产火寸论了路标为2维平面上点集时的定位问题。路标定位方法中，还有一种基于路标匹配的概率定位方法，这种方法通过用-个 概率分布估计表示可能的位置，估计值最大的为最佳位置。机器人移动时，更新机器 人位置的概率分布。考虑到航位推测产生误差引起的位置估计不确定性，当机器人感 知到环境时，吸收新的数据更新概率分布，这样减少机器人位置的不确定性。 Nourbakhsh等利用部分可观测的马尔可夫模型的定位方法，不需要度量信息
8、。 Silnlnon和Koening研究联合部分可观测的马尔可夫模型和证据格子模型，用拓扑和 度量信息实现了定位。Thrun等按最大似然测量方法，用最大期望值算法同时实现定 位和绘制地图。Fox等给出了用马尔可夫定位技术的主动定位方法。3 .地图匹配方法地图匹配法就是机器人根据移动中感知的地图与全局地图匹配确定自己的位置。 Elfesll刀用占有格表达环境地图定位通过将局部占有格和全局的占有格的匹配，根据 相应格子的最大乘积确定位置。另一种用于大环境的定位技术，是通过检验视野内的特征并将他们与已知的地形 高度图匹配，Talluri和Aggarwal用地面线条的形状在数字高度地图上搜索机器人的
9、位置。Stein和Medioni用多边形链近似地面线段，用索引表存储地面子线段，通过 几何约束选择最佳匹配。Thompson等从地面和其它可见的山脊和山丘上提取特征， 在经过预处理的地图上搜索实现特征C空间的匹配。Cozlnan和Krotko研究的方法 也检测地面上的山峰，并用查找表在位置空间中搜索，以最大的后验概率来确定正确 位置。基于地图匹配的方法中，还有一种利用三维地图进行匹配的方法，即用机器人附 近的三维地图匹配以前产生的地图。Kweon和Kanade首先采用了这种方法，他们通 过多种局部地图获得全局地图。通过提取和四配特征获得相对位置的一个初始估计; 接着用优化程序迭代精细估计更准确
10、位置。张正友也描述了能用来匹配三维地图的定 位技术。二者都用迭代方法，每一次迭代决定每个点的最近匹配；然后基于最小二乘 方法更新估计的位置，并用一些修正技术来增加位置估计的鲁棒性。3. 题目要完成的主要内容和预期目标视觉在人类生活中起着非常重要的作用，每天人们都通过眼睛采集大量的信息， 这些信息经过大脑的处理，成为人们认知和理解世界的基础。科学证明，人类从外部 世界得到的总信息的80%来自于视觉系统。对于每一个移动机器人来说，都需要足够 的知识来确定机器人的运动位姿（包括机器人的位置及运动方向）。通常移动机器人的 上都安装了里程计，通过里程计的读数，就可以估计机器人的位姿。但是这个估计是 需要
11、校正的，因为里程计的读数存在许多不精确因素。例如，在实验室内光滑的地面 环境中，机器人的车轮非常容易打滑，这会使里程计读数不准确。这种对校正的需要 几乎和机器人本身的历史一样长。因此可以想象，如果可以将视觉信息应用到机器人 的定位过程中，那么完全可以避免如车轮打滑等自身因素带来的定位误差。还有就是 自身安装计数器对车型机器人行进的脉冲间隔进行读数从而推算出每脉冲行进多少 距离和旋转多少角度，这对于移动机器人的定位来说具有非常重要的意义。虽然在计算机视觉方面，许多专家己经做了大量的研究，但是与人类视觉相比， 计算机视觉发展还非常不够，还处于初级阶段，如何让机器人通过视觉更好地认知并 理解世界还是
12、一个非常困难的问题，因此很多学者都致力于这方面的研究。预期目标：本论文提出的定位方法属于路标定位法一即基于网格线机器人定位法，利用安装 在机器人上的红外探头对网格线的灰度进行探测，随后确定红外探头与这些网格线的 相对距离和方位，从而得到机器人本身的位置。如:在一个铺满地板砖的室内，通过 安装在机器人上的红外探头对地面实际情况并从绘制的网格线上识别并跟踪横纵线， 确定车型机器人切入切出网格线的状态，然后由此实时计算得到红外探头的位置；也 可以同时从机器人内部通过航迹推算法获得机器人的位置，当机器人红外探头的光轴 经过每一条网格线时，利用网格线的灰度进行探测，再对车型机器人经过实际脉冲测 算出结果
13、进行修正，从而达到精确定位的目的。4. 进度计划第1周（28/26/3）调研、查阅文献。第2周（7/313/3）阅读文献、撰写开题报告。第3周（14/320/3）分析有关文献，了解C#基本概念。第4周（21/327/3）继续了解C#的特点和使用方法。第5周（28/33/4）进一步掌握C#语言，并且和Access进行连接。第6周（4/410/4）设计机器人的的各个模块的大体结构。第7周（11/417/4）对机器人的各个模块进行具体编程。第8周（18/424/4）对机器人各个模块进行具体编程。并进行初步的调试。第9周（25/41/5）对机器人的初步调试进行修改加以完善。第10、II周（2/515/
14、5）总结前阶段的理论成果，理清思路，确立论文的线索和突江宁石油化T.大学 信息与控制工程学院School of Information and Control Engineering 破点。第12周(16/522/5)撰写论文初稿，包括论文需要的相关的理论、概念和格式。第13、14周(23/55/6)继续完成论文细节推敲，对于其中重要问题，在教师的指 下得解决和改进，争取在该问题的研究中取得一定的突破第15周(6/614/6)认真的检查、校对论文，发现不足之处，改正并加以改进。第16周(15/617/6)经指导教师检查合格后，按照要求打印、装订论文并准备答5. 参考文献I 伍龙军，朱维兵.Mi
15、roSot足球机器人决策子系统的研究D.成都：西华大学， 2008 金文俊，7马浩.自主移动机器人的定位与运动控制D.杭州：浙江工业大学，20083 孙富春，朱纪洪，刘国栋等.机器人学导论(译)M.北京：电子工业出版社，20044 于平.移动机器人核心控制系统研制开发D.哈尔滨：哈尔滨理工大学，机械动 力工程学院，20055 王刚，张志禹.多传感器数据融合的研究现状J.电测与仪表.2006,43(2)： 1-56 R Nourbakhsh. introduction to Autonomous Mobile RobotsfM.西安交通大学出版 社，20067 董再励，王光辉.自主移动机器人激光全局定位系统的研究J.机器人，2000, 22(3)： 12-168 徐绍铃，张华海，杨志强.GPS测量原理及应用M.武汉：武汉测绘大学出版 社，19989 刘基余，李征航.全球定位系统原理及应用M.武汉：测绘出版社，199310 梁毓明，徐立鸿.移动机器人路径规划技术的研究现状与发展趋势J.学术论 文，机电一体化，2009(3)： 35-38II 杨明，王宏，张锻.基于激光雷达的移动机器人位姿估计方法综述J机器人， 2002, 2(24) : 177-183121秦志强.C51单片机应用与C语言程序设计M.北京：电子工业出版社,200
