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1、南 开 大 学本 科 生 毕 业 论 文（设 计）中文题目: 基于MATLAB和ROS平台的移动机器人运动控制 外文题目: Mobile Robot Motion Control on MATLAB and ROS 学 号： 姓 名： 年 级：2011级 学 院：计算机与控制工程学院系 别：自动化与智能科学系专 业：自动化 完成日期：2015年5月指导教师： 关于南开大学本科生毕业论文（设计）的声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、以公开发表或没有公开发表的作品内容。对本论文所
2、涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 本人声明：该学位论文是本人指导学生完成的研究成果，已经审阅过论文的全部内容，并能够保证题目、关键词、摘要部分中英文内容的一致性和准确性。 学位论文指导教师签名： 年 月 日摘 要机器人操作系统（Robot Operating System, ROS）的开源性和对硬件的强兼容性简化了机器人平台的搭建工作，而MATLAB作为一款强大的科学计算软件，则可以提高各种算法的开发效率，并在控制系统设计、机器视觉等移动机器人领域相关方向提供了大量的应用支持。但是，这两
3、个平台之间并不友好兼容。本论文致力于统合ROS和MATLAB两大平台的优势，为移动机器人的开发建立一个友好强大的架构。该文基于ROS和MATLAB两大通用工作平台，实现了这两个平台之间数据和控制命令的传输，从而为提高控制算法的开发效率、加快软硬件之间的整合工作建立了基础。进而，搭建了以运行Linux环境下ROS和Windows下MATLAB的运算平台作为控制系统、以iRobot Create为运动底盘、搭载Kinect传感器的一种通用移动机器人系统架构，由Kinect RGB-D传感器获取移动机器人周围环境的图像和深度信息。通过MATLAB进行点云数据处理、障碍物判别和运动规划，由ROS进行移
4、动底盘的运动控制。通过避障这一基本的运动控制任务，测试了平台的性能，验证了这一系统架构的实用性、通用性和稳定性。该文提出的基于MATLAB和ROS的控制系统架构，能够兼容相当数量的驱动器和传感器类型，能够在此平台上深入开展机器人领域的相关工作，从而可以为机器人系统的硬件集成和算法设计实现，提高开发效率。关键词: 移动机器人MATLAB 机器人操作系统（ROS）运动控制 避障AbstractThe open-source Robot Operating System (ROS) has strong hardware compatibility and provides plenty of al
5、gorithms, and thus can greatly simplify the construction process of robotic systems. On the other hand, MATLAB, as a powerful scientific calculation, simulation and control platform, can improve development efficiency of data processing and control algorithms. Strong functionality and massive applic
6、ations in the field of mobile robots, such as control algorithm design and computer vision, are available in MATLAB. However, these two platforms do not work well with each other yet. This thesis focuses on the fusion of the strength of ROS and MATLAB, and establish a friendly and powerful architect
7、ure for development of robotic systems. First of all, communication and transmission of data and control commands are realized between ROS and MATLAB, establishing the foundation for seamless integration of hardware and algorithms that are supported by either platform. Then, a mobile robot platform
8、is designed and realized, with a portable computer running ROS in Linux and MATLAB in Windows as the central control system, the iRobot Create as the movement chassis and the Kinect RGB-D sensor to detect environment information. MATLAB processes the point cloud data from Kinect, identifies obstacle
9、 and calculates the designed motion. The motion commands are sent to ROS and executed by the iRobot Create chassis. Experimental results with successful obstacle avoidance have verified the feasibility of the system architecture, specially the seamless integration of algorithm implementation with RO
10、S and MATLAB. The proposed control system architecture with ROS and MATLAB, supports considerable number of actuator and sensor types, and provides strong flexibility for further robotic research, and thus, can greatly accelerate hardware integration and improve the development efficiency of softwar
11、e design and implementation of robotic systems.Key Words: Mobile Robot, MATLAB, Robot Operating System (ROS), Motion Control, Obstacle Avoidance目 录摘 要IAbstractII目 录IV第一章绪论11.1课题背景、目的及意义11.2国内外研究现状21.3论文的主要内容4第二章移动机器人硬件和软件平台的搭建与整合52.1移动机器人运动模型和平台介绍52.2 Kinect传感器72.3 ROS及其应用程序92.4 MATLAB平台及其Kinect、ROS
12、应用122.5本章小结14第三章基于点云的移动机器人运动控制与避障153.1基于点云数据和地面线性模型的障碍物判别153.2移动机器人的运动控制与避障173.3本章小结18第四章实验与结果分析194.1障碍物判别效果分析194.2避障任务效果分析204.3工作总结21第五章总结与展望225.1论文工作总结225.2研究方向展望22参考文献23致 谢25第一章 绪论1.1课题背景、目的及意义移动机器人涉及到多个学科领域，包括控制理论、机器视觉、传感器与测控技术、系统工程等研究方向，多学科领域的知识融合对移动机器人的实验平台构建与维护造成了相当时间和资源上的消耗，而对移动机器人软硬件高度集成支持的
13、平台极大地为研究人员提供便利，并能够提高系统的容错率，使系统更容易在新的平台上复现，进一步促进研究工作、知识和理念的推广与传播。MATLAB作为一款强大的科学计算软件，极大地提高了控制算法的开发效率，而且在控制系统设计、机器视觉等移动机器人领域相关方向均有大量的应用支持。但MATLAB对硬件，如传感器、驱动器的支持不够广泛，大多数情况仍需要用户自行编写驱动程序。ROS的开源性质和对硬件驱动的强兼容性缩短了平台的搭建时间，并将硬件信息应用于机器人的控制处理模块中，但需要用户在LINUX环境下使用C+开发控制算法，相比MATLAB的一键调试执行，消耗更多的时间。本课题的目的在于通过MATLAB这一
14、易用性强、兼容性好的科学计算软件，ROS减少繁杂的实验平台搭建工作，构建兼容Kinect、iRobot Create等设备的移动机器人运动控制平台。本平台不需要在LINUX环境下调试复杂的C+程序，而只需在处理从Kinect获取的点云信息的基础上，通过ROS的消息收发机制，在MATLAB平台下编写与ROS通信的脚本，即可达到在室内环境实时控制移动机器人避障的目的。本课题的研究涉及移动机器人的运动控制，在LINUX环境下的ROS基础机制和相关应用配置，面向对象的MATLAB程序设计，MATLAB与ROS通信技术，Kinect设备及点云应用等多方面的知识，对了解、掌握机器视觉以及移动机器人的运动控制方式具有十分重要的意义。同时，了解不同平台在移动机器人领域的应用场景，为我今后学习、研究工作提供了充分的素材，从中获得大量的经验与全新的研究视角。1.2国内外研究现状在移动机器人领域，对MATLAB和ROS平台进行整合，并应用于移动机器人运动控制的国内外研究进展情况如下：拉瓦尔大学的Yannick等学者利用MATLAB对多用户调度的灵活处理，控制算法的易用性和ROS对不同型号传感器的通用性支持，将两大平台整合成名为ros4mat的编程界面，应用于机器人教育领域，如采用乐高机器人讲
