关联记忆型自主避障探测小车设计研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 5 4 3.98MB 58 页 15积分

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摘要

在执行复杂未知环境下的现场搜救和勘察任务时，若采用智能探测车代替人

员在现场作业将有效避免工作人员的意外受伤及不必要的财产损失。传统的地面

探测车通常只是针对当前传感器的信息做出相应的固有策略反应，对探测历经过

程中的环境信息记忆与关联处理等开发研究还不够，当需要对某些特定的复杂固

定环境进行重复探测时，就无法有效利用之前的探测经验和数据，使探测效率大

为降低。

为改善这种情况，本文提出了一种关联记忆型自主避障探测小车系统设计方

案，该系统方案使得探测车能够对所经历的环境信息以及对于这些信息所做出的

反应进行有序记忆储存，当探测车要判断以前是否经历过当前需要处理的环境时，

可以通过查询存储器来关联之前的相关信息，以此达到提高探测车运行效率的目

的。

整个探测小车系统分为两大部分：一部分为上层的中央控制系统，主要负责

协调、控制整个系统的运行；一部分为下层的执行系统主要由运动控制模块和内

外部测量传感器模块组成，负责完成探测小车的运功控制、环境及自身状态数据

的测量、采集功能。中央控制系统将内外部传感器测得的环境及自身状态数据分

析处理后，控制探测小车做出相应的动作，同时将分析处理后的数据通过无线通

信模块上传至监测终端。

系统的硬件部分采用 MC9S12XS128MAA 作为系统的主控芯片控制各个模块

的数据采集及处理；采用三轴磁阻传感器 HMC5883L 和开关型霍尔传感器 3144

实现探测小车的运动坐标定位；利用超声波传感器和红外避障传感器组成的两级

避障机构实现探测小车在运动过程中的自主避障；通过超低功耗的 nRF24L01 无线

通信模块实现探测小车与监测终端之间的数据传输。

系统的软件部分是在 Freescale 公司的提供的 CodeWarrior 5.9.0 开发环境下采

用C语言的形式编写完成。在软件的整体设计过程中采用模块化设计，即将整个

系统拆分成电机控制模块子系统、电子罗盘模块子系统、自主避障模块子系统以

及坐标定位子系统等多个独立的子系统，子系统之间通过接口进行相互通信，在

一定程度上简化了整体系统的设计流程，提高了系统的可靠性和鲁棒性。

本文研究的关联记忆型自主避障探测小车系统能够通过内外部传感器感知环

境和自身状态的信息，以较低的成本实现在有障碍物环境中搜索探测目标的自主

运动，通过对所经历过的探测经验和数据的有效利用，提高了探测小车对复杂环

境的适应能力和探测效率。实验结果表明，该系统运行正常，稳定性良好，基本

达到了预期的设计目标。

关键词：自主避障关联记忆目标定位智能控制探测车

ABSTRACT

When people implement site search and rescue and reconnaissance mission in the

complex unknown environment, the intelligent rover instead of people to do the job in

the field can effectively avoid personnel injury and unnecessary loss of property. The

traditional rover usually just makes the corresponding natural strategy reaction to the

current sensor information, and cannot memorize and process environmental

information. If some specific complex environment needs to be detected repeatedly,

detective experience and data cannot be used with traditional technology, so the

detective efficiency will be reduced.

To deal with the problem, this thesis puts forward the system scheme of a kind of

autonomous obstacle-avoiding detection car with the function of association memory,

the system scheme plays the role in orderly memorizing environment information that it

just experienced and doing the corresponding reaction to that information, and the

vehicle can judge that whether it had passed the same environment by reading the

memory, so the system scheme can achieve the purpose of improving the efficiency of

the vehicle.

The whole detective system includes two parts, one part is the top central control

system that is mainly responsible for coordinating and controlling the operation of the

whole system; the other part is the implementation of the system that is mainly

composed of motion control module and internal and external measurement sensor

module, with the function of controlling the movement of the car, measuring and

acquiring data of environment and their own status. The central control system will

handle the data from the inside and outside sensors and use the data to control the

movement of the car and at the same time send the data to monitoring terminal through

the wireless communication module.

MC9S12XS128MAA as main control chip of system hardware unit to control data

collection and processes of every module; Using three axis magnetic resistance sensor

HMC5883L and switch type hall sensor 3144 to realize movement coordinate setting of

the car; Using two levels of obstacle avoidance mechanism consisting of ultrasonic

sensors and infrared obstacle avoidance sensor to realize the obstacle avoidance during

the car movement; using the wireless communication module nRF24L01with the low

power consumption to realize data transmission between the detection car and

monitoring terminal.

System software was finished in C language under CodeWarrior 5.9.0 development

environment provided by the Freescale Company. Using the way of modular design to

design the system software, in other words, the whole system consisted of motor control

module subsystem, electronic compass module subsystem, autonomous obstacle

avoidance module subsystem and coordinate setting subsystem, and other independent

subsystems, subsystems communicate with each other through the interface between

them. To a certain extent, modular design simplified the design process of system, and

improved the reliability and robustness of system.

The system of association memory type autonomous obstacle-avoiding detection

car can get the information of environment and their own state through the internal and

external sensors, and realize the function of intellectually detecting target in the

environment with obstacles with low cost, and improve the adaptability to complex

environmental and detection efficiency of the vehicle by effectively using experienced

detection experience and data. The experimental results show that the system has well

operates, has good stability, and achieves the desired goal.

Keywords: Autonomous obstacle-avoiding, Association memory,

Target location, Ground exploration vehicle

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................ 1

1.1 课题的研究背景及意义 .......................................... 1

1.2 智能探测车的研究现状 .......................................... 2

1.2.1 国外研究现状 .............................................. 2

1.2.2 国内研究现状 .............................................. 4

1.3 本文主要研究内容及结构安排 .................................... 5

第二章探测小车整体系统方案 .......................................... 7

2.1 探测小车的设计目标 ............................................ 7

2.2 探测小车的系统分析 ............................................ 7

2.3 探测小车系统方案设计 .......................................... 8

2.4 本章小结 ....................................................... 8

第三章探测小车基本运动模型分析 ...................................... 9

3.1 探测小车基本运动模型说明 ...................................... 9

3.2 探测小车里程计模型分析 ........................................ 9

3.3 探测小车方向角变换模型分析 ................................... 11

3.4 探测小车目标定位模型分析 ..................................... 13

3.5 本章小结 ..................................................... 14

第四章探测小车硬件系统设计 ......................................... 15

4.1 探测小车硬件系统的组成 ....................................... 15

4.2 探测小车的单片机系统 ......................................... 16

4.3 探测小车内部测量传感器模块 ................................... 17

4.3.1 电子罗盘 ................................................. 17

4.3.2 霍尔编码器 ............................................... 23

4.4 探测小车外部测量传感器模块 ................................... 24

4.4.1 超声波测距传感器 .......................................... 24

4.4.2 红外避障传感器 ............................................ 26

4.4.3 颜色识别传感器 ........................................... 26

4.5 无线通信模块 ................................................. 28

4.6 电源模块 ..................................................... 29

4.7 本章小结 ..................................................... 30

第五章探测小车软件系统设计 ......................................... 31

5.1 探测小车驱动轮电机控制模块软件设计 ........................... 32

5.2 探测小车电子罗盘模块软件设计及误差分析 ....................... 34

5.2.1 探测小车电子罗盘模块软件设计 ............................. 34

5.2.2 探测小车电子罗盘模块的误差分析 ........................... 36

5.3 探测小车自主避障模块软件设计及误差分析 ........................ 38

5.3.1 探测小车自主避障模块软件设计 .............................. 38

5.3.2 探测小车自主避障模块误差分析 ............................. 39

5.4 探测小车运动坐标定位软件设计及误差分析 ........................ 41

5.4.1 探测小车运动坐标定位软件设计 .............................. 41

5.4.2 探测小车运动坐标定位误差分析 ............................. 43

5.5 本章小结 ..................................................... 44

第六章探测小车实验验证 ............................................. 45

6.1 探测小车性能实验 ............................................. 45

6.2 本章小结 ..................................................... 46

第七章总结和展望 ................................................... 47

7.1 本课题取得的主要成果 ......................................... 47

7.2 存在的不足与展望 ............................................. 47

参考文献 ........................................................... 49

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 53

致谢 ............................................................... 54

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摘要在执行复杂未知环境下的现场搜救和勘察任务时，若采用智能探测车代替人员在现场作业将有效避免工作人员的意外受伤及不必要的财产损失。传统的地面探测车通常只是针对当前传感器的信息做出相应的固有策略反应，对探测历经过程中的环境信息记忆与关联处理等开发研究还不够，当需要对某些特定的复杂固定环境进行重复探测时，就无法有效利用之前的探测经验和数据，使探测效率大为降低。为改善这种情况，本文提出了一种关联记忆型自主避障探测小车系统设计方案，该系统方案使得探测车能够对所经历的环境信息以及对于这些信息所做出的反应进行有序记忆储存，当探测车要判断以前是否经历过当前需要处理的环境时，可以通过查询存储器来关联之前的相关...

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