基于ROS的全向移动机器人室内定位与运动控制研究

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1、工程硕士学位论文基于ROS的全向移动机器人室内定位与运动控制研究作者姓名谢先治工程领域机械工程校内指导教师叶峰副教授校外指导教师代大山高级工程师所在学院机械与汽车工程学院论文提交日期2018年4月12日ResearchonIndoorPositioningandMotionControlofOmnidirectionalMobileRobotBasedonROSADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：XieXianzhiSupervisor：Assoc.Prof.YeFengSouthChinaUniversityo

2、fTechnologyGuangzhou,China分类号：TP242学校代号：10561学号：201521002461华南理工大学硕士学位论文基于ROS的全向移动机器人室内定位与运动控制研究作者姓名：谢先治指导教师姓名、职称：叶峰副教授代大山高级工程师申请学位级别：工程硕士工程领域名称：机械工程论文形式：产品研发工程设计应用研究工程/项目管理调研报告研究方向：机器人运动控制论文提交日期：2018年04月12日论文答辩日期：2018年05月28日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：曹彪委员：石永华吴开源曾敏钟力强摘要全向移动机器人因其优良

3、的机动性和通过性，在工业物流、生产装配等领域具有广阔的应用前景。本论文针对全向移动机器人的精确室内定位及运动控制，研究了移动机器人的运动学建模、惯性测量单元动态误差补偿、磁罗盘偏航校正、基于扩展卡尔曼滤波的多传感器信息融合、基于ROS机器人操作系统的运动控制及轨迹跟踪等关键技术。主要工作包括：建立了全向移动机器人的运动学模型，包括四瑞典轮移动平台的轮系运动学方程和系统控制模型，并建立了电机编码器、测量轮编码器、惯性测量单元的传感器观测模型。针对惯性测量单元中的陀螺仪静态误差和零点漂移对姿态估计的不利影响，基于Mahony互补滤波算法实现了陀螺仪和磁罗盘及加速度计的数据融合，并提出

4、了基于非旋转态判别的陀螺仪误差动态补偿算法，可有效补偿陀螺仪的零点漂移。针对磁罗盘在环境磁场扰动情况下的偏航角误差问题，提出了基于旋转磁罗盘的偏航校正及磁场干扰判别方法，经由椭圆拟合的磁场硬铁校正、软铁校正及磁场干扰程度判别的综合过程实现偏航角校正。在陀螺仪动态误差补偿以及磁罗盘偏航角校正的基础上，基于扩展卡尔曼滤波算法对“驱动轮编码器”及“测量轮+惯性测量单元”的两种定位数据进行融合，提高了机器人的相对定位精度。设计开发了基于瑞典轮的全向移动机器人样机，建立了统一的机器人描述格式文件（URDF），设计了机器人底层控制系统及ROS应用节点程序，实现了系统功能。研究了全向移动机器人

5、对基本曲线的跟踪控制模型及偏差模型，实现对直线，圆弧以及三次曲线的跟踪控制，实验证明，轨迹跟踪精度可满足一般的应用需求。关键词：移动机器人；室内定位；运动控制；瑞典轮；ROSIABSTRACTOwingtotheexcellentmobilityandpassability,omnidirectionalmobilerobothasbroadapplicationprospectsinindustriallogistics,productionassembly,etc.Thisdissertationfocusesonthepreciseindoorpositioningandm

6、otioncontrolofomnidirectionalmobilerobot.Severalkeytechnologiesareresearchedandimplemented,includingrobotkinematicsmodeling,inertialmeasurementunitdynamicerrorcompensation,magneticcompassyawcorrection,andmulti-sensorinformationfusionbasedonextendedKalmanfilter.Themajorcontributionsofthisstudy

7、areasfollows.Thedissertationestablishesthekinematicmodelofomnidirectionalmobilerobots,includingthekinematicsequationandcontrolmodelofthefourSwedishwheelsmobilerobotsystem,andthesensorobservationmodelsofthemotorencoder,measurementwheelencodera