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气象要素探测机器人的设计与研究

作　者: 成羽
导　师: 叶小岭
学　校: 南京信息工程大学
专　业: 系统理论
关键词: 移动机器人定位地图构建气象要素
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着机械、电子、计算机、材料等技术的不断发展,移动机器人的工作能力不断增强。人们越来越多的在一些危险恶劣或人类暂时无法到达的复杂环境中应用移动机器人,在减少不必要伤害的同时顺利完成工作。移动机器人在各种复杂环境下工作,至少应具备两种能力：自主导航能力和完成工作的能力。自主导航能力能够保证移动机器人检测未知环境的特征,快速做出相应反应,顺利到达工作地点。移动机器人自主导航的首要条件是能够在未知环境中进行即时定位与地图构建。完成工作的能力是指移动机器人在自主导航的基础上完成指定任务的能力,一般是通过添加特定的传感器赋予移动机器人特定的功能。本文将气象传感器引入到移动机器人系统中,自主研发了一种气象要素探测机器人。该机器人基于C8051F120内核,能够实时检测未知环境中的温度、湿度、气压、风速、风向等气象要素以及机器人自身的运动参数。通过对运动参数的处理实现了移动机器人的即时定位与地图构建。该移动机器人主要包含两大模块：运动模块和气象要素探测模块。运动模块包括超声波传感器、电子罗盘、霍尔效应传感器、电机驱动模块、电源模块。气象要素探测模块包括温湿度传感器DHT11、温度压力传感器BMP085、风速传感器、风向传感器。此外本文采用RS232和RF1100设计了有线和无线通信模块。通过通信模块将移动机器人检测到的各项数据上传到上位机进行处理和显示,采用MATLAB编写的上位机程序能够实时显示气象信息,并且能够显示移动机器人运动轨迹和四周环境的简单二维地图。即时定位和地图构建实现的核心问题是机器人自身在环境中的定位问题。本文在机器人定位问题上主要采用两种方案：双霍尔效应传感器差动行走定位和霍尔效应传感器配合电子罗盘的多传感器融合定位。在定位的基础上,通过对超声波所测得的障碍物距离的数据处理来构建移动机器人周边的环境。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-7
第一章绪论  7-12
  1.1 移动机器人的概述及其发展  7-8
  1.2 本课题研究的目的和意义  8-9
  1.3 移动机器人感知系统常用传感器  9-10
  1.4 移动机器人定位  10-11
    1.4.1 路标定位  10
    1.4.2 霍尔效应传感器定位  10
    1.4.3 霍尔效应传感器配合陀螺仪定位  10
    1.4.4 霍尔效应传感器配合电子磁罗盘定位  10-11
    1.4.5 引入滤波技术和相关算法的定位方案  11
  1.5 移动机器人的地图构建  11
  1.6 本文的主要研究内容  11-12
第二章气象要素探测机器人的设计  12-47
  2.1 气象要素探测机器人系统的总体结构  12-13
  2.2 核心处理器C8051F20  13-18
    2.2.1 C8051F120的特殊功能寄存器SFR  13-14
    2.2.2 C8051F120的系统时钟  14-15
    2.2.3 C8051F1201/0端口特性  15-16
    2.2.4 C8051F120交叉开关CROSSBAR  16
    2.2.5 C8051F120单片机精确定时  16-18
  2.3 机器人运动模块主要传感器  18-30
    2.3.1 霍尔效应传感器  18-19
    2.3.2 电子磁罗盘  19-25
    2.3.3 超声波传感器  25-27
    2.3.4 直流电机驱动芯片L298N  27-28
    2.3.5 PWM  28-29
    2.3.6 直流电机驱动电路设计  29-30
  2.4 气象要素探测模块主要传感器  30-41
    2.4.1 温湿度传感器DHT11  30-31
    2.4.2 温度压力传感器BMP085  31-36
    2.4.3 风速传感器  36-38
    2.4.4 风向传感器  38-41
  2.5 电源模块  41
  2.6 通信模块  41-47
    2.6.1 RS-232串口通信  41-43
    2.6.2 无线通信模块RF1100-232  43-47
第三章气象要素探测机器人的准确度研究  47-55
  3.1 MATLAB在机器人上位机中的应用  47-49
  3.2 超声波传感器测距准确度研究  49-51
    3.2.1 随机误差和粗大误差  49-50
    3.2.2 系统误差  50-51
  3.3 霍尔效应传感器测速准确度研究  51-53
  3.4 电子罗盘测量方位角的准确度研究  53-54
  3.5 气象要素传感器测量准确度研究  54-55
第四章气象要素探测机器人的定位与地图构建  55-81
  4.1 气象要素探测机器人系统建模  55-65
    4.1.1 坐标系统建模  55-58
    4.1.2 机器人的位置模型  58-59
    4.1.3 机器人运动模型  59-63
    4.1.4 超声波传感器模型  63-65
  4.2 气象要素探测机器人定位  65-75
    4.2.1 定位图表示方法  65-68
    4.2.2 基于霍尔效应传感器的机器人定位方法  68-69
    4.2.3 霍尔效应传感器配合电子罗盘的机器人定位方法  69-74
    4.2.4 两种定位方法的比较  74-75
  4.3 气象要素探测机器人构建地图  75-77
  4.4 气象要素探测机器人的漫游实现  77-81
    4.4.1 气象要素探测机器人漫游定位实验  77-81
第五章总结与展望  81-82
参考文献  82-85
致谢  85-86
作者简介  86

气象要素探测机器人的设计与研究

内容摘要

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