多传感器融合的机器人导航算法研究

机器人导航是室内机器人的关键技术之一,是机器人实现智能化首要解决的问题。针对传统室内家庭服务机器人导航方法存在传感器价格昂贵、动态环境适应能力不足等缺点,提出基于多传感器相结合的机器人导航算法。该算法利用RGB-D视觉传感器和超声波传感器分别获取数据,通过数据融合获得障碍物的三维信息,建立障碍物的三维模型,通过启发式最佳搜索算法对导航路径进行了优化,较好的实现了机器人导航路径的绘制,这为后期研究机器人的智能化打下了坚实的基础。     

基于多传感器的移动机器人安全区域研究

针对移动机器人导航中因障碍物信息复杂的不确定性,为了成功实现自主导航,应用一种多超声波传感器对障碍物进行信息采集,并通过BP神经网络对超声波传感器采集的信息进行处理。根据BP神经网络输出层的结果可确定机器人移动的安全区域。通过实验证明了多传感器信息处理法获得的移动机器人安全区域的可行性,为今后移动机器人避障提供了新的思路。     

前方车辆障碍物检测方法的研究

为降低车辆前方障碍物检测的误警率及冗余报警率,建立毫米波雷达与摄像机数据融合模型;通过毫米波雷达检测初选出有效目标物,借助OpenCV对摄像机采集的图像进行处理,获得障碍物轮廓信息,识别出障碍物;分析障碍物底部阴影特征,并建立图像感兴趣区域,从而判断其是否是车辆类型障碍物;最后在联合卡尔曼滤波算法的基础上提出多传感器信息融合障碍物检测方法。仿真结果表明,运用毫米波雷达与摄像机信息融合能够更有效地检测障碍物相关信息,并提高系统的精确度。     

室内移动机器人自主导航系统设计与方法

针对移动机器人室内自主导航中环境检测、动态目标定位跟踪和路径规划,设计了"双目+单目"多信息融合的视觉系统。提出一种自适应环境、融合色彩饱和度信息的单尺度Retinex室内阴影消除算法,以有效提取障碍物信息及可行路面区域。研究了一种特征点辅助的时空上下文目标跟踪算法,运用目标特征点进行目标粗定位;引入特征点变化率信息,自动调节时空上下文模型更新,以有效提高复杂环境下动态目标定位的准确性。改进了传统速度向量场吸引速度、排斥速度和切向速度函数,解决了路径规划中机器人轨迹抖动、目标点附近震荡和目标处于障碍物排斥场不可到达等问题。移动机器人室内环境下自主导航实验实现了障碍物、机器人和目标特征提取及其实时定位,移动机器人以最短的避碰路径完成动态目标的有效跟踪。     

基于单目视觉的无人车环境感知技术研究

为提高无人车的主动安全性能,对其环境感知技术进行了研究,提出了一种在结构化道路上基于单目视觉的汽车前方可行区域内的障碍物检测方法;在确定路面感兴趣区域时,提出了基于模糊聚类的边界跟踪检测算法,实现对车道线的识别;针对序列图像帧间差分法的不足,提出了一种基于帧间差分法的二次改进算法,在突出障碍物特征信息后,采用了静态单帧图像特征处理算法,确定出障碍物位置。实验结果表明,该方法能够有效地识别出车道标志线以及感兴趣区域内的障碍物信息。     

基于单目视觉的障碍物定位和测量

障碍物定位与测量是智能移动机器人自主运动的核心问题之一。研究了一种结合障碍物色彩属性和接触边缘属性的算法,通过单个视觉传感器实现平坦路面中障碍物的定位和测量。该算法以图像中已知路面范围的外观属性为基准对图像进行初步处理,依据障碍物和地面接触边缘属性对障碍物进行初步定位,在障碍物上选择区域,以该区域外观属性为基准对图像进行二次处理,得到障碍物在图像中占据范围,结合视觉传感器成像原理,对障碍物位置和尺寸进行标定和测量。以轮式移动机器人为实验平台,验证所提算法的可行性和精度,最终测得其定位误差为1.6%,测量误差为1.5%。     

未知环境下机器人导航算法与避障算法研究

针对机器人在复杂动态工作环境下如何进行定位和导航的问题做了深入研究,全文阐述了机器人混合导航和地图重建的基本方法。首先,介绍了机器人机械结构与软件平台,并分析了经典双轮差动模型,并总结了机器人的应用范围;然后,通过对视觉数据的数据采集实现了对于环境特征的提取,建立了导航图像和导航机器人导航;最后,建立了基于超声波传感器的模糊避障系统,解决了由于障碍物定位不准确、检测盲区、镜子反射等缺陷导致避障不稳定的问题。经过实验证明,该机器人具有良好的避障性能和导航性能,实现了机器人视觉导航算法。     

基于加权卡尔曼滤波法障碍物距离信息融合方法研究

针对移动机器人采用单一种类的传感器，具有环境探测不足、采集的信息不可靠等缺点，采用超声波传感器与红外线传感器相互结合的障碍物检测方法。为了提高这两种传感器在静态测量环境中障碍物距离信息的精度，提出一种加权卡尔曼滤波信息融合方法，首先利用加权平均法先进行初步融合选出两种传感器合适分配权值，再利用卡尔曼滤波法进行二次融合，将融合后的精确信息作为最后测量结果。通过分别利用这两种传感器采集障碍物信息后，采用加权卡尔曼滤波法融合得出障碍物距离值平均误差值为0.22，平均误差率为0.45%，融合值相比于单独使用超声波传感器和红外线传感器更加平稳，并且能够更好地应用于实际环境。     

船载导航仪器信息融合的研究

应用信息融合技术对船上多种导航传感器信息综合处理是解决信息过载，提高导航数据精度有效的技术途径。采用改进的模糊径向基高斯函数神经网络算法，进行了AIS／GPS和雷达信息融合的研究。经融合处理后的数据精度提高了两个数量级。这说明多传感器数据信息融合将是提高船舶导航信息的精度、可靠性的有效措施。     

AGV视觉导航标识线边缘特征提取研究

对导航标识线边缘特征的提取进行了研究,具体研究了标识线特征提取的算法,并利用VC++对算法进行了实验,验证了该方法可以有效的进行边缘特征提取。针对基于视觉导航的AGV导航标识线的边缘特征提取,提出了一种新颖的边缘提取方法。首先用迭代阈值选择法对图像进行阈值分割,生成二值化图像,再用一种改进的中值滤波方法对图像进行平滑处理,最后用边缘追踪法对平滑后的二值图像进行边缘提取。并通过VC++使用所提出的算法对标识线图像进行了处理,成功提取出了清晰的边缘图像。     

基于子结构模型的音叉振动式微机械陀螺的检测电容解析方法

为建立加工缺陷对微机械陀螺性能影响的机理性模型,解决高精度微机械结构优化设计的计算时间问题,以微机械加工技术制备的音叉振动式微机械陀螺为研究对象,利用多自由度动态有限元解析理论,提出基于子结构模型的检测电容解析法,实现微陀螺实际工作状态的模拟,并对模拟结果进行试验验证。从实例解析出发,发现微陀螺加工缺陷和工艺误差虽然对其结构固频特性影响不大,但是对其最终输出的电容检测特性具有较大影响这一重要现象。解析方法和结果在提高微机械陀螺解析精度和解析效率的基础上,对多物理场耦合工作环境下音叉振动式微机械陀螺健壮性能的解析和评价具有重要的参考价值。     

音叉振动式微机械陀螺输出电容的统计特性分析

以一种通过体微机械加工技术制备的音叉振动式微机械陀螺为对象,基于随机摄动技术定量计算了微陀螺检测输出电容变异的统计特征,以概率思想表达微陀螺批量加工过程所带来的材料/尺寸随机误差对其性能的影响。所提出的影响因子这一概念反映了微陀螺参数变异对性能变异的敏感度。在详尽分析微陀螺众多参数的影响因子的基础上获得微陀螺5个最为关键的参数。有限关键参数的获得,不仅能为微陀螺的健壮性设计提供帮助,同时也能为实际微陀螺的加工控制提供量化的参考依据。     

振子框架式微机械陀螺的有限元模拟

利用有限元方法,研究振子框式微机械陀螺主要几何尺寸对其固有频率的影响。根据陀螺驱动模态频率和检测模态的频率匹配,优化了陀螺的结构尺寸,并为结构改进和制备工艺提供理论指导。     

单晶硅振动环陀螺仪的制作

为了简化电容式振动环陀螺仪的制作方法,进一步提高成品率,提出了一种结合反应离子深刻蚀(DRIE)与阳极键合的陀螺仪制备方法。分析了振动环陀螺的工作原理,指出了传统工艺存在的缺陷;对该制作方法所采用的工艺流程进行了详细设计,分析了不同工艺参数对陀螺仪性能的影响,并依据分析和实验结果改进了工艺流程和参数。最后,采用该方法制作了振动环式微机械陀螺仪并进行了测试。实验结果表明,采用该方法能成功制作电容间隙为3μm、厚度为80μm的振动环式陀螺仪微结构。与传统的制作方法相比,工艺流程大为简化,掩模板数量从7块减少到2块,满足器件性能可靠、工艺简单、成品率高的要求。     

Design and Fabrication of MEMS Gyroscopes on the Silicon-on-insulator Substrate with Decoupled Oscillation Modes

The mode coupling is a major factor to affect the precision of the micro electromechanical systems(MEMS) gyroscope. Currently, many MEMS gyroscopes with separate oscillation modes for drive and detection have been developed to decrease the mode coupling, but the gyroscope accuracy can not satisfy the high-precision demand well. Therefore, high performance decoupled MEMS gyroscopes is still a hot topic at present. An innovative design scheme for a MEMS gyroscope is designed, and in this design, the inertial mass is divided into three parts including the inner mass, the outer mass and the main frame mass. The masses are supported and separated by a set of mutually orthogonal beams to decouple their movements. Moreover, the design is modelled by multi-port-element network(MuPEN) method and the simulation results show that the mode coupling of the gyroscope between driving and sensing mode was eliminated effectively. Furthermore, we proposed a new silicon-on-insulator(SOI) process to fabricate the gyroscope. The scale factor of the fabricated gyroscope is 8.9 mV/((o)?s) and the quality factor(Q-factor) is as high as 600 at atmosphere pressure, and then, the resonant frequency, scale factor and bias drift has been test. Process and test results show that the proposed MEMS gyroscope are effective for decrease mode coupling, furthermore, it can achieve a high performance at atmosphere pressure. Furthermore, the MEMS gyroscope can achieve a high performance at atmosphere pressure. The research can be taken as good advice for the design and fabrication of MEMS gyroscope, meanwhile, it also provides technical support for speeding up of MEMS gyroscope industrialization.     

基于遗传算法的微机械陀螺的多学科设计优化

基于micro-electro-mechanical system(MEMS)技术的微机械陀螺是集传感器、致动器、检测与控制等于一体的复杂多学科交叉系统，其整体特性是各个子系统综合作用的结果。在充分考虑工艺、结构、电路、工作环境等多学科或因素的约束条件下，提出微机械陀螺的多学科概念设计模型。以陀螺的灵敏度最大为优化目标，利用遗传算法对设计模型进行全局优化，获得初步的最优设计方案，并采用有限元软件ANSYS验证优化结果的正确性。     

环形波动陀螺结构设计与仿真

基于 MEMS 技术,提出了一种环形波动陀螺结构并建立了谐振子的有限元模型。利用 ANSYS软件对谐振子进行了模态分析,确定了各阶振型和固有频率。通过分析谐振子结构参数对振型和频率的影响,得到了谐振子的优化设计参数,优化后其工作频率与其他振型频率的差大于1 kHz,有效避免工作模态与其他模态间的频率耦合。经仿真验证,设计的环形结构的性能参数满足要求,具有明显的优越性。     

振动式微机械陀螺的等效电学模型

根据振动式微机械陀螺的工作原理,建立了其机械特性的等效电路模型。陀螺差分检测电容模型和振动的等效电路模型构成了陀螺的等效电学模型,该模拟模型组合了传感器的机械特性和电学特性。陀螺等效电学模型通过电路模拟工具PSPICE实现,可用于分析陀螺的振动特性、对角速度的频响特性,优化陀螺的工作方式;还可以与接口电路混合模拟,分析陀螺和检测电路的整体性能,优化检测电路的设计。     

一种单晶硅振动环陀螺仪的设计与制作

介绍了振动环式陀螺仪的基本工作原理,分析了传统的振动环式陀螺仪所存在的缺陷.并针对这些问题,设计和制作了一种单晶硅式振动环陀螺仪.该陀螺仪采用硅玻璃键合工艺制作,利用振动环作为敏感元件,选取静电激励、电容检测的工作方式.设计陀螺仪的工作频率高于15 kHz,以降低了环境对陀螺仪性能的影响.陀螺仪的制作方法简单,只需要2块掩模板,便于批量化生产.     

栅结构微机械陀螺运动特性的研究

对一种新型微机振动陀螺原型的运动特性进行了理论分析。采用差分电容信号调制解调方法测量了微机械陀螺驱动和检测模态的幅频特性。理论计算和实验结果表明,在大气状态下,该微机械陀螺驱动模态和检测模态的品质因子具有相近数值,在100左右。测量了驱动模态民激励驱动下,微机械陀螺检测模态的幅频特性,实验结果表明,在无角速度输入的情况下,微机械陀螺在驱动模态和检测模态的谐振模态的谐振频率处发生谐振。