【摘 要】
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当前,医药制药过程中仍旧需要大量人力参与,无法满足GMP标准提出的医药制药过程中的无菌化、无人化和自动化。为保证医药产品的无菌化生产,具有无人、无菌、高自由度特性的医药上料机器人在医药自动化生产线中越来越多的出现。本文结合国内外相关研究现状,针对室内移动机器人在未知环境中的自主移动问题,对基于二维激光雷达的医药上料机器人定位建图与导航技术进行研究并实现。首先,本文对室内移动机器人的核心技术包括定位
【基金项目】
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国家自然科学基金(61733004),高端智能制造的机器人视觉感知与灵巧作业控制; 国家自然科学基金(61573134); 湖南省科技计划(2017XK2102,2018GK2022,2018JJ3079);
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当前,医药制药过程中仍旧需要大量人力参与,无法满足GMP标准提出的医药制药过程中的无菌化、无人化和自动化。为保证医药产品的无菌化生产,具有无人、无菌、高自由度特性的医药上料机器人在医药自动化生产线中越来越多的出现。本文结合国内外相关研究现状,针对室内移动机器人在未知环境中的自主移动问题,对基于二维激光雷达的医药上料机器人定位建图与导航技术进行研究并实现。首先,本文对室内移动机器人的核心技术包括定位、地图构建、路径规划等研究现状进行介绍,并针对文章搭建的医药上料机器人系统具体介绍了其运动学模型、传感器模型等。然后,对于室内SLAM技术(同时定位与建图),本文针对二维激光SLAM算法进行研究,对常见的三种激光SLAM算法Gmapping、Hector、Cartographer进行对比分析,比较其优劣性以及适用场景。针对非平坦环境场景以及机器人快速移动下的定位问题,本文基于Hector算法,提出了一种基于传感器融合的激光SLAM方法。方法通过卡尔曼滤波的方式得到惯导单元的准确信息,从而确定机器人在三维位姿空间的姿态,校正激光数据,同时通过IMU积分的方式估算机器人位姿,在基于高斯牛顿优化方式进行帧间匹配,避免陷入局部最优的情况。实验表明,本文算法避免了激光数据失真,增强了定位鲁棒性,提高了建图精度。对于导航技术,本文从全局路径规划算法和局部路径规划算法进行研究。本文研究实现了A*算法、Dijkstra算法、人工势场法和DWA算法(动态窗口法),通过实验分析其优劣性。针对A*算法中存在的搜索节点较多、折弯数多的问题,本文提出改进启发函数的方式并增加权重因子的方法进行优化。实验结果表明,本文算法能够有效的减少搜索节点,加快响应时间,提高了机器人导航的实时性和平滑性。最后,为了验证改进的激光SLAM方法能够适用于环境中,通过实验构建室内环境地图,并在此基础上进行导航实验。实验结果表明,该系统能够完成建图并保证医药上料机器人能够按照指定要求安全、平稳的到达终点进行上料操作。
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