ros的救援机器人设计designofrescuerobotbasedonros(附件)【字数：18070】
摘 要摘 要 ROS平台目前在国内应用十分广泛，它是一款模拟设计开发机器人的软件平台。机器人在世界范围内目前已经十分流行，我们可以利用机器人完成许多人类无法完成的事，国内外许多人士对于机器人的研究前景也十分看好。ROS的模拟和设计功能十分强大，尤其是救援机器人在医疗和药物等方面有重要的应用前景，本文的课题就是着重研究救援机器人及有关内容。基于这个课题，本文根据需求设计出救援机器人，根据所需功能选择相应的传感器或设备，利用Ubuntu14系统去做仿真实验和研究。首先通过虚拟机安装这个系统，然后利用gazebo7去构图和创建地图环境，最后利用ROS平台经过仿真调试设计出一个具有多重功能的救援机器人，实验过程中利用SLAM技术去辅助设计。最后通过仿真实验表明该机器人可以进行自主导航寻找伤员和避障，且该机器人有较好的时效性和实用性。关键字ROS平台，救援机器人，SLAM ，gazebo7
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 研究现状和发展趋势 4
1.3 课题研究的主要内容 5
1.4 论文的章节介绍 6
第二章 ROS技术的介绍 7
2.1 ROS技术简介 7
2.2 ROS的系统载体和优点 8
2.3 本章小结 8
第三章 救援机器人及自主导航系统介绍 10
3.1 比赛用救援机器人简介 10
3.2 自主式机器人需求分析 12
3.3 SLAM和导航系统方案设计 13
3.4 SLAM算法评价标准 14
3.5 本章小结 16
第四章 救援机器人设计方案 17
4.1 环境地图设计思路 17
4.2 救援机器人设计方案 17
4.3 本章小结 20
第五章 环境及机器人仿真 21
5.1 各种环境仿真图 21
5.2 实际地图的仿真 22
5.3 机器人的仿真和功能 24
5.4 本章小结 26
结 论 27
致 谢 29 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
参 考 文 献 30
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
随着科技越来越发达，救援机器人在当前生活和生产中得到了更加广泛的投入使用，这是大家有目共睹的。进入20世纪以来，移动机器人在控制工程、传感器与信息处理等方面迎来大换血，机器人得到了更多的重视。救援机器人开始了在未知环境探测、工业货物输送、抗震救灾、军事对抗及公共设施等领域的研发和应用，并展现出无法预测的应用前途[1]。
救援机器人在灾难救援领域的投入，是一种为了在洪水、火灾或人为恐怖活动等灾难环境中进行救援而设计开发的机器人。众所周知，灾难现场复杂程度高，危险性大，有些地区普通人难以达到和企及，为救援工作带来了很大的挑战。救援机器人以其活动能力强、功能强大等诸多优点成为灾难辅助救援的有效手段。一方面救援机器人能帮助救援人员在灾后更高效地实施救援，在很短的时间内救助许多伤病人员，对于财产的挽救大有益处，另一方面能替代救援人员深入到困难的环境中，便于减轻在救援进程中人员的更多伤害。
1995年大阪阪神地震及艾尔弗雷德和美国爆炸案后开始进行救援机器人的研究。限于当时的救援机器人技术，救援机器人很难达到完全自动化，所以大多数用于救援的机器人都是遥控机器人。但是，由于实际救援环境的复杂程度，为了减小救援难度，提升救援水平，要求机器人可以独立自主地达成目标，而不是完全依赖远程人工智能。另一方面，人工控制、机器触觉等相关领域的研制和发展促进了机器人的自主化进程。具有感应、自行探测和智能决策能力的机器人已成为未来救援机器人的开发总体趋势。
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图1.1 日本救援机器人
为实现灾祸救援工作而设计的自主移动式机器人通常称为救援机器人（Rescue Robot），其典型模样通常和PackBot相仿：履带式构造、具有一种或多种副履带以及一个用于搜救的机械臂。但是，在经过屡次救援行为后人们察觉，PackBot 自已不能很好的实现现代救援工作，其构造在不少环境下已显得不合适，因此针对救援机器人的研制成绩也不停呈现。在城市搜救环境中，自主移动机器人通常需要在可以通过复杂地段环境的同时完成多项搜寻和救援工作，这就给救援机器人的软件算法和机械构造设计设计带来了巨大的难度[2]。
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图1.2德国在救援领域的移动机器人
自主移动机器人要完成智能位移，必须可以获取外界的信息。机器人的信息起源通常是各种传感器，每种传感器具备其各自的特点。传感器依照性能差异分为本体感受传感器和外感受传感器。本体感受传感器用于对机器人内部情况进行感知，常用的有加速度计、陀螺仪和电机编码器等。这类传感器广泛存在着累积误差，所以不可以分开来自己使用。外感受传感器用于对外部的环境进行感受，常用主要有激光测距仪、声呐、卫星接收机、全向视觉摄像机和立体视觉摄像机等。救援机器人通常经过散布于身体四周的几个摄像头来得到环境信息。然而因为部分环境的不稳定性因素，利用不易遭到干扰的激光测距仪也是很重要的辅佐伎俩。
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图1.3中科院沈阳自动化研究所研发的机器人
主要针对救援机器人可能面对的复杂的城市环境，设计并实现救援机器人系统，主要包括软件和硬件两部分。其中硬件部分为三段履带式结构，能够攀爬楼梯等障碍物。软件系统具有多性能、智能化、分布式等益处，其功能主要包括：同步定位与建图、可经过地形判断、自主移动探求、遇难者监测定位等功能。软件部分利用gazebo7区构图，结合ROS平台的应用和有关于SLAM的导航技术，模拟出救援机器人实际的应用场景，设计出具有各种各样功能的救援机器人，最后得到实际的应用。
1.2 研究现状和发展趋势
科学家W.grey Wlter研制的ELS圧是第一个有书面记录的移动机器人。ELS圧探测并追踪目标，这种方式使得机器人第一次具有了＂自主能力＂，在以后的机器人研发中得到了广泛采用。20世紀年代以来，斯坦福研究院的Charles Rosen和Nils Nilsen等人研制出了名为Shakey的自主移动机器人。它搭载各种精密仪器，采用特殊算法对机器人的位置进行判别，并能基于智能地图自主策划路径到达规定地点。此后，自主式救援机器人得到了迅速发展，并成功地应用于自主移动探索、海洋、工业、家庭及救援等众多行业，这是令人可喜的成就[3]。
其实，救援机器人在很多区域或国家已经投入使用，我国也已经开始起步研制，只是尚未大众化。救援机器人其实主要形态有搬东西、搜寻、监测和运动等功能，这些功能对于人类技术的进步有着重要的作用。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 研究现状和发展趋势 4
1.3 课题研究的主要内容 5
1.4 论文的章节介绍 6
第二章 ROS技术的介绍 7
2.1 ROS技术简介 7
2.2 ROS的系统载体和优点 8
2.3 本章小结 8
第三章 救援机器人及自主导航系统介绍 10
3.1 比赛用救援机器人简介 10
3.2 自主式机器人需求分析 12
3.3 SLAM和导航系统方案设计 13
3.4 SLAM算法评价标准 14
3.5 本章小结 16
第四章 救援机器人设计方案 17
4.1 环境地图设计思路 17
4.2 救援机器人设计方案 17
4.3 本章小结 20
第五章 环境及机器人仿真 21
5.1 各种环境仿真图 21
5.2 实际地图的仿真 22
5.3 机器人的仿真和功能 24
5.4 本章小结 26
结 论 27
致 谢 29 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
参 考 文 献 30
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
随着科技越来越发达，救援机器人在当前生活和生产中得到了更加广泛的投入使用，这是大家有目共睹的。进入20世纪以来，移动机器人在控制工程、传感器与信息处理等方面迎来大换血，机器人得到了更多的重视。救援机器人开始了在未知环境探测、工业货物输送、抗震救灾、军事对抗及公共设施等领域的研发和应用，并展现出无法预测的应用前途[1]。
救援机器人在灾难救援领域的投入，是一种为了在洪水、火灾或人为恐怖活动等灾难环境中进行救援而设计开发的机器人。众所周知，灾难现场复杂程度高，危险性大，有些地区普通人难以达到和企及，为救援工作带来了很大的挑战。救援机器人以其活动能力强、功能强大等诸多优点成为灾难辅助救援的有效手段。一方面救援机器人能帮助救援人员在灾后更高效地实施救援，在很短的时间内救助许多伤病人员，对于财产的挽救大有益处，另一方面能替代救援人员深入到困难的环境中，便于减轻在救援进程中人员的更多伤害。
1995年大阪阪神地震及艾尔弗雷德和美国爆炸案后开始进行救援机器人的研究。限于当时的救援机器人技术，救援机器人很难达到完全自动化，所以大多数用于救援的机器人都是遥控机器人。但是，由于实际救援环境的复杂程度，为了减小救援难度，提升救援水平，要求机器人可以独立自主地达成目标，而不是完全依赖远程人工智能。另一方面，人工控制、机器触觉等相关领域的研制和发展促进了机器人的自主化进程。具有感应、自行探测和智能决策能力的机器人已成为未来救援机器人的开发总体趋势。
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图1.1 日本救援机器人
为实现灾祸救援工作而设计的自主移动式机器人通常称为救援机器人（Rescue Robot），其典型模样通常和PackBot相仿：履带式构造、具有一种或多种副履带以及一个用于搜救的机械臂。但是，在经过屡次救援行为后人们察觉，PackBot 自已不能很好的实现现代救援工作，其构造在不少环境下已显得不合适，因此针对救援机器人的研制成绩也不停呈现。在城市搜救环境中，自主移动机器人通常需要在可以通过复杂地段环境的同时完成多项搜寻和救援工作，这就给救援机器人的软件算法和机械构造设计设计带来了巨大的难度[2]。
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图1.2德国在救援领域的移动机器人
自主移动机器人要完成智能位移，必须可以获取外界的信息。机器人的信息起源通常是各种传感器，每种传感器具备其各自的特点。传感器依照性能差异分为本体感受传感器和外感受传感器。本体感受传感器用于对机器人内部情况进行感知，常用的有加速度计、陀螺仪和电机编码器等。这类传感器广泛存在着累积误差，所以不可以分开来自己使用。外感受传感器用于对外部的环境进行感受，常用主要有激光测距仪、声呐、卫星接收机、全向视觉摄像机和立体视觉摄像机等。救援机器人通常经过散布于身体四周的几个摄像头来得到环境信息。然而因为部分环境的不稳定性因素，利用不易遭到干扰的激光测距仪也是很重要的辅佐伎俩。
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图1.3中科院沈阳自动化研究所研发的机器人
主要针对救援机器人可能面对的复杂的城市环境，设计并实现救援机器人系统，主要包括软件和硬件两部分。其中硬件部分为三段履带式结构，能够攀爬楼梯等障碍物。软件系统具有多性能、智能化、分布式等益处，其功能主要包括：同步定位与建图、可经过地形判断、自主移动探求、遇难者监测定位等功能。软件部分利用gazebo7区构图，结合ROS平台的应用和有关于SLAM的导航技术，模拟出救援机器人实际的应用场景，设计出具有各种各样功能的救援机器人，最后得到实际的应用。
1.2 研究现状和发展趋势
科学家W.grey Wlter研制的ELS圧是第一个有书面记录的移动机器人。ELS圧探测并追踪目标，这种方式使得机器人第一次具有了＂自主能力＂，在以后的机器人研发中得到了广泛采用。20世紀年代以来，斯坦福研究院的Charles Rosen和Nils Nilsen等人研制出了名为Shakey的自主移动机器人。它搭载各种精密仪器，采用特殊算法对机器人的位置进行判别，并能基于智能地图自主策划路径到达规定地点。此后，自主式救援机器人得到了迅速发展，并成功地应用于自主移动探索、海洋、工业、家庭及救援等众多行业，这是令人可喜的成就[3]。
其实，救援机器人在很多区域或国家已经投入使用，我国也已经开始起步研制，只是尚未大众化。救援机器人其实主要形态有搬东西、搜寻、监测和运动等功能，这些功能对于人类技术的进步有着重要的作用。
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