基于VREP设计与控制智能驾驶四轮移动机器人
基于VREP设计与控制智能驾驶四轮移动机器人[20200410140810]
摘 要
自动驾驶汽车不仅为我们节省了很多宝贵的时间，而且大大提高了交通系统的效率和安全性，定将成为未来汽车发展的主流。本文首先介绍了自动驾驶汽车提出的背景，研究的目的和意义，以及在国内外自动驾驶汽车发展的现状。其次通过V-REP软件设计四轮移动机器人本体和底层轮子控制器。最后，机器人高层控制系统应用路径规划完成对设定目标的道路选择，并且通过设计视觉传感器来感知路面信息，完成智能驾驶系统设计。论文中阐述了机器人模型建立方法和各个功能模块的设计，实验证明了本设计可以使四轮移动机器人完成在给定环境中自动驾驶功能。
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关键字:V-REP机器人仿真自动驾驶路径规划
目 录
1 引言 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2 国内外现状 1
2 V-REP功能模块阐述 3
2.1 V-REP软件介绍 3
2.2 V-REP软件的使用 3
2.2.1 V-REP新建场景及对象 3
2.2.2 V-REP模型介绍 4
2.2.3 V-rep关节介绍 5
2.2.4 视觉传感器 6
2.2.5 力传感器 6
2.2.6 V-REP路径介绍 7
2.2.7 V-REP Dummy介绍 8
3 四轮移动机器人本体设计和实验环境设计 9
3.1 小车模型搭建 9
3.1.1 小车车身搭建 9
3.1.2 小车轮子搭建 11
3.1.3 小车轴搭建 12
3.1.4 小车传感器 14
3.1.5 小车搭建 15
3.2 环境功能 16
3.2.1 障碍物的搭建 16
3.2.2 路径添加 16
4 控制器设计 19
4.1 小车运动控制 19
4.1.1 小车直行 19
4.1.2 小车转弯 19
4.2 路径规划 20
4.2.1 V-REP路径规划介绍 20
4.2.2 V-REP路径规划应用 22
5 路径规划操作界面设计 27
5.1 操作界面设计 27
5.1.1 界面添加 27
5.2 实验 31
5.2.1 场景a 31
5.2.2 场景b 32
5.2.3 场景c 32
6 结论与展望 36
参考文献 37
致谢 38
附录 39
1 引言
1.1 选题背景及意义
交通事业的发展与我们的社会发展密不可分，并且对人们的日常生活有着巨大的影响。车辆作为主要的交通工具，一方面促进了社会经济的快速发展，另一方面也不断地改善着人们的生活，提高了人们的生活质量。然而，近年来大幅增长的机动车辆使如交通拥堵、交通事故等的交通问题在日常生活中愈加突出。这些严重影响了交通的正常秩序乃至社会的正常秩序，使得汽车交通安全成为了全球性的研究课题。统计资料表明，全球道路交通事故的总数约占安全事故的90%左右，造成的伤亡人数占所有安全事故伤亡人数的80%以上。全世界范围内平均每分钟至少有一人死于交通事故，每年约有120万人死于道路交通安全事故，经济损失超过5000亿美元。在非正常死亡之中，道路交通事故已成为名副其实的“第一杀手”。可见交通事故造成的的经济损失不可估量。因此，很多国家在对待研发安全自动驾驶技术上是相当重视的。
在自动化技术日益成熟的今天，汽车的智能化，自动化程度也在逐步地提高。 因此本课题的目的是希望将机器人及传感器信息技术相融合来建立智能小车自动驾驶系统，从而让机器人智能控制技术来升级传统的驾驶方式，使人们解放出来，建立更加安全可靠的交通环境。
1.2 国内外现状
从上世纪60年代开始，为了改善汽车的操控性能,美国ohoi大学的一些研究工作者开始进行汽车侧向跟踪控制和纵向跟踪控制研究,该项研究持续了二十多年,取得了一系列研究成果。
进入二十世纪八十年代以后,军方和一些大型汽车公司对自主驾驶技术表现出了浓厚的兴趣。美国军方先后组织了多项车辆自主驾驶的研究项目,其中包括DARPA的AVL项目,DARPA的DEMo—H计划、DEMo—111计划等。这一系列的研究都试图将自主驾驶技术应用到军事上去,以提高部队战斗力。其它包括英国、法国、德国等在内的一些国家也都在进行自主驾驶技术在军事应用领域的相关研究。大型汽车公司则更加注重汽车自主驾驶研究,以期望提高汽车性能。
我国在无人驾驶汽车开发方面要比国外稍晚些 。国防科技大学在20世纪80年代开始进行该项技术的研究。1989年, 我国首辆智能小车在国防科技大学诞生。1992 年 ,国防科技大学研制成功了我国第一辆真正意义上的无人驾驶汽车。2000年6月,国防科技大学研制的第4代无人驾驶汽车试验成功 ,最高时速达76km ,创下国内最高记录，其智能控制系统主要有3部分组成:传感器系统,自动驾驶仪系统和主控计算机系统。近年来,国防科技大学机电工程与自动化学院以及中国第一汽车集团公司联合研发的红旗旗舰无人驾驶轿车,其总体技术性能和借标已达到世界先进水平。该车还装设了摄像机雷达，可以自己导航、对道路环境 ,障碍物进行判断识别、自动调整速度而不需要人做任何干预操作。与电子巡航GPS导航不同的是 ,它的定位更加精确 ,转弯和遇到复杂情况也不需要人来控制车内的环境识别系统，辨别出道路状况。
2 V-REP功能模块阐述
2.1 V-REP软件介绍
V-REP是一套机器人模拟软体。让使用者可以模拟整个机器人系统或他的子系统(如感测器或机械结构)。通过详细的应用程式介面(API)与自动化指令,可以轻易整合机器人的各种功能。V-REP可以使用在远端监控，硬件控制、快速原型验证、演算法开发与参数调整、安全性检测、机器人教学与工厂自动化模块等各种领域。
2.2 V-REP软件的使用
2.2.1 V-REP新建场景及对象
如图2-1所示，为V-REP软件打开时界面，即新建场景。
图2-1 场景
如图2-2中，展现了V-REP软件中包含的一些模型。
图2-2 对象
2.2.2 V-REP模型介绍
V-REP模型是三角形面组成的网格对象。他们可以在V-REP场景中可以导入、导出和编辑。 并且有四种不同的类型以及不同类型对应的组合类型，如表1所示。
表1 V-rep模型类型及符号
符号 类型
简易的随机模型
组合的随机模型
简易的凸形模型
组合的凸形模型
纯粹简易模型
纯粹组合模型
地貌模型
在默认情况下,所有从外部文件导入的模型都是简单模型。两个及两个以上的简单模型或者组合模型可以组建起来，（具体操作方法：Menu bar-->Edit --> Grouping/Merging -->Group selected shapes）或者不组建（具体操作方法：Menu bar-->Edit-->Grouping/Merging-->Ungroup selected shapes）。为了让视觉要素在所有构建元素中相统一，简易模型也可以融合起来(具体操作方法：Menu bar-->Edit--> Grouping/Merging-->Merge selected shapes）。一个模型同样可以被拆分(具体操作方法：Menu bar --> Edit --> Grouping/Merging --> Divide selected shapes), 这些都要取决于他在不同任务中的配置要求。
除了从外部文件导入模型, 也可以在V-REP内部直接创建模型，具体方法：Menu bar --> Add --> Primitive shape。图2-3中给出了V-REP中的5种基本模型，分别是平面、圆盘、长方体、球和圆柱。
摘 要
自动驾驶汽车不仅为我们节省了很多宝贵的时间，而且大大提高了交通系统的效率和安全性，定将成为未来汽车发展的主流。本文首先介绍了自动驾驶汽车提出的背景，研究的目的和意义，以及在国内外自动驾驶汽车发展的现状。其次通过V-REP软件设计四轮移动机器人本体和底层轮子控制器。最后，机器人高层控制系统应用路径规划完成对设定目标的道路选择，并且通过设计视觉传感器来感知路面信息，完成智能驾驶系统设计。论文中阐述了机器人模型建立方法和各个功能模块的设计，实验证明了本设计可以使四轮移动机器人完成在给定环境中自动驾驶功能。
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关键字:V-REP机器人仿真自动驾驶路径规划
目 录
1 引言 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2 国内外现状 1
2 V-REP功能模块阐述 3
2.1 V-REP软件介绍 3
2.2 V-REP软件的使用 3
2.2.1 V-REP新建场景及对象 3
2.2.2 V-REP模型介绍 4
2.2.3 V-rep关节介绍 5
2.2.4 视觉传感器 6
2.2.5 力传感器 6
2.2.6 V-REP路径介绍 7
2.2.7 V-REP Dummy介绍 8
3 四轮移动机器人本体设计和实验环境设计 9
3.1 小车模型搭建 9
3.1.1 小车车身搭建 9
3.1.2 小车轮子搭建 11
3.1.3 小车轴搭建 12
3.1.4 小车传感器 14
3.1.5 小车搭建 15
3.2 环境功能 16
3.2.1 障碍物的搭建 16
3.2.2 路径添加 16
4 控制器设计 19
4.1 小车运动控制 19
4.1.1 小车直行 19
4.1.2 小车转弯 19
4.2 路径规划 20
4.2.1 V-REP路径规划介绍 20
4.2.2 V-REP路径规划应用 22
5 路径规划操作界面设计 27
5.1 操作界面设计 27
5.1.1 界面添加 27
5.2 实验 31
5.2.1 场景a 31
5.2.2 场景b 32
5.2.3 场景c 32
6 结论与展望 36
参考文献 37
致谢 38
附录 39
1 引言
1.1 选题背景及意义
交通事业的发展与我们的社会发展密不可分，并且对人们的日常生活有着巨大的影响。车辆作为主要的交通工具，一方面促进了社会经济的快速发展，另一方面也不断地改善着人们的生活，提高了人们的生活质量。然而，近年来大幅增长的机动车辆使如交通拥堵、交通事故等的交通问题在日常生活中愈加突出。这些严重影响了交通的正常秩序乃至社会的正常秩序，使得汽车交通安全成为了全球性的研究课题。统计资料表明，全球道路交通事故的总数约占安全事故的90%左右，造成的伤亡人数占所有安全事故伤亡人数的80%以上。全世界范围内平均每分钟至少有一人死于交通事故，每年约有120万人死于道路交通安全事故，经济损失超过5000亿美元。在非正常死亡之中，道路交通事故已成为名副其实的“第一杀手”。可见交通事故造成的的经济损失不可估量。因此，很多国家在对待研发安全自动驾驶技术上是相当重视的。
在自动化技术日益成熟的今天，汽车的智能化，自动化程度也在逐步地提高。 因此本课题的目的是希望将机器人及传感器信息技术相融合来建立智能小车自动驾驶系统，从而让机器人智能控制技术来升级传统的驾驶方式，使人们解放出来，建立更加安全可靠的交通环境。
1.2 国内外现状
从上世纪60年代开始，为了改善汽车的操控性能,美国ohoi大学的一些研究工作者开始进行汽车侧向跟踪控制和纵向跟踪控制研究,该项研究持续了二十多年,取得了一系列研究成果。
进入二十世纪八十年代以后,军方和一些大型汽车公司对自主驾驶技术表现出了浓厚的兴趣。美国军方先后组织了多项车辆自主驾驶的研究项目,其中包括DARPA的AVL项目,DARPA的DEMo—H计划、DEMo—111计划等。这一系列的研究都试图将自主驾驶技术应用到军事上去,以提高部队战斗力。其它包括英国、法国、德国等在内的一些国家也都在进行自主驾驶技术在军事应用领域的相关研究。大型汽车公司则更加注重汽车自主驾驶研究,以期望提高汽车性能。
我国在无人驾驶汽车开发方面要比国外稍晚些 。国防科技大学在20世纪80年代开始进行该项技术的研究。1989年, 我国首辆智能小车在国防科技大学诞生。1992 年 ,国防科技大学研制成功了我国第一辆真正意义上的无人驾驶汽车。2000年6月,国防科技大学研制的第4代无人驾驶汽车试验成功 ,最高时速达76km ,创下国内最高记录，其智能控制系统主要有3部分组成:传感器系统,自动驾驶仪系统和主控计算机系统。近年来,国防科技大学机电工程与自动化学院以及中国第一汽车集团公司联合研发的红旗旗舰无人驾驶轿车,其总体技术性能和借标已达到世界先进水平。该车还装设了摄像机雷达，可以自己导航、对道路环境 ,障碍物进行判断识别、自动调整速度而不需要人做任何干预操作。与电子巡航GPS导航不同的是 ,它的定位更加精确 ,转弯和遇到复杂情况也不需要人来控制车内的环境识别系统，辨别出道路状况。
2 V-REP功能模块阐述
2.1 V-REP软件介绍
V-REP是一套机器人模拟软体。让使用者可以模拟整个机器人系统或他的子系统(如感测器或机械结构)。通过详细的应用程式介面(API)与自动化指令,可以轻易整合机器人的各种功能。V-REP可以使用在远端监控，硬件控制、快速原型验证、演算法开发与参数调整、安全性检测、机器人教学与工厂自动化模块等各种领域。
2.2 V-REP软件的使用
2.2.1 V-REP新建场景及对象
如图2-1所示，为V-REP软件打开时界面，即新建场景。
图2-1 场景
如图2-2中，展现了V-REP软件中包含的一些模型。
图2-2 对象
2.2.2 V-REP模型介绍
V-REP模型是三角形面组成的网格对象。他们可以在V-REP场景中可以导入、导出和编辑。 并且有四种不同的类型以及不同类型对应的组合类型，如表1所示。
表1 V-rep模型类型及符号
符号 类型
简易的随机模型
组合的随机模型
简易的凸形模型
组合的凸形模型
纯粹简易模型
纯粹组合模型
地貌模型
在默认情况下,所有从外部文件导入的模型都是简单模型。两个及两个以上的简单模型或者组合模型可以组建起来，（具体操作方法：Menu bar-->Edit --> Grouping/Merging -->Group selected shapes）或者不组建（具体操作方法：Menu bar-->Edit-->Grouping/Merging-->Ungroup selected shapes）。为了让视觉要素在所有构建元素中相统一，简易模型也可以融合起来(具体操作方法：Menu bar-->Edit--> Grouping/Merging-->Merge selected shapes）。一个模型同样可以被拆分(具体操作方法：Menu bar --> Edit --> Grouping/Merging --> Divide selected shapes), 这些都要取决于他在不同任务中的配置要求。
除了从外部文件导入模型, 也可以在V-REP内部直接创建模型，具体方法：Menu bar --> Add --> Primitive shape。图2-3中给出了V-REP中的5种基本模型，分别是平面、圆盘、长方体、球和圆柱。
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