基于ROS的室内四旋翼飞行器SLAM研究

论文摘要

自然灾害具有突发性特点,灾害应急救援的关键是灾害发生后的快速反应。及时快捷的灾情信息对于及时制定救援策略,提高救援效率和质量起着至关重要的作用。由于其较好的机动性和灵活性,无人机在灾难救援活动中逐步显示出巨大的优势。SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)>也称为CML(Concurrent Mapping and Localization),即时定位与地图构建,或并发建图与定位。由于其重要的理论与应用价值,SLAM被很多学者认为是真正实现机器人全自主移动的关键。SLAM算法在无人机上的发展和广泛应用,将有利于实施统一、高效、快速的军事侦查和自主营救,给人们的生命和财产安全提供巨大的保障。本文旨在将SLAM技术与四旋翼飞行器相结合,实现建筑灾难现场三维全景的实时重建。同时,本文研究内容对参加国际空中机器人竞赛提供理论和技术支持。首先,本文针对自主同步定位与建图的需求,设计了一套基于四旋翼飞行器的SLAM硬件系统。通过选择合适的配件,装配了四旋翼飞行器机架,安装了APM自动驾驶仪使其可以自主飞行,部署了机载计算机来完成通信和复杂的控制；并在飞行器上安装了SLAM所需要的激光雷达等传感器。然后,本文基于APM和ROS进行了旋翼飞行器系统的软件开发。通过引入APM平台实现了飞行器的自主飞行。通过使用SLAM定位信息代替GPS定位数据,飞行器的定位摆脱了对GPS信号的依赖,为飞行器的室内自主飞行奠定了基础。通过在激光测距仪旁设置45。斜向下的平面镜把少量激光束反射向地面,实现了对飞行器的高度测量。这种测量方式相比于APM上原有的声纳测量方式精度更高,反应更灵敏。通过改进APM控制平台,本文设计的飞行器实现了更高的定位和高度控制精度。最后,本文研究并实现了旋翼飞行器的SLAM算法。室内同步定位与建图的实现主要依靠两个模块：一个负责定位建图,另一个负责规划航迹。两个模块协作完成了整个室内封闭空间的SLAM。实验证明,所建图像能够反映室内空间的实际布局,在地图中定位情况可以满足航迹规划的需要。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景、目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.3 未来发展趋势
• 1.3 论文研究内容与章节安排
• 1.3.1 论文研究内容
• 1.3.2 论文章节安排
• 第2章 四旋翼飞行器系统的硬件构建
• 2.1 旋翼飞行器系统架构设计
• 2.2 四旋翼飞行器硬件构建
• 2.2.1 飞行器本体设计
• 2.2.2 飞行控制器
• 2.2.3 机载计算机
• 2.3 飞行器SLAM传感器
• 2.3.1 惯性测量单元
• 2.3.2 激光雷达
• 2.3.3 飞行高度的测量
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于APM和ROS旋翼飞行器系统软件开发
• 3.1 APM自动驾驶仪
• 3.1.1 APM的旋翼机固件ArduCopter
• 3.1.2 APM固件ArduCopter的下载
• 3.1.3 ArduCopter的配置
• 3.1.4 基于APM Mission Planner的无人机地面站
• 3.2 机器人操作系统（ROS）的部署
• 3.2.1 Ubuntu操作系统和版本控制
• 3.2.2 ROS的文件系统
• 3.2.3 ROS的功能模块架构
• 3.2.4 ROS的坐标系
• 3.2.5 ROS的调试方法
• 3.3 ROS与APM的数据通信
• 3.3.1 MAVLink与微型无人机通信的协议
• 3.3.2 APM姿态数据的读取
• 3.3.3 向APM写入航点列表
• 3.4 旋翼飞行器系统的软件架构
• 3.5 飞行高度测量
• 3.6 本章小结
• 第4章 旋翼飞行器的SLAM算法研究与实现
• 4.1 SLAM通用架构及经典算法
• 4.1.1 SLAM问题的两种形式
• 4.1.2 基于扩展卡尔曼滤波（EKF）的SLAM方法
• mapping算法及实现'>4.2 Hector_mapping算法及实现
• mapping算法'>4.2.1 Hector_mapping算法
• mapping算法的实现'>4.2.2 Hector_mapping算法的实现
• 4.3 实验的启动及shell脚本
• 4.4 实验结果和评价
• 4.5 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读硕士学位期间取得成果
• 作者简介