移动机器人室内复杂场景下的动态路径规划

论文摘要

轮式移动机器人应用十分广泛、功能强大,现在已成为机器人研究领域的热点研究对象,受到了越来越多国内外学者的重视。机器人路径规划及避障是机器人研究领域的关键技术之一,是机器人进行其它高级任务的前提。本文针对室内复杂场景下的非完整轮式机器人路径规划这一机器人导航领域中的重要问题展开理论与应用研究,旨在构建动态环境中部分已知环境下的具有实时性和有效性的路径规划方案,使移动机器人提高自身适应环境变化的路径规划能力与动态避障能力,从而使机器人可以在动态的环境中自主完成导航任务,为机器人更进一步应用打下良好的基础。从处于运动状态的机器人上监视多个运动目标是一项机器人应用领域的重要技术,它是实现机器人动态路径规划及避障的基础。本文基于激光测距传感器,构建了一种动态多目标的跟踪方案,用来跟踪环境中的多个动态目标。在本论文的研究工作中,主要考虑动态的人体目标,该方法基于人体目标的几何特征,利用NNJPDA的数据关联策略与卡尔曼滤波器,保证了人体目标的有效跟踪,为机器人动态路径规划的研究打下了基础。针对动态环境中的路径规划问题,设计了部分已知的动态环境下的路径规划方法,使非完整机器人可以在动态的环境中自主完成导航任务。结合上述的动态目标跟踪方法,本文提出了一种新的基于导向控制的动态距离直方图方法以实现机器人的局部动态路径规划,该方法考虑了环境中动态目标的运动趋势及动态因素的不确定性;在全局层面,本文借鉴动态距离传播算法实现全局环境下的子目标点更新,该方法能快速反映动态环境变化的影响并在机器人的决策中体现出来。仿真结果和动态环境下的实验结果均验证了所提方法的有效性和实用性。本文最后对动态环境中的路径划问题进行了一些理论上的探讨,致力于从解决动态问题的根本思路上考虑问题。如在环境模型的层面考虑环境中的动态因素,并对此问题进行了探索性的研究,主要讨论和验证了动态环境下的地图构建与环境空间的表述问题。基于这些想法的研究仍然很不完善,希望能为今后动态环境下的路径规划研究带来一点启示。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 移动机器人路径规划方法概述
• 1.1.1 基于环境模型的规划方法
• 1.1.2 基于行为的路径规划方法
• 1.1.3 移动机器人路径规划方法的发展趋势
• 1.2 复杂场景动态运动规划中的基本问题
• 1.2.1 移动机器人运动学模型
• 1.2.2 非完整约束条件
• 1.3 复杂场景动态运动规划研究中的关键问题
• 1.3.1 动态不确定性
• 1.3.2 动态目标的数据关联与跟踪
• 1.3.3 其它问题
• 1.4 移动机器人平台概述
• 1.4.1 移动机器人硬件平台
• 1.4.2 移动机器人的软件系统
• 1.4.3 传感器系统
• 1.5 本文主要内容与安排
• 2 基于二维激光测距的多人体目标跟踪
• 2.1 问题描述
• 2.2 动态人体目标识别
• 2.2.1 动态人体目标模型的构建
• 2.2.2 特殊情况的考量
• 2.2.3 候选目标的识别
• 2.3 NNJPDA数据关联策略
• 2.3.1 JPDA的关联矩阵
• 2.3.2 量测与目标关联概率的求取
• 2.4 多人体目标跟踪的实现
• 2.4.1 多人体目标跟踪的步骤
• 2.4.2 多人体目标跟踪的状态更新机制
• 2.4.3 实验结果与分析
• 3 复杂场景下的动态路径规划
• 3.1 问题概述
• 3.2 基于DRH的导向控制
• 3.2.1 距离直方图的建立
• 3.2.2 动态距离直方图
• 3.2.3 机器人决策与运动控制
• 3.3 运动目标影响下的子目标动态规划
• 3.3.1 混合路径规划的总体结构
• 3.3.2 动态距离传播算法
• 3.3.3 子目标动态规划仿真结果
• 3.4 实验结果及分析
• 4 关于动态环境规划问题的讨论
• 4.1 动态环境中路径规划的现有方法概述与研究思路分析
• 4.2 动态栅格模型环境描述
• 4.2.1 动态栅格的构建
• 4.2.2 动态栅格的更新
• 4.3 解决动态问题的思路与展望
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 课题资助情况
• 致谢