基于激光扫描传感器的助行机器人路况检测系统与3D地图创建

论文摘要

随着我国进入老年化社会,助行机器人也越来越得到研究者的重视。作为服务机器人的一种,助老助残机器人主要功能是辅助老年人或者行动不便的残疾人的行走,并且提供一些其他的功能。传统的助行器有的只是纯机械的结构,除了辅助行走之外没有其他的功能,也不能避障。有一些助行机器人利用超声波传感器进行机器人前方障碍物的检测,检测的范围和距离有限。有些助行机器人采用激光扫描传感器进行的避障只是针对机器人前方的障碍物的检测,并没有对助行机器人路面的情况进行实时的检测。同时,助行机器人一般工作在室内和室外环境,在非结构化的环境中,需要助行机器人具有实时检测路面环境的能力,当路面出现障碍物或者路面出现凹坑时,能够实时的给用户提供报警的功能以防止助行机器人和用户摔倒。此外,助行机器人作为一种服务机器人要走入家庭,需要进行定位、导航以及环境识别的能力,并且服务机器人的编程和控制必须具有简单易学的方式,因此,传统的通过专业的技术人员通过程序创建地图的做法已经不适应服务机器人的发展要求,而需要机器人自己自动创建易于交互的三维环境地图。因此,针对助行机器人的路面的检测以及三维地图的创建显得很有必要。本论文利用激光扫描传感器对助行机器人的路面进行检测和三维地图的创建。首先,本文利用倾斜的激光扫描传感器检测路面上的障碍物和凹坑信息,同时利用检测到的障碍物和凹坑信息提示用户避开障碍物,当助行机器人进入跟踪模式时,能够自主的进行避障,从而绕开障碍物。针对助行机器人的地图创建,本文搭建了激光扫描云台,同时结合ICP算法配准室内场景点云,然后利用RANSAC算法剔除室内大规模点云中的地面和顶面以及四周的墙壁,最后利用基于欧几里得距离的聚类算法将室内中属于不同物体的无规则点云分开,最后利用三角化的方法将分割的点云转化成VRML模型并初步完成地图的创建和VRML模型的建立,并且在多个室内场景中和助行机器人上进行了实验,得到了较为满意的结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 研究背景与意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 助行机器人研究现状
• 1.3.2 助行机器人地图创建研究现状
• 1.4 本文主要研究内容和章节安排
• 第二章 助行机器人平台系统介绍与功能分析
• 2.1 助行机器人系统介绍
• 2.1.1 机械结构
• 2.1.2 控制系统
• 2.1.3 软件系统
• 2.2 面向助行机器人的避障系统与地图创建功能分析
• 2.2.1 避障控制系统分析与设计
• 2.2.2 地图创建功能分析与设计
• 2.3 本章小结
• 第三章 面向助行机器人的地图创建
• 3.1 面向助行机器人的地图创建目标与流程
• 3.1.1 地图创建目标
• 3.1.2 地图创建的流程
• 3.1.3 地图创建中的关键问题研究
• 3.1.4 地图创建关键问题国内外现状
• 3.2 面向助行机器人的导航地图创建平台介绍
• 3.2.1 地图创建平台机械结构
• 3.2.2 地图创建平台控制系统
• 3.2.3 平台控制软件介绍
• 3.3 点云数据采集与预处理
• 3.3.1 三维点云数据采集
• 3.3.2 三维点云滤波
• 3.3.3 基于ICP 的点云配准
• 3.4 3D 地图点云平面特征提取与分割
• 3.4.1 RANSAC 算法介绍
• 3.4.2 基于RANSAC 的3D 地图点云平面特征提取
• 3.4.3 基于聚类算法的点云分割
• 3.5 面向助行机器人的3D VRML 地图创建
• 3.5.1 VRML 模型介绍
• 3.5.2 点云转化成VRML 模型
• 3.5.3 VRML 模型位置的识别
• 3.5.4 VRML 地图创建
• 3.6 实验
• 3.6.1 实验一
• 3.6.2 实验二
• 3.7 本章小结
• 第四章 基于助行机器人的路况检测与避障
• 4.1 激光扫描传感器数据采集与滤波
• 4.1.1 激光扫描传感器介绍与数据采集
• 4.2 基于助行机器人的障碍物检测与识别
• 4.2.1 基于梯度算法的障碍物检测
• 4.2.2 凹坑检测
• 4.2.3 静态障碍物识别与动态障碍物识别
• 4.3 基于助行机器人的引力场法的动态障碍物规划
• 4.3.1 引力场法介绍
• 4.3.2 基于引力场法的助行机器人避障规划
• 4.4 实验
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文