移动机器人室内即时地图构建与自主导航

论文摘要

移动机器人的自主导航是移动机器人研究领域的热点问题,而服务机器人作为移动机器人一个重要的分类,不仅需要掌握环境的信息,更要对自身进行精确的定位。本文主要研究服务机器人的室内即时地图构建以及自主导航。本文首先对移动机器人的研究现状和研究热点趋势进行了介绍,对机器人平台及其搭载的传感器进行比对和分析。不仅对所使用的Pioneer-3DX型移动机器人以及基于ARIA软件系统的任务控制与管理进行了系统的说明,还阐述了机器人的C/S通信架构以及移动机器人在室内自主导航中采用的不同地图构建方法的优缺点。本文从服务机器人的角度出发,提出了移动机器人在环境中构建拓扑地图,根据拓扑节点的特征可进行走廊环境中的简单定位。对于可扩充的主要节点即房间进行标识并在机器人进入房间后采用即时地图构建的方法构建先验地图,观测房间并选取房间中开阔区域的中心点,机器人行进至中心点进行全局扫描并对扫描的激光数据点以栅格划分,对于划分后的栅格点采用加权最小二乘法进行拟合优化,提取出能够代表环境整体轮廓的栅格点作为先验地图。构建好先验地图之后,移动机器人基于此先验地图对于每个定位周期采集到的激光数据点进行MbICP（Metri-Based Iterative Closest Point）匹配,将匹配的结果作为观测使用EKF（Extended Kalman Filter）滤波算法对机器人进行定位。综合了MbICP匹配算法对于角度校正效果明显和EKF滤波算法对于高斯噪声滤除效果较好的优势。本文实验基于Pioneer-3DX型移动机器人平台与LMS200型激光测距仪,通过编写的地图构建与自主导航系统获得一系列实验结果和数据,对其进行分析与验证,表明了本文所提方法的有效性、鲁棒性和实用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 自主导航与地图构建研究现状及趋势
• 1.3 本文的主要内容安排
• 2 移动机器人及传感器模型
• 2.1 移动机器人模型
• 2.1.1 Pioneer-3DX移动机器人
• 2.1.2 机器人实验系统构建
• 2.2 传感器模型
• 2.2.1 机器人里程计传感器模型
• 2.2.2 LMS200型激光测距仪传感器模型
• 3 移动机器人自主导航
• 3.1 拓扑地图构建
• 3.1.1 环境的拓扑节点表示
• 3.1.2 局部节点特征表示
• 3.2 基于拓扑地图的自主导航
• 3.2.1 自主导航
• 3.2.2 路径规划
• 4 移动机器人室内即时地图构建与自主定位
• 4.1 移动机器人室内即时地图构建
• 4.1.1 机器人室内中心点的观测
• 4.1.2 室内地图栅格化
• 4.1.3 基于栅格的加权最小二乘法优化
• 4.1.4 实验结果及分析
• 4.2 移动机器人室内定位
• 4.2.1 机器人系统的状态与观测模型
• 4.2.2 基于MbICP的观测
• 4.2.3 基于EKF的状态与协方差更新
• 4.2.4 实验结果及分析
• 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