基于ROS的护士助手机器人导航与定位系统研究
发布时间：2021-10-17 17:57
随着科学技术的飞速发展,室内服务机器人越来越多地应用于医疗领域,设计一种可以在室内自主导航的护士助手机器人具有重要的研究价值和市场前景。但是护士助手机器人的自主导航定位是目前研究中的重点与难点,因此本文分别对基于激光雷达技术的实时定位与地图构建（Simultaneous Localization and Mapping,SLAM）和移动机器人自主导航技术进行了理论研究和实验,并使用机器人操作系统（ROS）搭建了一套基于激光雷达的SLAM和自主导航系统。首先,论文介绍了护士助手机器人国内外发展现状,针对护士助手机器人的导航功能,设计了护士助手机器人自主导航系统,分析了选用的护士助手机器人底盘和硬件配置,根据底盘驱动方式,研究了差速驱动轮式移动机器人运动模型。针对护士助手机器人的传感器与软件系统,研究了激光雷达的测距原理和机器人操作系统（ROS）。其次,分别研究了基于粒子滤波的SLAM算法原理和基于图优化的SLAM算法原理,并分析了基于改进Rao-Blackwellized粒子滤波的Gmapping算法和基于图优化的Cartographer算法。使用ROS仿真软件Gazebo搭建仿真环境与...
【文章来源】：天津职业技术师范大学天津市
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Helepmate机器人
慕ㄖ??线存在机器人的脑袋里，并且同时运行精密的侦测感应系统和自动导航系统，让机器人可以自行规划送药和行进路线。这款送药机器人也配置了防护机制，以防药品在运送途中遭遇撞击或意外。病人想要拿到药品，需要医生或者护士的ID卡才能打开。英国、挪威等一些欧洲国家也都开展了对护士助手机器人的研究。2016年在丹麦，医护人员们发现血样提取花费了大量的时间，因此开发了一款叫GiboSort[5]的智能机器人。它由一家在奥登赛的丹麦公司发明，该机器人可以不断地选取血液样本，减少了患者的等待时间。图1Helepmate机器人图2HOSP1机器人我国的护士助手机器人研究起步较晚，研制护士助手机器人的单位主要集中在中国海洋大学、华南理工大学、哈尔滨工程大学、中科院沈阳自动化所等。我国从非典时期开始研究护士助手机器人，护士助手机器人可以在非典隔离病区执行消毒任务，运送化验样品、化验结果和医疗器械，为病人送药品、送饭及生活用品，处理隔离病区垃圾，如图3所示。中国科学院自动化研究所研制了集多种传感器、视觉、语音识别与会话功能于一体CASIA-I型智能服务机器人。该机器人顶部安装有摄像机，本体分布有16个红外传感器和16个超声传感器。CASIA-I型智能服务机器人高0.8m，直径0.45m，最大运行速度为0.8m/s，可广泛应用于公共场合和个人家庭[6]。
天津职业技术师范大学硕士学位论文-3-图3非典助手机器人图4上海仁济医院护士助手机器人1.2.2SLAM国内外研究现状早期的实时定位与地图构建（SimultaneousLocalizationandMapping，SLAM）主要研究的传感器有激光、声纳等传感器等。这些传感器数据精度和算法效率较低，对应用的环境要求很高，因此取得的效果并不理想。PeterCheeseman和JimCrowle等[7]学者在20世界80年代末期提出使用了概率学知识来解决机器人定位的问题，并且取得了良好的状态估计值。从那时起，基于概率学的SLAM方法成了机器人定位与地图构建领域的主流方法。EKFSLAM方法解决了SLAM系统中状态估计的问题。Smith、Cheesman和Durrant-Whyte[8]提出SLAM的状态估计问题后，首先对机器人位姿和路标位置之间几何关系的不确定性进行了研究。该方法通过泰勒展开对非线性系统进行线性化，但是线性化过程中丢掉了泰勒展开式的高阶项，导致了误差累积。因此EKFSLAM方法适用于构建小型地图。现今，Smith[9][10]等提出的EKFSLAM公式依旧在使用。随着研究的深入，许多研究者提出了改进的该方法。由于EKFSLAM算法存在计算量大和线性化误差大的缺点，1997年，J.K.Uhlmann和S.J.Juliear[11]提出了适用于非线性系统的无迹卡尔曼滤波SLAM(UnscentedKalmanFilter,UKF)方法，其基本思想是对非线性函数进行概率密度逼近。该方法通过U(Unscented)变换对非线性系统进行模型状态和协方差递推更新，然后通过卡尔曼滤波进行状态估计。UKFSLAM避免了由泰勒展开高阶项带来的误差，不但提高了滤波精度，而且不需要计算雅可比矩阵[12]，从而降低了计算量。但是UKFSLAM计算量为状态向量的三次方，存在随着观测路标的不断增加，计算量会不断增加的缺点。Murphy和Doucet[13]首先提出了将RBPF引入SLAM问题，然后蒙特卡
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国老年人口数量预测分析[J]. 王伟,岳博. 合作经济与科技. 2019(24)
[2]基于萤火虫算法优化的Gmapping研究[J]. 郑兵,陈世利,刘蓉. 计算机工程. 2018(09)
[3]基于激光信息的移动机器人SLAM研究[J]. 柳俊城,李迪,翁潇文. 自动化与仪表. 2018(06)
[4]基于区域粒子群优化和部分高斯重采样的SLAM方法[J]. 王田橙,蔡云飞,唐振民. 计算机工程. 2017(11)
[5]量子粒子群优化下的RBPF-SLAM算法研究[J]. 伍永健,陈跃东,陈孟元. 智能系统学报. 2018(05)
[6]大规模环境下基于图优化SLAM的后端优化方法[J]. 王忠立,赵杰,蔡鹤皋. 哈尔滨工业大学学报. 2015(07)
[7]改进RBPF的移动机器人同步定位与地图构建[J]. 罗元,余佳航,汪龙峰,王运凯. 智能系统学报. 2015(03)
[8]大规模环境下基于图优化SLAM的图构建方法[J]. 王忠立,赵杰,蔡鹤皋. 哈尔滨工业大学学报. 2015(01)
[9]改进粒子滤波器的移动机器人同步定位与地图构建方法[J]. 朱磊,樊继壮,赵杰,吴晓光. 重庆大学学报. 2014(04)
[10]基于图优化的同时定位与地图创建综述[J]. 梁明杰,闵华清,罗荣华. 机器人. 2013(04)
硕士论文
[1]基于信息融合的移动机器人导航系统研究[D]. 张德喜.沈阳工业大学 2019
[2]室内移动机器人的SLAM系统研究[D]. 马业鹏.贵州大学 2019
[3]基于Cartographer算法的SLAM与导航机器人设计[D]. 贾浩.山东大学 2019
[4]一种室内移动机器人定位和路径规划的算法优化[D]. 杨记周.中国科学技术大学 2019
[5]基于激光雷达的室内移动机器人SLAM与导航技术研究[D]. 杜哲夫.湖北工业大学 2019
[6]基于ROS的移动机器人系统平台的设计与实现[D]. 曾俊皓.华南理工大学 2018
[7]室内测绘机器人SLAM技术的研究与实现[D]. 李维鑫.西安科技大学 2018
[8]室内动态环境下基于粒子滤波的服务机器人定位[D]. 雷杨浩.西南科技大学 2018
[9]基于SLAM技术的智能机器人定位导航研究[D]. 王永涛.北方工业大学 2018
[10]基于Cartographer和RBPF的室内SLAM技术研究[D]. 姬少英.燕山大学 2018
本文编号：3442183
【文章来源】：天津职业技术师范大学天津市
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Helepmate机器人
慕ㄖ??线存在机器人的脑袋里，并且同时运行精密的侦测感应系统和自动导航系统，让机器人可以自行规划送药和行进路线。这款送药机器人也配置了防护机制，以防药品在运送途中遭遇撞击或意外。病人想要拿到药品，需要医生或者护士的ID卡才能打开。英国、挪威等一些欧洲国家也都开展了对护士助手机器人的研究。2016年在丹麦，医护人员们发现血样提取花费了大量的时间，因此开发了一款叫GiboSort[5]的智能机器人。它由一家在奥登赛的丹麦公司发明，该机器人可以不断地选取血液样本，减少了患者的等待时间。图1Helepmate机器人图2HOSP1机器人我国的护士助手机器人研究起步较晚，研制护士助手机器人的单位主要集中在中国海洋大学、华南理工大学、哈尔滨工程大学、中科院沈阳自动化所等。我国从非典时期开始研究护士助手机器人，护士助手机器人可以在非典隔离病区执行消毒任务，运送化验样品、化验结果和医疗器械，为病人送药品、送饭及生活用品，处理隔离病区垃圾，如图3所示。中国科学院自动化研究所研制了集多种传感器、视觉、语音识别与会话功能于一体CASIA-I型智能服务机器人。该机器人顶部安装有摄像机，本体分布有16个红外传感器和16个超声传感器。CASIA-I型智能服务机器人高0.8m，直径0.45m，最大运行速度为0.8m/s，可广泛应用于公共场合和个人家庭[6]。
天津职业技术师范大学硕士学位论文-3-图3非典助手机器人图4上海仁济医院护士助手机器人1.2.2SLAM国内外研究现状早期的实时定位与地图构建（SimultaneousLocalizationandMapping，SLAM）主要研究的传感器有激光、声纳等传感器等。这些传感器数据精度和算法效率较低，对应用的环境要求很高，因此取得的效果并不理想。PeterCheeseman和JimCrowle等[7]学者在20世界80年代末期提出使用了概率学知识来解决机器人定位的问题，并且取得了良好的状态估计值。从那时起，基于概率学的SLAM方法成了机器人定位与地图构建领域的主流方法。EKFSLAM方法解决了SLAM系统中状态估计的问题。Smith、Cheesman和Durrant-Whyte[8]提出SLAM的状态估计问题后，首先对机器人位姿和路标位置之间几何关系的不确定性进行了研究。该方法通过泰勒展开对非线性系统进行线性化，但是线性化过程中丢掉了泰勒展开式的高阶项，导致了误差累积。因此EKFSLAM方法适用于构建小型地图。现今，Smith[9][10]等提出的EKFSLAM公式依旧在使用。随着研究的深入，许多研究者提出了改进的该方法。由于EKFSLAM算法存在计算量大和线性化误差大的缺点，1997年，J.K.Uhlmann和S.J.Juliear[11]提出了适用于非线性系统的无迹卡尔曼滤波SLAM(UnscentedKalmanFilter,UKF)方法，其基本思想是对非线性函数进行概率密度逼近。该方法通过U(Unscented)变换对非线性系统进行模型状态和协方差递推更新，然后通过卡尔曼滤波进行状态估计。UKFSLAM避免了由泰勒展开高阶项带来的误差，不但提高了滤波精度，而且不需要计算雅可比矩阵[12]，从而降低了计算量。但是UKFSLAM计算量为状态向量的三次方，存在随着观测路标的不断增加，计算量会不断增加的缺点。Murphy和Doucet[13]首先提出了将RBPF引入SLAM问题，然后蒙特卡
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国老年人口数量预测分析[J]. 王伟,岳博. 合作经济与科技. 2019(24)
[2]基于萤火虫算法优化的Gmapping研究[J]. 郑兵,陈世利,刘蓉. 计算机工程. 2018(09)
[3]基于激光信息的移动机器人SLAM研究[J]. 柳俊城,李迪,翁潇文. 自动化与仪表. 2018(06)
[4]基于区域粒子群优化和部分高斯重采样的SLAM方法[J]. 王田橙,蔡云飞,唐振民. 计算机工程. 2017(11)
[5]量子粒子群优化下的RBPF-SLAM算法研究[J]. 伍永健,陈跃东,陈孟元. 智能系统学报. 2018(05)
[6]大规模环境下基于图优化SLAM的后端优化方法[J]. 王忠立,赵杰,蔡鹤皋. 哈尔滨工业大学学报. 2015(07)
[7]改进RBPF的移动机器人同步定位与地图构建[J]. 罗元,余佳航,汪龙峰,王运凯. 智能系统学报. 2015(03)
[8]大规模环境下基于图优化SLAM的图构建方法[J]. 王忠立,赵杰,蔡鹤皋. 哈尔滨工业大学学报. 2015(01)
[9]改进粒子滤波器的移动机器人同步定位与地图构建方法[J]. 朱磊,樊继壮,赵杰,吴晓光. 重庆大学学报. 2014(04)
[10]基于图优化的同时定位与地图创建综述[J]. 梁明杰,闵华清,罗荣华. 机器人. 2013(04)
硕士论文
[1]基于信息融合的移动机器人导航系统研究[D]. 张德喜.沈阳工业大学 2019
[2]室内移动机器人的SLAM系统研究[D]. 马业鹏.贵州大学 2019
[3]基于Cartographer算法的SLAM与导航机器人设计[D]. 贾浩.山东大学 2019
[4]一种室内移动机器人定位和路径规划的算法优化[D]. 杨记周.中国科学技术大学 2019
[5]基于激光雷达的室内移动机器人SLAM与导航技术研究[D]. 杜哲夫.湖北工业大学 2019
[6]基于ROS的移动机器人系统平台的设计与实现[D]. 曾俊皓.华南理工大学 2018
[7]室内测绘机器人SLAM技术的研究与实现[D]. 李维鑫.西安科技大学 2018
[8]室内动态环境下基于粒子滤波的服务机器人定位[D]. 雷杨浩.西南科技大学 2018
[9]基于SLAM技术的智能机器人定位导航研究[D]. 王永涛.北方工业大学 2018
[10]基于Cartographer和RBPF的室内SLAM技术研究[D]. 姬少英.燕山大学 2018
本文编号：3442183
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