基于激光雷达的室内移动机器人建图与导航研究

发布时间：2020-11-05 01:47

　　 随着科学技术的飞速发展,为了满足军事上、工业上和民用上对自动化以及人工智能的日益增长的需求,机器人不断进入更多的领域。移动机器人作为一个具有广泛应用前景的分支得到了各个研究机构的关注。其中,最为关注的一个研究热点和难点是移动机器人的同时定位与地图创建(Simultaneous Localization And Mapping,简称SLAM)问题。它是解决移动机器人自主导航的关键问题,解决了 SLAM问题,移动机器可以自主导航运动去执行更加复杂的任务,比如:野外搜救、室内搬运、多机器人协同运动等。由于具有很强的应用价值而备受国内外学者的广泛研究。本文结合搭建自主移动移动机器人平台,利用粒子滤波算法来解决SLAM问题中的栅格地图创建和导航问题。本文主要从以下几个方面来展开具体的研究:首先,简单的介绍了移动机器人和SLAM相关技术的研究背景和国内外的研究现状,介绍了移动机器人控制系统的相关概率模型。并对整个搭建的移动机器人系统进行了总体的阐述,详细介绍了其硬件平台的搭建和系统整体的软件设计框架。其次,对利用激光雷达进行SLAM技术的研究进行了具体的阐述,详细的介绍了粒子滤波算法和基于Rao-Blackwellization粒子滤波算法在SLAM问题中的运用。通过理论分析和在Matlab仿真环境下进行算法的仿真,验证该算法在解决SLAM问题的有效性,为后文编写导航建图软件提供算法的理论支撑。接着,对搭建的移动机器人系统设计相应的控制软件,主要分为下位机的运动控制软件、激光雷达的数据采集软件、视频流采集软件、上位机地图创建与导航软件和移动端的监控软件五个部分。通过编写的控制软件来实验移动机器人系统的总体控制。最后,结合自主搭建的移动机器人和系统的控制软件,对RBPF-SLAM算法进行了实际的验证,同时也对自主编写的控制软件的各个模块的使用进行的综合的实验。通过实验结果分析,验证了算法的有效性和上位机移动机器人建图与导航软件的易用性和实用性。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP242;TN958.98
【部分图文】：

1.2.1 移动机器人研究现状移动机器人的研究范围涉及多个学科,例如：电子电路、自动控制、信息处理、人工智能等，各个学科联合紧密，它往往代表着一个国家科研实力的综合体现。对移动机器人的研究国外起步较早，20 世纪 60 年代末，美国斯坦福研究所的 NilsNilssen 和 Charles Rosen 等人研制出了 Shakey 移动机器人[14],从而开创了移动机器人（Autonomous Mobile Root,简称 AMR）研究的开端。随着科学技术的进步，新材料的层出不从、传感器芯片信息处理的能力越来越强、研究出来了越来越多的控制算法，移动机器人的研究得到了快速而广泛的发展。其中美国国家航空航天局喷气推进实验室研制的“勇气号”火星车最为著名[15]，如图 1-1 所示，它拥有柔性的机械手臂，配备多个摄像头，能够完成各种复杂的任务。2012年 Google X 实验室研发中的全自动驾驶汽车，如图 1-2 所示，它不需要驾驶人员就可以实现自动启动、行驶、简单的避碰等任务，它的出现使得人们对无人驾驶技术产生了无限的向往[16]。

1.2.1 移动机器人研究现状移动机器人的研究范围涉及多个学科,例如：电子电路、自动控制、信息处理、人工智能等，各个学科联合紧密，它往往代表着一个国家科研实力的综合体现。对移动机器人的研究国外起步较早，20 世纪 60 年代末，美国斯坦福研究所的 NilsNilssen 和 Charles Rosen 等人研制出了 Shakey 移动机器人[14],从而开创了移动机器人（Autonomous Mobile Root,简称 AMR）研究的开端。随着科学技术的进步，新材料的层出不从、传感器芯片信息处理的能力越来越强、研究出来了越来越多的控制算法，移动机器人的研究得到了快速而广泛的发展。其中美国国家航空航天局喷气推进实验室研制的“勇气号”火星车最为著名[15]，如图 1-1 所示，它拥有柔性的机械手臂，配备多个摄像头，能够完成各种复杂的任务。2012年 Google X 实验室研发中的全自动驾驶汽车，如图 1-2 所示，它不需要驾驶人员就可以实现自动启动、行驶、简单的避碰等任务，它的出现使得人们对无人驾驶技术产生了无限的向往[16]。

推出的新一代无人驾驶自主车红旗 HQ3，在可靠性和小型化方面取得了较大的进展[18]。上海交通大学自动化研究所采用 ActivMedi 公司的开发的 Ponoeer2/DX型轮式移动机器人位开发平台，建立了一个开放性高、可扩展性强的通用多移动机器人分布式协调平台，并对多机器人之间的协作系统展开了一系列的研究[19]。中科院自动化研究所也成功研制出一款移动机器人 CASIA-I，如图 1-3 所示,它可以实现对外部环境信息和自身的状态进行感知，从而实时进行运动控制决策、路径规划决策等，可以广泛应用于公共场合和服务娱乐场合[20]。哈尔滨工业大学和海尔公司联合研制的导游服务机器人，如图 1-4 所示，它装备的语音识别模块可以实现与人进行简单的对话，可以对室内的景点进行语音讲解[21]。在物流运输方面，京东的送货机器人已经处于应用试验阶段[22]，它可以实现自主无人配送快递，菜鸟网络的物流机器人，如图 1-5 所示，它可以实现在室内复杂的仓库中进行货物的搬运分拣，百度的无人驾驶汽车，如图 1-6 所示，在 2017 年已经开始上路试验[23]。近些年的科技技术的发展，极大的推动了移动机器人渗透到社会的各个行业，因此具有广泛的应用前景。
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本文编号：2870933