基于跳点搜索改进A*算法的移动机器人导航控制
发布时间：2020-12-14 01:25
移动机器人的导航技术是机器人领域的重点研究方向。目前比较常用的导航方式中,激光雷达导航由于其精度高、实时性好且环境适应能力强已经得到广泛的应用。本文采用二维激光雷达来实现移动机器人导航系统,对移动机器人导航系统中的自主定位、地图构建与路径规划三个关键问题进行了详细的研究。结合跳点搜索算法的思想对传统的A*寻路算法进行改进,实现了移动机器人的室内导航系统。本文的主要研究内容如下:首先,介绍了GMapping-SLAM框架的算法实现原理,并通过与Hector-SLAM和Cartographer-SLAM算法进行对比分析,分析了GMapping-SLAM框架在室内小场景下的优势。结合本文实际实验环境,最终决定选取GMapping-SLAM框架作为本文的定位与地图构建的主要框架。在仿真环境下进行定位与地图构建,得到环境完整的二维栅格地图,并将其保存下来供后续导航定位调用。其次,结合跳点搜索算法的思想对传统的A*寻路算法进行改进。传统的A*寻路算法本身的搜索策略会产生很多冗余计算节点,直接导致了传统A*算法在较大场景中进行路径规划时存在一些缺陷,如计算量大、内存消耗严重和寻路速度慢等。本文将跳点...
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１移动机器人Ｓｈａｋｅｙ?图１．２?Ｖａｌｋｙｒｉｅ机器人??步入２１世纪以来，移动机器人技术更加智能化
?第１章绪论???要贡献［９］。除了哈工大以外，国内的清华大学和沈阳自动化研究所在移动机器人??研宂领域也取得了很多成就。例如清华大学于２０世纪末期研发出的“ＴＨＭＲ－ＩＩＩ”??智能移动机器人。该移动机器人上搭载了多种传感器，是国内第一次应用了新型??路径规划技术和传感器数据融合技术的移动机器人，为后续的传感器数据融合??研究开创了先河??虽然国内的移动机器人技术起步较晚，但是在国内众多科研工作者的不懈??努力，中国的移动机器人研究水平在不断提高，有多项移动机器人技术己经处于??世界领先地位。在平昌冬奥会的闭幕式上，中国的表演“北京八分钟”惊艳了世??界，就是由多位轮滑运动员和２４台移动机器人一起完成表演的。２０１６年８月３１??日，小米公司正式发布了旗下品牌米家的最新智能化产品一小米扫地机器人，采??用ＮＩＤＥＣ无刷电机，具备１８００Ｐａ风压。浮动主刷设计，可以根据地面的高低上??下浮动，紧贴地面。在清扫墙边缝隙的过程依靠沿墙传感器，米家扫地机器人和??墙精确保持约ｌｃｍ的距离，配合边刷的工作将墙边缝隙的灰尘清理干净，小米??扫地机器人如图１．４所示。２０１７年６月１８日，京东配送机器人顺利完成全球首??单配送任务。作为整个物流系统中末端配送的最后一环，配送机器人所具备的高??负荷、全天候工作、智能等优点，将为物流行业的“最后一公里”带去全新的解??决方案，京东配送机器人如图１．５所示。???＇Ｉ／％、：＊１：?］??图１．３?“北京八分钟”的多台移动机器人??４??
?第１章绪论???ｎ！＾??图１．４小米扫地机器人?图丨．５京东配送机器人??１．３移动机器人导航技术研究现状??在移动机器人众多的研宄方向中，自主导航技术是研宄的重点方向。导航是??指移动机器人通过自身搭载的传感器来获取周围环境信息和自身位姿，实现在??未知环境中朝向目标点的自主运动。移动机器人导航主要包含三个关键问题：移??动机器人定位、地图构建与路径规划。虽然目前在移动机器人导航技术领域己经??取得了一些成果，但是在研宄导航的过程仍然存在一些问题有待解决、还有许多??关键的理论需要去完善、导航的精度也需要提高［１｜］。??最开始研究的时候，移动机器人的地图构建问题与定位问题的研究是分开??进行的。在后续的研宄中发现这两个问题是相互依存的，解决了其中一个问题，??另一个问题就自然而然的解决了。或者说这两个问题互为充要条件，不可能在不??解决另一个问题的情况下就解决一个问题。因此结合这两个问题引出了??ＳＬＡＭ（即时定位与建图）理论，只要解决了?ＳＬＡＭ问题，这两个问题就迎刃而解??了。??移动机器人在未知周围环境中确定自身的位姿信息需要提前得知周围环境??地图信息，而移动机器人构建未知环境的精准地图的前提条件是得知移动机器??人的精准位姿。才能通过传感器计算出周围物体或边界到自身的距离。图１．６中??展示了导航中三个关键问题之间的联系，其中的定位与地图构建组成了?ＳＬＡＭ??理论，ＳＬＡＭ理论再与路径规划算法结合形成综合探测，即自主导航。??５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于D-star和DWA的改进机器人导航方法[J]. 何壮壮,丁德锐. 电子测量技术. 2019(12)
[2]移动机器人路径规划综述[J]. 宋晓茹,任怡悦,高嵩,陈超波. 计算机测量与控制. 2019(04)
[3]基于改进A*算法的移动机器人路径规划[J]. 赵晓,王铮,黄程侃,赵燕伟. 机器人. 2018(06)
[4]应用于物流AGV磁导航传感器的研究[J]. 谭雪,戴更新. 物流科技. 2017(08)
[5]仿人服务机器人发展与研究现状[J]. 颜云辉,徐靖,陆志国,宋克臣,柳博航. 机器人. 2017(04)
[6]工业机器人传感控制技术研究现状及发展态势——基于专利文献计量分析视角[J]. 柳倩,桂建军,杨小薇,曲艳丽. 机器人. 2016(05)
[7]一种融合激光和深度视觉传感器的SLAM地图创建方法[J]. 张毅,杜凡宇,罗元,熊艳. 计算机应用研究. 2016(10)
[8]基于势场栅格法的移动机器人避障路径规划[J]. 欧阳鑫玉,杨曙光. 控制工程. 2014(01)
[9]GPS在移动机器人导航中的应用[J]. 张元良. 数字技术与应用. 2011(04)
[10]移动机器人路径规划技术综述[J]. 朱大奇,颜明重. 控制与决策. 2010(07)
博士论文
[1]长期运行移动机器人的定位与地图构建[D]. 王越.浙江大学 2016
硕士论文
[1]动态环境下移动机器人的路径规划算法研究[D]. 曹思萌.哈尔滨工业大学 2019
[2]基于视觉SLAM的小车路径规划研究[D]. 盛家豪.哈尔滨工业大学 2019
[3]移动机器人的路径规划与跟踪方法研究[D]. 王正安.哈尔滨工程大学 2019
[4]动态环境下移动机器人路径规划方法研究[D]. 王彤彤.哈尔滨工程大学 2018
[5]AGV系统路径规划技术研究[D]. 孙奇.浙江大学 2012
[6]基于量子粒子群算法的移动机器人的路径规划的研究[D]. 王坤.江南大学 2009
[7]全区域覆盖自主移动机器人路径规划与避障的研究[D]. 陈卫平.南京理工大学 2004
本文编号：2915541
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１移动机器人Ｓｈａｋｅｙ?图１．２?Ｖａｌｋｙｒｉｅ机器人??步入２１世纪以来，移动机器人技术更加智能化
?第１章绪论???要贡献［９］。除了哈工大以外，国内的清华大学和沈阳自动化研究所在移动机器人??研宂领域也取得了很多成就。例如清华大学于２０世纪末期研发出的“ＴＨＭＲ－ＩＩＩ”??智能移动机器人。该移动机器人上搭载了多种传感器，是国内第一次应用了新型??路径规划技术和传感器数据融合技术的移动机器人，为后续的传感器数据融合??研究开创了先河??虽然国内的移动机器人技术起步较晚，但是在国内众多科研工作者的不懈??努力，中国的移动机器人研究水平在不断提高，有多项移动机器人技术己经处于??世界领先地位。在平昌冬奥会的闭幕式上，中国的表演“北京八分钟”惊艳了世??界，就是由多位轮滑运动员和２４台移动机器人一起完成表演的。２０１６年８月３１??日，小米公司正式发布了旗下品牌米家的最新智能化产品一小米扫地机器人，采??用ＮＩＤＥＣ无刷电机，具备１８００Ｐａ风压。浮动主刷设计，可以根据地面的高低上??下浮动，紧贴地面。在清扫墙边缝隙的过程依靠沿墙传感器，米家扫地机器人和??墙精确保持约ｌｃｍ的距离，配合边刷的工作将墙边缝隙的灰尘清理干净，小米??扫地机器人如图１．４所示。２０１７年６月１８日，京东配送机器人顺利完成全球首??单配送任务。作为整个物流系统中末端配送的最后一环，配送机器人所具备的高??负荷、全天候工作、智能等优点，将为物流行业的“最后一公里”带去全新的解??决方案，京东配送机器人如图１．５所示。???＇Ｉ／％、：＊１：?］??图１．３?“北京八分钟”的多台移动机器人??４??
?第１章绪论???ｎ！＾??图１．４小米扫地机器人?图丨．５京东配送机器人??１．３移动机器人导航技术研究现状??在移动机器人众多的研宄方向中，自主导航技术是研宄的重点方向。导航是??指移动机器人通过自身搭载的传感器来获取周围环境信息和自身位姿，实现在??未知环境中朝向目标点的自主运动。移动机器人导航主要包含三个关键问题：移??动机器人定位、地图构建与路径规划。虽然目前在移动机器人导航技术领域己经??取得了一些成果，但是在研宄导航的过程仍然存在一些问题有待解决、还有许多??关键的理论需要去完善、导航的精度也需要提高［１｜］。??最开始研究的时候，移动机器人的地图构建问题与定位问题的研究是分开??进行的。在后续的研宄中发现这两个问题是相互依存的，解决了其中一个问题，??另一个问题就自然而然的解决了。或者说这两个问题互为充要条件，不可能在不??解决另一个问题的情况下就解决一个问题。因此结合这两个问题引出了??ＳＬＡＭ（即时定位与建图）理论，只要解决了?ＳＬＡＭ问题，这两个问题就迎刃而解??了。??移动机器人在未知周围环境中确定自身的位姿信息需要提前得知周围环境??地图信息，而移动机器人构建未知环境的精准地图的前提条件是得知移动机器??人的精准位姿。才能通过传感器计算出周围物体或边界到自身的距离。图１．６中??展示了导航中三个关键问题之间的联系，其中的定位与地图构建组成了?ＳＬＡＭ??理论，ＳＬＡＭ理论再与路径规划算法结合形成综合探测，即自主导航。??５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于D-star和DWA的改进机器人导航方法[J]. 何壮壮,丁德锐. 电子测量技术. 2019(12)
[2]移动机器人路径规划综述[J]. 宋晓茹,任怡悦,高嵩,陈超波. 计算机测量与控制. 2019(04)
[3]基于改进A*算法的移动机器人路径规划[J]. 赵晓,王铮,黄程侃,赵燕伟. 机器人. 2018(06)
[4]应用于物流AGV磁导航传感器的研究[J]. 谭雪,戴更新. 物流科技. 2017(08)
[5]仿人服务机器人发展与研究现状[J]. 颜云辉,徐靖,陆志国,宋克臣,柳博航. 机器人. 2017(04)
[6]工业机器人传感控制技术研究现状及发展态势——基于专利文献计量分析视角[J]. 柳倩,桂建军,杨小薇,曲艳丽. 机器人. 2016(05)
[7]一种融合激光和深度视觉传感器的SLAM地图创建方法[J]. 张毅,杜凡宇,罗元,熊艳. 计算机应用研究. 2016(10)
[8]基于势场栅格法的移动机器人避障路径规划[J]. 欧阳鑫玉,杨曙光. 控制工程. 2014(01)
[9]GPS在移动机器人导航中的应用[J]. 张元良. 数字技术与应用. 2011(04)
[10]移动机器人路径规划技术综述[J]. 朱大奇,颜明重. 控制与决策. 2010(07)
博士论文
[1]长期运行移动机器人的定位与地图构建[D]. 王越.浙江大学 2016
硕士论文
[1]动态环境下移动机器人的路径规划算法研究[D]. 曹思萌.哈尔滨工业大学 2019
[2]基于视觉SLAM的小车路径规划研究[D]. 盛家豪.哈尔滨工业大学 2019
[3]移动机器人的路径规划与跟踪方法研究[D]. 王正安.哈尔滨工程大学 2019
[4]动态环境下移动机器人路径规划方法研究[D]. 王彤彤.哈尔滨工程大学 2018
[5]AGV系统路径规划技术研究[D]. 孙奇.浙江大学 2012
[6]基于量子粒子群算法的移动机器人的路径规划的研究[D]. 王坤.江南大学 2009
[7]全区域覆盖自主移动机器人路径规划与避障的研究[D]. 陈卫平.南京理工大学 2004
本文编号：2915541
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