基于ROS的机器人室内自主巡航系统设计与实现
发布时间：2021-04-30 10:12
近年来室内机器人的应用需求快速增长,对机器人的未知环境探索能力和自身定位与移动的能力提出了新的要求。另外,机器人平台和机器人应用的多样性要求机器人系统的设计拥有较高的平台兼容能力、可移植性和可扩展性。本文基于室内机器人探索未知环境和自主导航与巡逻的实际需求,在机器人操作系统ROS的框架下设计和实现了室内机器人自主巡航系统,能够完整地解决机器人在室内环境下的探测与导航以及新应用快速接入的问题。该系统主要分为全局收益POMDP主动SLAM算法模块和巡逻与控制模块两个部分。论文首先介绍了主动SLAM算法和ROS框架的历史背景和发展现状,并且详细阐述了基于粒子滤波的SLAM算法原理和既有的主动SLAM算法思想。在此基础上,本文以部分可观测的马尔可夫决策过程POMDP为整体框架设计了主动SLAM算法,在价值函数中加入基于边界的潜在探索收益解决传统方法缺少全局性的问题,并在统计分析的基础上提出了启发式近似求解算法提高计算效率。接着本文设计了基于ROS的室内机器人巡逻与控制系统,首先在动态窗口法的基础上提出了改进的导航控制规划算法,接着设计了离散Voronoi图算法从占用栅格地图中提取出拓扑结构,以...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 主动SLAM研究现状
1.2.2 路径规划与控制研究现状
1.2.3 ROS研究现状
1.3 论文研究内容及设计指标
1.4 论文组织结构
第二章 ROS框架与SLAM基础理论
2.1 ROS框架
2.1.1 ROS中的基本概念
2.1.2 ROS通信框架
2.1.3 ROS实用模块
2.2 SLAM基础理论
2.2.1 SLAM算法的分类
2.2.2 基于栅格地图的粒子滤波SLAM
2.3 现有主动SLAM方案
2.3.1 基于边界的主动SLAM
2.3.2 基于POMDP的主动SLAM
2.4 本章小结
第三章 全局收益POMDP算法设计与实现
3.1 立即价值函数设计
3.1.1 基于信息熵的价值函数
3.1.2 未知环境探索收益
3.1.3 已知区域的挖掘收益
3.1.4 完整的立即价值函数
3.1.5 全局收益价值函数有效性证明
3.2 POMDP近似求解
3.2.1 POMDP的蒙特卡洛近似求解
3.2.2 启发式POMDP近似求解
3.3 POMDP基本模型设计
3.3.1 置信状态更新
3.3.2 观测模型与状态转移函数
3.4 基于ROS的算法实现
3.4.1 运动控制
3.4.2 置信状态的表示与操作
3.5 本章小结
第四章 基于ROS的室内巡航系统设计与实现
4.1 已知环境下的运动控制
4.1.1 动态窗口法
4.1.2 改进的动态窗口法
4.2 已知地图全覆盖路径规划
4.2.1 Voronoi图
4.2.2 快速离散Voronoi图计算
4.2.3 离散Voronoi图的拓扑地图提取
4.2.4 地图全覆盖路径规划
4.3 预设巡逻系统的设计与实现
4.3.1 坐标名称标记
4.3.2 自定义巡逻路线
4.4 扩展接口与客户端控制
4.4.1 本地扩展接口设计
4.4.2 局域网客户端控制
4.4.3 互联网客户端控制
4.5 本章小结
第五章 系统功能测试与性能分析
5.1 测试环境介绍
5.1.1 仿真测试环境
5.1.2 真实测试环境
5.2 系统功能测试
5.2.1 搜索树深度的选择
5.2.2 全局收益POMDP算法测试
5.2.3 拓扑图提取测试
5.2.4 自主巡逻模块测试
5.2.5 预设巡逻模块测试
5.2.6 扩展接口测试
5.3 算法性能测试与分析
5.3.1 主动SLAM算法的评价指标
5.3.2 主动SLAM算法性能测试与比较
5.3.3 改进的动态窗口法测试
5.4 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
致谢
参考文献
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]无人驾驶车辆自动避障路径规划仿真研究[J]. 刘博,罗霞,朱健. 计算机仿真. 2018(02)
[2]智能机械全覆盖路径规划算法综述[J]. 徐博,徐旻,陈立平,谭彧. 计算机测量与控制. 2016(10)
[3]一种移动机器人动态环境下的路径规划[J]. 唐建平,宋红生,王东署. 郑州大学学报(理学版). 2012(01)
[4]不确定动态环境下移动机器人的完全遍历路径规划[J]. 邱雪娜,刘士荣,宋加涛,Simon X.YANG. 机器人. 2006(06)
[5]基于模糊人工势场的移动机器人路径规划[J]. 黄炳强,曹广益. 上海理工大学学报. 2006(04)
硕士论文
[1]POMDP近似算法的研究与设计[D]. 刘冰冰.中国科学技术大学 2017
本文编号：3169334
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 主动SLAM研究现状
1.2.2 路径规划与控制研究现状
1.2.3 ROS研究现状
1.3 论文研究内容及设计指标
1.4 论文组织结构
第二章 ROS框架与SLAM基础理论
2.1 ROS框架
2.1.1 ROS中的基本概念
2.1.2 ROS通信框架
2.1.3 ROS实用模块
2.2 SLAM基础理论
2.2.1 SLAM算法的分类
2.2.2 基于栅格地图的粒子滤波SLAM
2.3 现有主动SLAM方案
2.3.1 基于边界的主动SLAM
2.3.2 基于POMDP的主动SLAM
2.4 本章小结
第三章 全局收益POMDP算法设计与实现
3.1 立即价值函数设计
3.1.1 基于信息熵的价值函数
3.1.2 未知环境探索收益
3.1.3 已知区域的挖掘收益
3.1.4 完整的立即价值函数
3.1.5 全局收益价值函数有效性证明
3.2 POMDP近似求解
3.2.1 POMDP的蒙特卡洛近似求解
3.2.2 启发式POMDP近似求解
3.3 POMDP基本模型设计
3.3.1 置信状态更新
3.3.2 观测模型与状态转移函数
3.4 基于ROS的算法实现
3.4.1 运动控制
3.4.2 置信状态的表示与操作
3.5 本章小结
第四章 基于ROS的室内巡航系统设计与实现
4.1 已知环境下的运动控制
4.1.1 动态窗口法
4.1.2 改进的动态窗口法
4.2 已知地图全覆盖路径规划
4.2.1 Voronoi图
4.2.2 快速离散Voronoi图计算
4.2.3 离散Voronoi图的拓扑地图提取
4.2.4 地图全覆盖路径规划
4.3 预设巡逻系统的设计与实现
4.3.1 坐标名称标记
4.3.2 自定义巡逻路线
4.4 扩展接口与客户端控制
4.4.1 本地扩展接口设计
4.4.2 局域网客户端控制
4.4.3 互联网客户端控制
4.5 本章小结
第五章 系统功能测试与性能分析
5.1 测试环境介绍
5.1.1 仿真测试环境
5.1.2 真实测试环境
5.2 系统功能测试
5.2.1 搜索树深度的选择
5.2.2 全局收益POMDP算法测试
5.2.3 拓扑图提取测试
5.2.4 自主巡逻模块测试
5.2.5 预设巡逻模块测试
5.2.6 扩展接口测试
5.3 算法性能测试与分析
5.3.1 主动SLAM算法的评价指标
5.3.2 主动SLAM算法性能测试与比较
5.3.3 改进的动态窗口法测试
5.4 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
致谢
参考文献
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]无人驾驶车辆自动避障路径规划仿真研究[J]. 刘博,罗霞,朱健. 计算机仿真. 2018(02)
[2]智能机械全覆盖路径规划算法综述[J]. 徐博,徐旻,陈立平,谭彧. 计算机测量与控制. 2016(10)
[3]一种移动机器人动态环境下的路径规划[J]. 唐建平,宋红生,王东署. 郑州大学学报(理学版). 2012(01)
[4]不确定动态环境下移动机器人的完全遍历路径规划[J]. 邱雪娜,刘士荣,宋加涛,Simon X.YANG. 机器人. 2006(06)
[5]基于模糊人工势场的移动机器人路径规划[J]. 黄炳强,曹广益. 上海理工大学学报. 2006(04)
硕士论文
[1]POMDP近似算法的研究与设计[D]. 刘冰冰.中国科学技术大学 2017
本文编号：3169334
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/3169334.html
