基于激光雷达的机器人室内SLAM与路径规划研究
发布时间：2021-12-22 05:57
近年来,由于科技进步的发展,各类机器人开始进入各个领域帮助完成各类任务,比如危险环境下的各种勘测机器人,工业环境下的码垛机器人等。机器人事业的蓬勃发展改善了人们的生活环境,在人类的日常生活中起到越来越重要的作用。而同时定位与地图构建（Simultaneous Localization and Mapping,SLAM）技术和路径规划（Path Planning）作为实现移动机器人自主导航能力的关键,具有十分深远的研究意义。本文基于二维激光雷达作为机器人室内观测系统,分别对SLAM技术与路径规划技术进行理论研究与仿真实验,使用机器人操作系统（Robot Operation System,ROS）设计了一款低成本基于激光雷达的SLAM与路径规划系统,该系统可以高精度的完成建图,满足室内环境下的避障与路径规划。首先,对本文所建立的运动学模型以及环境地图模型进行介绍,对比分析了激光雷达的两种测距数学模型,并选用似然场模型作为本文激光雷达的测距模型,针对机器人系统,研究分析了坐标转换以及栅格地图的构建算法。然后,主要对基于粒子滤波的SLAM进行了理论研究。并对本文提出的基于量子粒子群优化（Qua...
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
激光雷达和摄像头SLAM技术经过30多年的发展，流程结构框架已完善，并且在虚拟现实、增强现
基于激光雷达的机器人室内SLAM与路径规划研究-10-图2.2激光雷达RPLIDARA1RPLIDARA1激光雷达默认顺时针扫描，扫描频率可以设定。思岚科技的激光雷达不会因电压的供电不稳导致转速的变化，因为其自身的检测系统可以通过检测电压的变化，自适应的调节导致误差绝对的小于17mm，占整个测量误差的总体会小于25%。激光雷达测距其实是三角测距原理，即发射红外光束，并通过另一个接口接收部分发射的红外光束，其中两条光束与发射器和接收器之间的连线构成三角线，根据三角形角边角唯一确定一个三角形，因此通过三角测距得到被照射的物体与移动机器人上搭载的激光雷达之间的距离。一般情况下，激光雷达都安装在移动机器人的正中心，因此可以建立以激光雷达为中心的直角坐标，和都表示当前状态下激光雷达到障碍物的距离，为扫描点从初始0°到当前扫描过的角度差值，其所有扫描点的坐标为：=(，)=(，)，i=1,,N(2-5)式中，N为激光雷达旋转一周的扫描点个数，可以通过设定改变旋转一周的扫描点数。2.2.2激光雷达测距数学模型运用激光雷达进行测距的数学模型主流有两种，接下来分别对两种进行说明，通过对比说明本设计运用似然场模型的原因。（1）光束模型期望的光束模型p(|,)是四个密度的混合，每一种密度都与一个特定类型的误差有关。当考虑理性情况时，激光测距可以测得物体的正确距离，但是即使激光雷达正确得测量了物体的距离，但返回值会收到大气、测距仪的测量分辨率的影响而造成误差，所以由p来表示第一种高斯测距模型。当考虑机器人处于动态环境时，由于所建立的地图是静态的，地图中不包含的对象比如说行人就该剔除出所建立的静态地图中，由指
基于激光雷达的机器人室内SLAM与路径规划研究-14-图2.4机器人坐标系图2.4反应了机器人坐标系与世界世界坐标系的关系，为了将机器人观测到的m点在机器人坐标0=[0，0]转换到世界坐标0=[0，0]中，可以通过式(2-9)计算。000000cossincossinWrrrWrrrxxxyyyxy(2-9)2.4地图模型2.4.1地图模型分类（1）栅格地图栅格地图（Gridmap）是将地图信息离散化，将其表示为大小一致的栅格形式。而对于栅格的状态只有两种，0表示自由空间，1表示被占用。图2-4就是一个简单的删个地图，其中黑色的方块表示障碍物，白色的方块表示自由空间。本文研究的SLAM技术是基于栅格地图的形式。因为栅格地图容易实现机器人的路径规划。但当环境信息过于庞大，而地图的分辨率又很高时，此时会导致栅格数目的增加，导致信息存储的增加。而把分辨率设置太小时，又不能真实反应环境信息。
【参考文献】：
期刊论文
[1]关于路径规划的相关算法综述[J]. 梁晓辉,慕永辉,吴北华,江宇. 价值工程. 2020(03)
[2]多镜头组合式相机的全景SLAM[J]. 季顺平,秦梓杰. 测绘学报. 2019(10)
[3]机器人和机器人用传感器的发展[J]. 卞正岗. 智慧工厂. 2019(10)
[4]机器人和机器人用传感器的发展[J]. 卞正岗. 智慧工厂. 2019 (10)
[5]人口老龄化背景下助老服务机器人研究[J]. 张荣. 信息记录材料. 2019(09)
[6]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)
[7]基于RGB-D相机的SLAM技术研究综述[J]. 陈世浪,吴俊君. 计算机工程与应用. 2019(07)
[8]基于Dirichlet过程非参贝叶斯学习的高斯箱粒子滤波快速SLAM算法[J]. 罗景文,秦世引. 机器人. 2019(05)
[9]基于激光雷达的同时定位与地图构建方法综述[J]. 危双丰,庞帆,刘振彬,师现杰. 计算机应用研究. 2020(02)
[10]移动机器人路径规划算法综述[J]. 霍凤财,迟金,黄梓健,任璐,孙勤江,陈建玲. 吉林大学学报(信息科学版). 2018(06)
硕士论文
[1]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
[2]基于激光雷达的SLAM和路径规划算法研究与实现[D]. 刘文之.哈尔滨工业大学 2018
[3]基于激光雷达的即时定位与制图技术[D]. 魏杨.哈尔滨工业大学 2017
本文编号：3545880
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
激光雷达和摄像头SLAM技术经过30多年的发展，流程结构框架已完善，并且在虚拟现实、增强现
基于激光雷达的机器人室内SLAM与路径规划研究-10-图2.2激光雷达RPLIDARA1RPLIDARA1激光雷达默认顺时针扫描，扫描频率可以设定。思岚科技的激光雷达不会因电压的供电不稳导致转速的变化，因为其自身的检测系统可以通过检测电压的变化，自适应的调节导致误差绝对的小于17mm，占整个测量误差的总体会小于25%。激光雷达测距其实是三角测距原理，即发射红外光束，并通过另一个接口接收部分发射的红外光束，其中两条光束与发射器和接收器之间的连线构成三角线，根据三角形角边角唯一确定一个三角形，因此通过三角测距得到被照射的物体与移动机器人上搭载的激光雷达之间的距离。一般情况下，激光雷达都安装在移动机器人的正中心，因此可以建立以激光雷达为中心的直角坐标，和都表示当前状态下激光雷达到障碍物的距离，为扫描点从初始0°到当前扫描过的角度差值，其所有扫描点的坐标为：=(，)=(，)，i=1,,N(2-5)式中，N为激光雷达旋转一周的扫描点个数，可以通过设定改变旋转一周的扫描点数。2.2.2激光雷达测距数学模型运用激光雷达进行测距的数学模型主流有两种，接下来分别对两种进行说明，通过对比说明本设计运用似然场模型的原因。（1）光束模型期望的光束模型p(|,)是四个密度的混合，每一种密度都与一个特定类型的误差有关。当考虑理性情况时，激光测距可以测得物体的正确距离，但是即使激光雷达正确得测量了物体的距离，但返回值会收到大气、测距仪的测量分辨率的影响而造成误差，所以由p来表示第一种高斯测距模型。当考虑机器人处于动态环境时，由于所建立的地图是静态的，地图中不包含的对象比如说行人就该剔除出所建立的静态地图中，由指
基于激光雷达的机器人室内SLAM与路径规划研究-14-图2.4机器人坐标系图2.4反应了机器人坐标系与世界世界坐标系的关系，为了将机器人观测到的m点在机器人坐标0=[0，0]转换到世界坐标0=[0，0]中，可以通过式(2-9)计算。000000cossincossinWrrrWrrrxxxyyyxy(2-9)2.4地图模型2.4.1地图模型分类（1）栅格地图栅格地图（Gridmap）是将地图信息离散化，将其表示为大小一致的栅格形式。而对于栅格的状态只有两种，0表示自由空间，1表示被占用。图2-4就是一个简单的删个地图，其中黑色的方块表示障碍物，白色的方块表示自由空间。本文研究的SLAM技术是基于栅格地图的形式。因为栅格地图容易实现机器人的路径规划。但当环境信息过于庞大，而地图的分辨率又很高时，此时会导致栅格数目的增加，导致信息存储的增加。而把分辨率设置太小时，又不能真实反应环境信息。
【参考文献】：
期刊论文
[1]关于路径规划的相关算法综述[J]. 梁晓辉,慕永辉,吴北华,江宇. 价值工程. 2020(03)
[2]多镜头组合式相机的全景SLAM[J]. 季顺平,秦梓杰. 测绘学报. 2019(10)
[3]机器人和机器人用传感器的发展[J]. 卞正岗. 智慧工厂. 2019(10)
[4]机器人和机器人用传感器的发展[J]. 卞正岗. 智慧工厂. 2019 (10)
[5]人口老龄化背景下助老服务机器人研究[J]. 张荣. 信息记录材料. 2019(09)
[6]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)
[7]基于RGB-D相机的SLAM技术研究综述[J]. 陈世浪,吴俊君. 计算机工程与应用. 2019(07)
[8]基于Dirichlet过程非参贝叶斯学习的高斯箱粒子滤波快速SLAM算法[J]. 罗景文,秦世引. 机器人. 2019(05)
[9]基于激光雷达的同时定位与地图构建方法综述[J]. 危双丰,庞帆,刘振彬,师现杰. 计算机应用研究. 2020(02)
[10]移动机器人路径规划算法综述[J]. 霍凤财,迟金,黄梓健,任璐,孙勤江,陈建玲. 吉林大学学报(信息科学版). 2018(06)
硕士论文
[1]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
[2]基于激光雷达的SLAM和路径规划算法研究与实现[D]. 刘文之.哈尔滨工业大学 2018
[3]基于激光雷达的即时定位与制图技术[D]. 魏杨.哈尔滨工业大学 2017
本文编号：3545880
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