基于TOF相机的四足机器人地形感知及静步态规划研究

发布时间：2021-07-06 02:42

　　足式机器人与轮式、履带等机器人相比具备非连续运动特点,在军事行动、抢险救援等领域具有广泛的应用前景。自美国波士顿动力公司的四足机器人Big Dog和Little Dog问世以来,全世界掀起了四足机器人研究热潮。四足机器人由于其自身构型特点及运动形式,使得在崎岖复杂地形环境下行走极具挑战性。本文针对四足机器人在崎岖复杂地形条件下自主导航的需要,深入研究基于光传输时间（Time Of Flight,TOF）三维激光相机的地形感知算法及借助地形信息规划四足机器人运动步态的算法,为提高四足机器人在复杂环境下运动性能提供解决方案。四足机器人根据TOF相机采集的三维点云地图来规划步态,一帧点云视野较小,无法满足导航需要。从拼接两帧在不同位置采集的三维点云数据入手,在充分分析TOF相机优势的基础上,研究基于灰度图像的两帧三维点云拼接算法。预处理灰度图像,提高图像的对比度后,研究尺度不变特征点提取和匹配算法及无效三维特征对滤除算法;根据三维特征对估计与两帧点云相关的初始相对位姿,在此基础上研究基于迭代最近点算法的两帧三维点云拼接。机器人运动过程中通过采集TOF数据对机器人六自由度位姿进行定位,连续采集... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：162 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题来源
    1.2 研究的目的及意义
    1.3 国内外研究现状
        1.3.1 同时定位和地图构建研究现状
        1.3.2 面向足式机器人的视觉导航算法研究现状
        1.3.3 四足机器人静步态规划研究现状
        1.3.4 研究现状总结
    1.4 本文主要研究内容
第2章 基于灰度图像的两帧TOF点云拼接算法研究
    2.1 引言
    2.2 TOF数据预处理
        2.2.1 灰度图像预处理
        2.2.2 点云数据预处理
    2.3 三维尺度不变特征对生成
        2.3.1 二维尺度不变特征对匹配
        2.3.2 无效三维特征对滤除
    2.4 特征对提供初值的迭代点云拼接算法
    2.5 两帧点云数据拼接实验研究
        2.5.1 真实数据采集实验研究
        2.5.2 融合多曝光时间数据以降低深度测量误差实验
        2.5.3 拼接两帧三维点云实验
        2.5.4 统计ICP迭代收敛性
    2.6 本章小结
第3章 基于分层索引结构的TOF相机位姿优化算法研究
    3.1 引言
    3.2 基于三维特征的分层索引结构建立
        3.2.1 生成三维点集合对－－第一层索引
        3.2.2 划分三维点集合－－第二层索引
        3.2.3 帧间配准流程
    3.3 基于分层索引的相对位姿精度闭式估计
        3.3.1 构造隐式函数
        3.3.2 计算相对位姿协方差矩阵
        3.3.3 评价位姿变换精度
    3.4 基于分层索引的图结构位姿优化
        3.4.1 用图结构来表示多帧数据
        3.4.2 调整绝对位姿以满足相对位姿约束
        3.4.3 线性化两视角之间的相对位姿
    3.5 位姿优化实验研究
        3.5.1 闭式估计位姿精度实验
        3.5.2 基于图结构算法的位姿优化实验
    3.6 本章小结
第4章 基于专家学习的落足点择优算法研究
    4.1 引言
    4.2 四足机器人模型
        4.2.1 DH参数模型
        4.2.2 默认落足点位置计算
    4.3 落足点代价函数学习研究
        4.3.1 计算足端地形特征
        4.3.2 落足点选择目标
        4.3.3 落足点代价函数定义
        4.3.4 学习权值向量
    4.4 仿真实验验证
        4.4.12.5D高程地图法向量和曲率计算仿真
        4.4.2 落足点代价值计算仿真
    4.5 本章小结
第5章 基于地形感知的四足机器人静步态规划研究
    5.1 引言
    5.2 四足机器人静步态规划流程
        5.2.1 周期性静步态规划算法
        5.2.2 自由静步态规划流程
    5.3 启发式搜索二维体心路径
        5.3.1 机体处地形代价地图建立
        5.3.2 默认落足点处栅格平均代价地图建立
        5.3.3 在代价地图上搜索二维体心路径
    5.4 静步态序列搜索算法
        5.4.1 标准静步态规划算法
        5.4.2 运动过程碰撞检测算法
        5.4.3 多步静步态序列递归回溯搜索
    5.5 静步态规划仿真实验
        5.5.1 平坦地形机器人标准静步态行走实验
        5.5.2 结构化地形机器人标准静步态行走实验
        5.5.3 非规则崎岖地形机器人标准静步态行走实验
    5.6 本章小结
第6章 四足机器人静步态规划实验研究
    6.1 引言
    6.2 实验平台搭建
        6.2.1 四足机器人平台
        6.2.2 实验控制系统结构
        6.2.3 标定TOF相机与机器人之间位姿
    6.3 半物理实验研究
    6.4 四足机器人直线行走实验
    6.5 四足机器人崎岖地面行走实验
    6.6 本章小结
结论
参考文献
附录A 四足机器人与TOF相机标定过程参数
    A.1 Marker点在Omid? XYZ坐标系下的三维坐标
    A.2 Marker点在OT OF? XYZ坐标系下的三维坐标
    A.3 标定架到相机的位姿变换
攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
致谢
个人简历


【参考文献】：
期刊论文
[1]基于多层Morphin搜索树的UGV局部路径规划算法[J]. 诸葛程晨,唐振民,石朝侠.  机器人. 2014(04)
[2]A review of heavy-duty legged robots[J]. ZHUANG HongChao,GAO HaiBo,DENG ZongQuan,DING Liang,LIU Zhen.  Science China（Technological Sciences）. 2014(02)
[3]基于PMD相机的特征跟踪位姿测量方法[J]. 张旭东,李文龙,胡良梅,叶子瑞.  电子测量与仪器学报. 2013(07)
[4]基于双目立体视觉的视线跟踪系统标定[J]. 温晴川,达飞鹏,方旭.  光学学报. 2012(10)
[5]基于Kinect系统的场景建模与机器人自主导航[J]. 杨东方,王仕成,刘华平,刘志国,孙富春.  机器人. 2012(05)
[6]一种基于扇形区域分割的SIFT特征描述符[J]. 曾峦,顾大龙.  自动化学报. 2012(09)
[7]基于GPU和Kinect的快速物体重建[J]. 刘鑫,许华荣,胡占义.  自动化学报. 2012(08)
[8]基于最大似然估计的机载双基地雷达距离模糊杂波抑制方法[J]. 张柏华,谢文冲,王永良,张永顺.  电子学报. 2011(12)
[9]电动VTOL飞行器双目立体视觉导航方法[J]. 张博翰,蔡志浩,王英勋.  北京航空航天大学学报. 2011(07)
[10]用于目标测距的单目视觉测量方法[J]. 韩延祥,张志胜,戴敏.  光学精密工程. 2011(05)

博士论文
[1]基于目标特征的单目视觉位置姿态测量技术研究[D]. 赵连军.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2014
[2]基于模式识别的双目立体视觉匹配研究[D]. 彭祺.武汉大学 2013
[3]基于单目视觉的目标识别与定位研究[D]. 冯春.南京航空航天大学 2013
[4]基于深度相机的三维物体与人体扫描重建[D]. 童晶.浙江大学 2012
[5]双目立体视觉深度感知与三维重建若干问题研究[D]. 罗桂娥.中南大学 2012



本文编号：3267352