發(fā)布時(shí)間：2020-04-07 16:43

【摘要】：近年來(lái),隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,尤其在人工智能、機(jī)器人和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的突破,自主移動(dòng)機(jī)器人的研究和開(kāi)發(fā)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。移動(dòng)機(jī)器人在災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)探測(cè)的救援機(jī)器人也陸續(xù)開(kāi)始出現(xiàn),代替救援人員執(zhí)行對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息探測(cè)的任務(wù)。自主探測(cè)的救援機(jī)器人主要與環(huán)境及其自身的定位感知密不可分,這兩項(xiàng)技術(shù)被統(tǒng)稱為即時(shí)定位與地圖構(gòu)建(SLAM,Simultaneous Location and Mapping)),SLAM技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)。本課題以煤礦救援機(jī)器人為應(yīng)用背景,對(duì)機(jī)器人技術(shù)在定位與地圖構(gòu)建、導(dǎo)航與路徑規(guī)劃中的方法進(jìn)行研究,同時(shí)構(gòu)建了集嵌入式、軟件應(yīng)用、地圖構(gòu)建和路徑規(guī)劃于一體的煤礦救援機(jī)器人原型機(jī)。機(jī)器人操作系統(tǒng)(ROS,Robot Operating System),由斯坦福大學(xué)與Willow Garage公司共同研發(fā),在機(jī)器人領(lǐng)域已成為主流的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。該系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)環(huán)境和大量的算例庫(kù),它可以實(shí)現(xiàn)硬件與PC中進(jìn)程、PC中各進(jìn)程間通信的功能,通過(guò)ROS可以將算法計(jì)算結(jié)果通過(guò)節(jié)點(diǎn)發(fā)布控制指令給底層控制層。本文針對(duì)即時(shí)定位與地圖構(gòu)建問(wèn)題和路徑規(guī)劃問(wèn)題展開(kāi)研究,具體研究工作主要包括以下方面:(1)針對(duì)SLAM技術(shù)在移動(dòng)機(jī)器人中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹,并簡(jiǎn)要總結(jié)了其在國(guó)內(nèi)外的研究背景、意義和研究現(xiàn)狀。介紹了SLAM技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景和研究方向,確定了課題的研究方向。(2)對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型和觀測(cè)模型進(jìn)行研究并建模,對(duì)機(jī)器人操作系統(tǒng)(ROS)和激光雷達(dá)的系統(tǒng)構(gòu)建進(jìn)行了研究,詳細(xì)介紹了本文所用激光雷達(dá)掃描未知環(huán)境的的基本工作原理和建立基于激光雷達(dá)的觀測(cè)模型,同時(shí)介紹了ROS系統(tǒng)基本框架和優(yōu)點(diǎn)。(3)針對(duì)機(jī)器人的構(gòu)圖問(wèn)題,對(duì)基于激光雷達(dá)的SLAM算法進(jìn)行研究,針對(duì)RBPF-SLAM算法在重采樣期間直接丟棄低權(quán)值的粒子,易導(dǎo)致諸如粒子枯竭、粒子多樣性降低等問(wèn)題,將量子粒子群優(yōu)化算法引入RBPF-SLAM中,對(duì)粒子集進(jìn)行調(diào)整,以解決重采樣中的粒子枯竭現(xiàn)象。最后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了基于量子粒子群優(yōu)化的RBPF-SLAM算法的可行性,緩解了粒子枯竭問(wèn)題。(4)接著針對(duì)基于SLAM提供環(huán)境地圖的機(jī)器人導(dǎo)航進(jìn)行研究,導(dǎo)航算法通過(guò)全局與局部路徑規(guī)劃兩個(gè)方向進(jìn)行研究。針對(duì)這兩個(gè)方向,本課題提出了兩種算法,并驗(yàn)證了算法在ROS中的有效性,最后在ROS中實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的控制。(5)基于ROS平臺(tái)設(shè)計(jì)并搭建了移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)綜合系統(tǒng)框架,搭建了SLAM、路徑規(guī)劃、底層控制、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和遠(yuǎn)程控制模塊。基于真實(shí)環(huán)境對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)時(shí)地圖構(gòu)建與定位,本地導(dǎo)航和避障進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)證明了基于ROS設(shè)計(jì)的SLAM系統(tǒng)和移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的可行性。圖[62]表[4]參[56]。
【圖文】：

CUMT-Ⅰ型煤礦探測(cè)型機(jī)器人 V2 救援機(jī)器人圖 1-1 救援機(jī)器人Fig. 1-1 Rescue robot面向能夠在未知環(huán)境中探索的自主移動(dòng)機(jī)器人所面臨的挑戰(zhàn)是具有眾多復(fù)雜地理標(biāo)志和障礙的環(huán)境因素。然而需要面對(duì)的一個(gè)困難是移動(dòng)機(jī)器人在沒(méi)有未知環(huán)境地圖的條件下探索和導(dǎo)航的能力，根據(jù)新的環(huán)境數(shù)據(jù)生成環(huán)境地圖，在未知環(huán)境下識(shí)別自身的位置，地標(biāo)和任何障礙，最后在沒(méi)有人為控制的條件下在未知環(huán)境中執(zhí)行自主導(dǎo)航的任務(wù)。移動(dòng)機(jī)器人將知道它應(yīng)該如何移動(dòng)并“行動(dòng)”以作為響應(yīng)移動(dòng)，圖 1-2 顯示了自主移動(dòng)機(jī)器人如何工作的基本概念[13][14]。輸入：從傳感器讀取數(shù)據(jù)（包含的地標(biāo)和環(huán)境地理地圖）構(gòu)建地圖：獲取環(huán)境地圖地理信息的提取部分或扇區(qū)（當(dāng)前地圖位置）

圖 1-4 機(jī)器人自主探索系統(tǒng)組成圖-4 Robot autonomous exploration system composition d快速地對(duì)周?chē)�環(huán)境進(jìn)行掃描，得到環(huán)境中特征適應(yīng)性好、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好�；�于以機(jī)器人的外部傳感器，其構(gòu)建的系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景[28][29][30]�；�于激光雷達(dá)的 SLAMg[31]，這是由 Giorgio Grisetti 等人基于粒子濾波以構(gòu)建實(shí)時(shí)的 2D 環(huán)境地圖，需要結(jié)合其它定MCL[33]）實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位。2010 年，Konolige K效率問(wèn)題，提出了 KartoSLAM[34]，其主要的創(chuàng)化的方法，利用了稀疏特性對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解，間的位姿估計(jì)，Kohlbrecher S 等人提出了的 容易實(shí)現(xiàn)，只需提供激光雷達(dá)便可構(gòu)建環(huán)境地圖根據(jù)濾波方法的不同可分成基于濾波器的 SL
【學(xué)位授予單位】：安徽理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TD774;TP242

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2618141