基于天空偏振光的SLAM方法的研究.pdf

1、20世紀(jì)以來具有高度智能和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的機(jī)器人逐漸進(jìn)入到人們的生產(chǎn)與生活當(dāng)中，這極大的方便了人們的生產(chǎn)生活，它們可以在有障礙的環(huán)境中自主移動(dòng)，并通過傳感器感知周圍的環(huán)境。
　　這些自主式移動(dòng)機(jī)器人能進(jìn)行自主移動(dòng)的關(guān)鍵在于導(dǎo)航定位，它主要需要解決三個(gè)方面的問題:精確的導(dǎo)航定位、高精度的地圖創(chuàng)建以及實(shí)時(shí)的路徑規(guī)劃，而導(dǎo)航定位技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)探索未知環(huán)境的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。
　　目前移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境相對(duì)來說非常復(fù)雜，需要

2、面對(duì)的往往是一些人煙稀少或不能難以到達(dá)的地方，如沙漠、海洋、太空等一些特殊的環(huán)境，同時(shí)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的功能需求也在不斷增加，所以與之相應(yīng)的導(dǎo)航定位這一研究領(lǐng)域的研究也呈現(xiàn)出一些新的發(fā)展特點(diǎn)。如:多種方法的組合導(dǎo)航定位、分布式的智能結(jié)構(gòu)、信息通信的網(wǎng)絡(luò)化、多種傳感器的信息融合，不同領(lǐng)域的技術(shù)交叉等。自然界有很多生物，它們具有特殊的導(dǎo)航定位能力，比如沙蟻、蜜蜂等一些昆蟲生物有利用天空散射光偏振特性進(jìn)行導(dǎo)航定位的能力，此外還有一些其他的生物的導(dǎo)

3、航定位能力更加奇特，這些仿生導(dǎo)航定位的能力極大的激發(fā)了研究人員的靈感為移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航定位的研究提供了一種新的思路。
　　本文在中國(guó)科學(xué)院合肥研究院先進(jìn)制造技術(shù)研究所智能車輛中心的支持下，從生物利用偏振光導(dǎo)航的仿生學(xué)機(jī)理出發(fā)，開展了一系列基于天空偏振光研究和導(dǎo)航定位方法的研究:
　　(1)通過對(duì)太陽光進(jìn)入大氣層發(fā)生散射的原理，對(duì)國(guó)內(nèi)外的研究成果進(jìn)行分析，了解偏振光的三種數(shù)學(xué)描述方法，了解了天空散射光的偏振分布的特點(diǎn)以及規(guī)律，了

4、解偏振光的兩種不同的檢測(cè)方法及其各自的優(yōu)點(diǎn)和不足，了解了哪些因素會(huì)影響到對(duì)偏振特性的測(cè)量，并歸納出在實(shí)際工作中獲取到理想的天空散射光偏振檢測(cè)數(shù)據(jù)的方法與規(guī)律。
　　(2)研究分析導(dǎo)航定位領(lǐng)域中的方法、規(guī)律以及研究現(xiàn)狀，分析阿克曼運(yùn)動(dòng)模型和車輛運(yùn)動(dòng)微分模型的不同，研究航跡推算方法和同步定位與地圖創(chuàng)建算法，并針對(duì)EKF-SLAM、粒子濾波SLAM等SLAM算法的不同特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。
　　(3)通過對(duì)國(guó)內(nèi)外目前已經(jīng)開發(fā)出來的

5、偏振光檢測(cè)裝置的測(cè)量原理以及性能的分析，設(shè)計(jì)了三代我們自己研發(fā)的具有一定精度的天空偏振光測(cè)量裝置，特別是針對(duì)第Ⅱ代偏振光檢測(cè)裝置開發(fā)和設(shè)計(jì)了一整套設(shè)備的標(biāo)定方法，該設(shè)備目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)天空散射光偏振特性的高精度測(cè)量。
　　(4)針對(duì)現(xiàn)有不同導(dǎo)航定位技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和不足提出改進(jìn)的導(dǎo)航定位方法，并研究將偏振光傳感器獲取的檢測(cè)數(shù)據(jù)與該導(dǎo)航定位方法相結(jié)合的方法。分別從航跡推算和同步定位與地圖創(chuàng)建的角度分析如何實(shí)現(xiàn)基于天空散射光偏振測(cè)量數(shù)據(jù)的

6、高精度導(dǎo)航定位，并提出了一種可以在晴朗天氣下進(jìn)行基于天空散射光偏振特性檢測(cè)的定位和同時(shí)創(chuàng)建天空散射光的偏振測(cè)量數(shù)據(jù)庫的方法，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明所提出的這種方法是有效的，不僅可以提高基于天空散射光偏振特性的導(dǎo)航定位精度，同時(shí)可以提高對(duì)天空偏振光檢測(cè)的精度。
　　本文在安裝有GPS、INS傳感器、里程計(jì)以及偏振光傳感器的“智能先鋒Ⅰ號(hào)”上做了大量基于天空散射光偏振特性的導(dǎo)航定位實(shí)驗(yàn)。由于作者自身能力所限，因此對(duì)天空散射