移動(dòng)機(jī)器人自主創(chuàng)建環(huán)境地圖的研究.pdf

1、自主創(chuàng)建環(huán)境地圖近十多年來(lái)一直是移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。作為實(shí)現(xiàn)“自主移動(dòng)機(jī)器人”的關(guān)鍵技術(shù)之一，它能夠極大增強(qiáng)移動(dòng)機(jī)器人的環(huán)境交互能力，從而推動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步.研究自主創(chuàng)建環(huán)境地圖甚至將對(duì)人類的生存與發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響．具備該項(xiàng)技術(shù)的移動(dòng)機(jī)器人可以代替人類完成野外或海底作業(yè)、災(zāi)難救援及地外行星探索等諸多任務(wù)。盡管這方面的研究已經(jīng)取得了豐碩成果，但在地圖表述方式、算法復(fù)雜度和運(yùn)算時(shí)間、地圖估計(jì)精度以及大規(guī)模和動(dòng)態(tài)環(huán)境的地圖創(chuàng)建等方

2、面仍然存在許多挑戰(zhàn)。圍繞移動(dòng)機(jī)器人自主創(chuàng)建環(huán)境地圖問(wèn)題，本文完成了以下一些研究工作：
　　 1．簡(jiǎn)單概括了移動(dòng)機(jī)器人的分類、發(fā)展歷史及研究課題等內(nèi)容．將移動(dòng)機(jī)器人自主創(chuàng)建環(huán)境地圖由易到難地劃分為避障與漫游、已知環(huán)境下的定位及未知環(huán)境下的同時(shí)定位與地圖生成三個(gè)子問(wèn)題，并系統(tǒng)探討了各自的研究方法與成果。
　　 2．針對(duì)靜態(tài)直線直角環(huán)境的特點(diǎn)，提出一種以可通行角點(diǎn)和不可通行角點(diǎn)概念為核心的無(wú)標(biāo)定單目視覺(jué)避障漫游算法．結(jié)合分段控

3、制策略，該算法能夠引導(dǎo)移動(dòng)機(jī)器人在環(huán)境中避障與漫游，并重建無(wú)閉合結(jié)構(gòu)環(huán)境的拓?fù)涞貓D。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提算法的效果。
　　 3．距離角度控制模型具有良好的平臺(tái)通用性，在基于卡爾曼濾波的同時(shí)定位與地圖構(gòu)建算法框架下，提出一種以其作為運(yùn)動(dòng)模型的靜態(tài)結(jié)構(gòu)化環(huán)境的地圖創(chuàng)建方法。此外，為了降低狀態(tài)向量維數(shù)從而降低計(jì)算量，提出一種用點(diǎn)特征與方向矢量計(jì)算鄰接矩陣，進(jìn)而用點(diǎn)特征與鄰接矩陣完整描述環(huán)境信息的地圖表述方法．仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示所提算法創(chuàng)

4、建的地圖不但信息完整而且具有較高的精度．
　　 4．以基于卡爾曼濾波的同時(shí)定位與地圖生成算法構(gòu)建地圖，在其它條件不變的前提下，只有增加機(jī)器人的運(yùn)行時(shí)間和觀測(cè)次數(shù)的才能提高地圖的估計(jì)精度。為了緩解地圖創(chuàng)建精度與效率之間的矛盾，提出一種利用約束改良地圖估計(jì)結(jié)果的方法。算法通過(guò)分析協(xié)方差矩陣確定路標(biāo)對(duì)，然后用少量先驗(yàn)知識(shí)與測(cè)量信息構(gòu)成約束條件，從而改善地圖估計(jì)效果。對(duì)比三種不同的約束構(gòu)建方法，仿真結(jié)果表明以最大方差和最小方差路標(biāo)對(duì)構(gòu)成

5、約束能大幅提高路標(biāo)的估計(jì)精度，達(dá)到同時(shí)兼顧地圖創(chuàng)建效率與精度的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了所提算法對(duì)地圖估計(jì)的改良效果。
　　 5．以粒子濾波算法為基礎(chǔ)的FastSLAM算法存在退化問(wèn)題，需要重采樣緩解退化．但因?yàn)闄C(jī)器人歷史時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)誤差包含在各個(gè)粒子的地圖中，并不滿足隨時(shí)間遺忘的特性.重采樣會(huì)引起粒子坍塌，并破壞路標(biāo)估計(jì)的多樣性，最終影響算法的估計(jì)效果。為此提出一種基于平滑的粒子權(quán)值計(jì)算方法，粒子權(quán)值不僅取決于當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)觀測(cè)

6、結(jié)果，而且與滑動(dòng)窗口內(nèi)的歷史權(quán)值相關(guān)，從而可以抑制權(quán)值的過(guò)度波動(dòng)，降低重采樣頻率。仿真結(jié)果表明，所提算法效果顯著，能獲得更精確的地圖估計(jì)結(jié)果。
　　 6．針對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境的地圖創(chuàng)建問(wèn)題，提出了一種結(jié)合柵格模型和樣本集合的動(dòng)態(tài)環(huán)境建模方法。用柵格地圖描述環(huán)境的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，對(duì)機(jī)器人在不同位置不同時(shí)間采集到的傳感數(shù)據(jù)，能充分發(fā)揮融合優(yōu)勢(shì)，獲得更精確的估計(jì)結(jié)果；用樣本集合表示環(huán)境中的動(dòng)態(tài)障礙物，無(wú)需任何關(guān)于它們的位置、分布以及運(yùn)動(dòng)模型等先驗(yàn)信