室內(nèi)未知環(huán)境線段特征地圖構(gòu)建.pdf

1、未知環(huán)境地圖構(gòu)建是機(jī)器人和人工智能研究領(lǐng)域的一個(gè)重要課題，是移動機(jī)器人在未知環(huán)境中自主完成偵察、勘探、搜索、救援、導(dǎo)航等各項(xiàng)工作的基礎(chǔ)，對提高機(jī)器人的智能性、促進(jìn)機(jī)器人進(jìn)入人類日常生活、為人類服務(wù)具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　 未知環(huán)境地圖構(gòu)建問題面臨著同時(shí)定位與地圖構(gòu)建(SLAM，SimultaneousLocalization and Mapping)方法、高維數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)對應(yīng)、環(huán)境的動態(tài)特性和環(huán)形特性、以及自主探測規(guī)劃

2、等多方面的挑戰(zhàn)。結(jié)合室內(nèi)環(huán)境結(jié)構(gòu)性特點(diǎn)，本文采用描述障礙物輪廓的線段為特征，通過對信息處理、同時(shí)定位與地圖構(gòu)建和探測規(guī)劃問題的深入研究，建立了一套相對完整的線段特征地圖構(gòu)建方法。同時(shí)，為了提高地圖構(gòu)建機(jī)器人快速運(yùn)動能力和在窄小空間中的靈活運(yùn)動能力，本文研究了四輪全方位移動機(jī)器人的運(yùn)動建模與控制問題，為后續(xù)研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
　　 本文主要研究工作包括：
　　 (1)提出了結(jié)合哈夫變換、同線性判斷和最小二乘法的混合線段擬合方

3、法。該方法可有效提高擬合精度，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境信息精確而簡潔的描述。
　　 (2)提出了尋找測量數(shù)據(jù)與線段特征最佳相合的增量式同時(shí)定位與地圖構(gòu)建方法。該方法將SLAM分解為局部地圖構(gòu)建、機(jī)器人位姿估計(jì)和地圖合并三個(gè)循環(huán)步驟。在地圖估計(jì)步驟，利用最小二乘法迭代尋找當(dāng)前測量數(shù)據(jù)與已構(gòu)建地圖中線段特征的最佳相合實(shí)現(xiàn)機(jī)器人位姿估計(jì)，并通過去除不當(dāng)匹配和引入加權(quán)矩陣來減小測量誤差、特征擬合誤差和已構(gòu)建地圖中的不確定性對位姿估計(jì)的影響。在地圖合并

4、步驟，根據(jù)所估計(jì)位姿，合并當(dāng)前觀測得到的局部線段特征地圖和已構(gòu)建全局線段特征地圖實(shí)現(xiàn)地圖的更新。該方法避免了高斯噪聲假設(shè)，降低了對數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)錯(cuò)誤的敏感性，具有較小的匹配運(yùn)算量，可以在線實(shí)時(shí)構(gòu)建線段特征地圖。在較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和較大的樓道環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)證明了算法的有效性和魯棒性。
　　 (3)提出了基于點(diǎn)線相合和粒子濾波的FastLineSLAM方法。該方法采用粒子實(shí)現(xiàn)機(jī)器人路徑的多假設(shè)，在粒子中采用基于點(diǎn)線相合的增量式SLAM方法

5、進(jìn)行地圖的更新估計(jì)。在粒子采樣過程中，利用點(diǎn)線相合的位姿估計(jì)方法縮小采樣空間；通過基于相合關(guān)系的粒子權(quán)重更新方法降低計(jì)算復(fù)雜度；通過選擇性重采樣抑制粒子濾波常見的退化現(xiàn)象和采樣枯竭問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該算法解決了點(diǎn)線相合SLAM方法存在殘差累積、后期難以校正的問題，可良好解決環(huán)形環(huán)境和動態(tài)環(huán)境下的室內(nèi)地圖構(gòu)建，克服了傳統(tǒng)粒子濾波SLAM方法存在存儲空間負(fù)荷高、計(jì)算量大的缺陷，所需粒子數(shù)和存儲空間均較少。
　　 (4)提出了一種基于

6、線段特征方向引導(dǎo)的探測規(guī)劃算法。在利用線段特征生成候選視點(diǎn)的同時(shí)，賦予候選視點(diǎn)繼承線段特征的方向?qū)傩?；通過定義具有起始位置和探測方向?qū)傩缘奶綔y區(qū)域，將探測環(huán)境表示為具有遞進(jìn)關(guān)系的探測區(qū)域樹；根據(jù)候選視點(diǎn)與探測區(qū)域的隸屬關(guān)系，通過探測區(qū)域的方向引導(dǎo)或者候選視點(diǎn)的觀測方向引導(dǎo)啟發(fā)式地搜索下一步最佳探測位姿。實(shí)驗(yàn)表明，所提方法可有效確保候選視點(diǎn)的可定位性，提高搜索效率，減少來回往復(fù)的運(yùn)動現(xiàn)象。
　　 (2)研究了實(shí)時(shí)動態(tài)環(huán)境中四輪全方