移動(dòng)機(jī)器人基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的定位及地圖創(chuàng)建研究.pdf

1、隨著智能控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及仿生學(xué)、人工智能等學(xué)科的飛速發(fā)展,智能移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的研究越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視.自主定位和地圖創(chuàng)建是移動(dòng)機(jī)器人智能導(dǎo)航和環(huán)境探索研究的基礎(chǔ),定位精度和所構(gòu)建地圖的準(zhǔn)確性是其能否在實(shí)際環(huán)境中成功應(yīng)用的前提.移動(dòng)機(jī)器人的工作環(huán)境可分為室外環(huán)境和室內(nèi)環(huán)境兩種,本文主要針對(duì)非完整移動(dòng)機(jī)器人在室內(nèi)環(huán)境中的自主定位和地圖創(chuàng)建兩個(gè)核心問(wèn)題進(jìn)行研究.本文的研究工作是基于裝配有多種傳感器的SmartROB-2自

2、主移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)展開(kāi)的.該移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)配備有可完成特定水平面360°測(cè)距的雙激光測(cè)距儀,負(fù)責(zé)完成室內(nèi)環(huán)境圖像采集的單目視覺(jué)系統(tǒng),全方位的碰撞傳感器以及用于航位推算的內(nèi)部里程計(jì).多種傳感器相互協(xié)助可以給移動(dòng)機(jī)器人提供豐富的環(huán)境信息以實(shí)現(xiàn)自主定位和地圖創(chuàng)建.本文首先對(duì)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制和主要傳感器的模型及其不確定性進(jìn)行討論.重點(diǎn)分析了不同環(huán)境因素對(duì)激光測(cè)距的影響,完成了激光測(cè)距中距離和角度的方差分布計(jì)算,并依據(jù)誤差傳遞公式給出激光測(cè)距不確

3、定信息描述的具體形式;討論了由里程計(jì)進(jìn)行航位推算的局限性,通過(guò)對(duì)里程計(jì)誤差的詳細(xì)分析,提出了機(jī)器人位姿誤差協(xié)方差矩陣的更新方程;針對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)完成了CCD攝像機(jī)的標(biāo)定工作,實(shí)現(xiàn)了視覺(jué)圖像扭曲的有效校正.在具有不確定信息的準(zhǔn)結(jié)構(gòu)化室內(nèi)環(huán)境中,移動(dòng)機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)完全自主定位和全局環(huán)境地圖的構(gòu)建,首先要解決環(huán)境信息的特征提取與融合問(wèn)題.針對(duì)環(huán)境中水平線段特征和激光測(cè)距數(shù)據(jù)的特性,提出基于改進(jìn)角度直方圖和加權(quán)最小二乘擬合的處理方法.在視覺(jué)圖像處理中

4、,本文先采用索貝爾算子和非最大抑制算法進(jìn)行邊緣像素的增強(qiáng)和細(xì)化,再使用多列像素直方圖算法完成物體垂直邊緣的有效提取.針對(duì)多傳感器數(shù)據(jù)在特征層次的融合問(wèn)題,本文提出將測(cè)距數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)統(tǒng)一到視覺(jué)坐標(biāo)系下,再對(duì)已提取的垂直邊緣線段的開(kāi)角與水平環(huán)境特征開(kāi)角進(jìn)行匹配的處理方法,并在應(yīng)用中取得良好效果.移動(dòng)機(jī)器人定位和地圖創(chuàng)建所選用的方法與環(huán)境空間的表述方式是密切相關(guān)的.對(duì)基于先驗(yàn)地圖的移動(dòng)機(jī)器人定位問(wèn)題,本文分別對(duì)擴(kuò)展卡爾曼濾波定位、基于概率模

5、型全局定位和基于先驗(yàn)幾何—拓?fù)浠旌系貓D定位這三種主要方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究.在基于實(shí)際機(jī)器人平臺(tái)所開(kāi)發(fā)的機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件輔助下,本文在走廊、辦公室等室內(nèi)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)化環(huán)境中完成了一系列驗(yàn)證實(shí)驗(yàn).針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中定位所涉及的多傳感器協(xié)調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,本文提出基于XO/2系統(tǒng)實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度機(jī)制的具體解決方案,并在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了有效性.為解決沒(méi)有先驗(yàn)地圖信息支持的移動(dòng)機(jī)器人定位問(wèn)題,本文提出了同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)展卡爾曼濾波定位和構(gòu)建具有不確定描述二維幾何