移動機器人導航和SLAM系統(tǒng)研究.pdf

1、移動機器人導航和SLAM技術在制造業(yè)、空間開發(fā)和服務機器人領域具有廣闊的應用前景。 導航技術需要解決三方面的問題：（1）地圖，映射移動機器人工作空間的模型，是移動機器人路徑規(guī)劃的平臺。（2）路徑規(guī)劃，指移動機器人按照某一性能指標，在地圖中搜索一條從起始狀態(tài)到目標狀態(tài)的最優(yōu)或次最優(yōu)的無碰路徑，是移動機器人導航的核心技術。（3）定位，確定移動機器人在二維工作環(huán)境中相對于全局坐標的位置及其本身的姿態(tài),是保障移動機器人導航質(zhì)量的最基本環(huán)

2、節(jié)。 移動機器人實現(xiàn)自主導航的前提是精確的定位，特別是在地圖事先未知的情況下，因此，同步定位與地圖創(chuàng)建技術(SLAM)始終是移動機器人領域的關鍵基礎問題。SLAM問題所涉及到的5大問題：（1）地圖的表示方式；（2）不確定性信息處理方法；（3）數(shù)據(jù)的關聯(lián)；（4）自定位；（5）探索規(guī)劃，幾乎涵蓋了移動機器人研究的各個領域，并且這些問題并非孤立存在，相互間存在著緊密的聯(lián)系和滲透。 在過去的研究中，人們針對移動機器人技術中的地圖

3、建模、路徑規(guī)劃和自定位問題分別提出了許多理論和方法，并都有不同程度的實際應用。但是，從整體的角度上整合各項技術，設計實用的移動機器人導航軟件平臺，卻是目前研究中較少涉及的領域。 針對地圖已知的情況，本文設計并開發(fā)了一個基于混和地圖模型的全自主移動機器人多層遞階導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)由地圖編輯器模塊、多層遞階規(guī)劃模塊以及自定位模塊三部分組成。地圖編輯器負責導航地圖的編輯，可以同時編輯幾何地圖和拓撲地圖，不但提供了友好的人機交互界面，而且

4、方便了地圖的創(chuàng)建與保存；多層遞階規(guī)劃模塊包括基于拓撲地圖的全局規(guī)劃、基于柵格地圖的局部規(guī)劃和底層的行為控制功能，做到了全局環(huán)境的簡化規(guī)劃、局部環(huán)境的精細規(guī)劃和避障功能相結合，提高了整個系統(tǒng)的計算效率；自定位模塊采用里程計和激光測距儀混合定位的定位技術，充分利用里程計的短距離相對精度較高、激光測距儀局部探測精確的特點，從而達到機器人大范圍導航過程中準確定位的目的。 為了解決地圖事先未知情況下的自定位問題，本文設計并開發(fā)了一個基于掃

5、描匹配的SLAM方法。該方法采用幾何地圖表示環(huán)境，既節(jié)省了存儲空間，又便于使用激光傳感器創(chuàng)建；利用沿墻走的策略，降低了探索路徑算法的復雜度，保證了實時性；通過里程計和激光測距儀混合定位方法，克服了SLAM過程中由于單一傳感器帶來的不確定性問題；通過比較線段間的距離關系和角度關系，采用線段合并算法方便快捷的把局部地圖與全局地圖間的線段進行合并，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的關聯(lián)。 最后，將該導航和SLAM系統(tǒng)集成在一臺全自主移動機器人上，傳感器采用