移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航和SLAM系統(tǒng)研究.pdf

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

2、節(jié)。 移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)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(shù)(SLAM)始終是移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)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(guān)聯(lián)；（4）自定位；（5）探索規(guī)劃，幾乎涵蓋了移動(dòng)機(jī)器人研究的各個(gè)領(lǐng)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(dòng)機(jī)器人技術(shù)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(shí)際應(yīng)用。但是，從整體的角度上整合各項(xiàng)技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)用的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航軟件平臺(tái)，卻是目前研究中較少涉及的領(lǐng)域。 針對地圖已知的情況，本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了一個(gè)基于混和地圖模型的全自主移動(dòng)機(jī)器人多層遞階導(dǎo)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(fù)責(zé)導(dǎo)航地圖的編輯，可以同時(shí)編輯幾何地圖和拓?fù)涞貓D，不但提供了友好的人機(jī)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?fù)涞貓D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(xì)規(guī)劃和避障功能相結(jié)合，提高了整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算效率；自定位模塊采用里程計(jì)和激光測距儀混合定位的定位技術(shù)，充分利用里程計(jì)的短距離相對精度較高、激光測距儀局部探測精確的特點(diǎn)，從而達(dá)到機(jī)器人大范圍導(dǎo)航過程中準(zhǔn)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(shè)計(jì)并開發(fā)了一個(gè)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(chǔ)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(fù)雜度，保證了實(shí)時(shí)性；通過里程計(jì)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(guān)系和角度關(guān)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(jìn)行合并，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。 最后，將該導(dǎo)航和SLAM系統(tǒng)集成在一臺(tái)全自主移動(dòng)機(jī)器人上，傳感器采用