仪的移动机器人同时定位和地图创建

山东大学硕士学位论文基于激光测距仪的移动机器人同时定位和地图创建姓名：汤晓申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：李贻斌20070515基于激光测距仪的移动机器人同时定位和地图创建作者：汤晓学位授予单位：山东大学相似文献(10条)1.学位论文温安邦基于激光测距仪的室内机器人定位方法研究2009定位问题是自主移动机器人要解决的首要问题，也是其实现自主导航、即时定位与建图和完成其它智能任务的关键。定位问题也是一个复杂的问题，涉及到移动机器人研究领域的多个方面，包括移动机器人的运动学，环境表示方式，信息融合，不确定信息处理等。本文主要研究移动机器人定位的理论和实现，主要工作如下：建立了移动机器人的运动学模型。分析了里程计和激光测距仪两种常用传感器的原理及其误差模型。比较了机器人学中的三种环境表示方法，包括几何地图，栅格地图和拓扑地图。分析了室内环境中移动机器人的定位问题，并对此问题进行建模。分析了卡尔曼滤波器和基于此滤波器的马尔可夫定位，重点研究了粒子滤波器和基于此滤波器的MonteCarlo定位。比较了在室内环境中两种定位方式的优点和不足。通过分析ICP，PSM等几种能够对激光数据进行关联的扫描匹配算法，在MonteCarlo定位算法的基础上提出了一种改进方法。设计了基于激光测距仪的移动机器人定位实验，以验证移动机器人定位算法的有效性。在室内环境中进行实验，并对实验结果做出了分析，主要分析机器人位姿初始分布和粒子数目对定位精度的影响。本文最后描述了SLAM问题以及与机器人定位的关系，并将本论文的主要工作延伸到SLAM问题中，探讨使用基于Rao-Blackwellized粒子滤波器的FastSLAM解决SLAM问题。2.学位论文郑宏移动机器人导航和SLAM系统研究2007移动机器人导航和SLAM技术在制造业、空间开发和服务机器人领域具有广阔的应用前景。导航技术需要解决三方面的问题：（1）地图，映射移动机器人工作空间的模型，是移动机器人路径规划的平台。（2）路径规划，指移动机器人按照某一性能指标，在地图中搜索一条从起始状态到目标状态的最优或次最优的无碰路径，是移动机器人导航的核心技术。（3）定位，确定移动机器人在二维工作环境中相对于全局坐标的位置及其本身的姿态,是保障移动机器人导航质量的最基本环节。移动机器人实现自主导航的前提是精确的定位，特别是在地图事先未知的情况下，因此，同步定位与地图创建技术(SLAM)始终是移动机器人领域的关键基础问题。SLAM问题所涉及到的5大问题：（1）地图的表示方式；（2）不确定性信息处理方法；（3）数据的关联；（4）自定位；（5）探索规划，几乎涵盖了移动机器人研究的各个领域，并且这些问题并非孤立存在，相互间存在着紧密的联系和渗透。在过去的研究中，人们针对移动机器人技术中的地图建模、路径规划和自定位问题分别提出了许多理论和方法，并都有不同程度的实际应用。但是，从整体的角度上整合各项技术，设计实用的移动机器人导航软件平台，却是目前研究中较少涉及的领域。针对地图已知的情况，本文设计并开发了一个基于混和地图模型的全自主移动机器人多层递阶导航系统。该系统由地图编辑器模块、多层递阶规划模块以及自定位模块三部分组成。地图编辑器负责导航地图的编辑，可以同时编辑几何地图和拓扑地图，不但提供了友好的人机交互界面，而且方便了地图的创建与保存；多层递阶规划模块包括基于拓扑地图的全局规划、基于栅格地图的局部规划和底层的行为控制功能，做到了全局环境的简化规划、局部环境的精细规划和避障功能相结合，提高了整个系统的计算效率；自定位模块采用里程计和激光测距仪混合定位的定位技术，充分利用里程计的短距离相对精度较高、激光测距仪局部探测精确的特点，从而达到机器人大范围导航过程中准确定位的目的。为了解决地图事先未知情况下的自定位问题，本文设计并开发了一个基于扫描匹配的SLAM方法。该方法采用几何地图表示环境，既节省了存储空间，又便于使用激光传感器创建；利用沿墙走的策略，降低了探索路径算法的复杂度，保证了实时性；通过里程计和激光测距仪混合定位方法，克服了SLAM过程中由于单一传感器带来的不确定性问题；通过比较线段间的距离关系和角度关系，采用线段合并算法方便快捷的把局部地图与全局地图间的线段进行合并，实现了数据的关联。最后，将该导航和SLAM系统集成在一台全自主移动机器人上，传感器采用激光测距仪和里程计，进行了地图已知情况下的大范围的导航实验和地图未知情况下的SLAM实验，实验结果表明本文提出的关于地图创建、路径规划、自定位和SLAM等方法是可行的，验证了由这些方法组成的系统的有效性和鲁棒性。3.学位论文赵季基于激光测距仪的同步定位与建图研究2008同步定位与建图(SLAM)是自主移动机器人领域的重要研究方向，也是机器人实现自主导航、在未知环境中完成复杂智能任务的关键，集中体现了机器人的感知能力和智能水平。同步定位与建图又是一个复杂的问题，涉及到移动机器人研究的各个方面，特别是环境的表示方法、不确定信息的描述和处理方法、数据关联、环路闭合、探测策略等问题。本文主要研究机器人同步定位与建图的理论和实现，主要工作如下：介绍了机器人学中的环境表示方法，包括拓扑地图、占有栅格地图和特征地图。针对室内环境中线段特征丰富的特点，使用特征地图表示室内环境。采用分层聚类的方法从激光测量数据中提取直线特征，并创建局部地图。介绍了同步定位与建图的概率框架、图模型。介绍了SLAM的两种主要解决方案，即扩展Kalman滤波器方法和Rao-Blackwellized粒子滤波器方法。设计了室内环境下基于激光测距仪的同步定位与建图方案。移动机器人使用二维激光测距仪测量距离，采用编码器记录机器人的路径。采用一种分层聚类的方法从原始激光测量数据中提取直线特征，并计算直线特征参数的方差矩阵。通过扩展Kalman滤波器更新机器人位姿和直线特征的参数。文中还给出了机器人的运动学模型、观测模型，预测、状态更新等方面的相关公式。采用扫描匹配的方法对创建的地图进一步校正。最后，利用移动机器人平台对本文提出的SLAM方案进行了大量实验。实验结果表明，机器人采用本方案可以在室内环境中创建特征地图，同时利用该地图进行定位。扫描匹配方法可以进一步提高创建地图的精度。实验结果验证了方案的有效性。4.会议论文邱权.韩建达移动机器人激光测距仪性能综述2008对当前移动机器人上常用的激光测距仪的性能研究进行了全面的总结。分析了检测SICK、Perceptron、Explorer等常用激光测距仪各方面特性的各种实验结果。根据影响激光测距仪测量性能的方式，把激光测距仪的时变特性、角度偏移、数据传输影响、混合象素现象、色度亮度干扰现象、辐射干扰现象等，分为内因和外因两大类进行了分类讨论。5.学位论文徐晓东移动机器人几何—拓扑混合地图构建及定位研究2005本文主要研究移动机器人几何—拓扑混合地图的构建以及自主定位这两个问题。　　本文首先对SmartROB-2移动机器人所装配的里程计传感器和激光测距仪传感器的模型和误差分别进行了分析讨论。研究了由里程计进行航迹推算的局限性，给出机器人位姿误差协方差矩阵的更新方程。此外，分析了各种环境因素对激光测距仪的影响，重新界定双激光测距的距离和角度的方差分布，依据误差传递公式给出了激光测距的不确定信息描述，并完成双激光测距仪的硬件配置以及驱动程序调试工作。　　针对不同地图构建的方法，本文提出了一种基于双激光测距仪的几何地图构建方法一点簇聚类法。该方法具有处理数据量大、计算时间短、地图精确的优点，在静态环境和动态环境下都具有较好实用性和鲁棒性。　本文对基于POMDP的拓扑导航做了探索性的研究，讨论了在实现拓扑导航过程中状态估计器，状态集，决策集，观察函数以及转换模型，为今后开展拓扑导航实验工作奠定了理论基础。6.学位论文赵妍移动机器人自主地图库构建与环境认知2008移动机器人的研究涉及到智能控制技术、计算机技术、模式识别以及人工智能等许多学科，其相关技术的研究越来越受到国内外学者的重视。地图构建是移动机器人研究中的核心问题之一，是移动机器人实现自主完成定位、导航等任务的基础。而环境认知是机器人领域的新兴研究热点，也是认知学领域的一项重要研究项目。本文主要研究复合地图库的构建以及基于激光测距仪的环境认知问题。本文首先对SmartROB-2移动机器人所装配的里程计传感器和激光测距仪传感器的模型进行了讨论，采用Split-Merge算法实现了对原始激光数据点进行直线拟合。通过实际实验结果讨论了这种方法的优点和缺陷并分析了其适用环境。本文提出了复合地图库的环境描述方法，包括几何地图、拓扑地图和非规则障碍区描述。其中采用基于栅格统计的方法非规则障碍区的原始激光数据点进行预处理，以便去掉室内环境中的动态障碍的影响，之后使用基于网格的共享近邻聚类算法进行点聚类，最后通过对聚类后的点集进行数学分析得到非规则障碍区的环境描述。复合地图库解决了单一地图无法很好地满足机器人自主完成复杂任务的问题，并且可以适应室内环境中几何结构的复杂性和房间内障碍区的非规则性。仿真结果和实际复杂室内环境下的实验结果均验证了这一结论。针对基于激光数据的环境认知问题，借鉴了认知学和指纹识别的方法，从环境中提取出由多个特征点构成的环境指纹，并提出了同时路径规划与环境匹配(SPAC算法)实现环境指纹的匹配。为减小通路点特征的误差影响，本文采用ICP算法在每次匹配前将环境指纹按照参考模板进行校准。仿真结果验证了所提方法的有效性和实用性。7.期刊论文刘洞波.刘国荣.胡慧.喻妙华.LiuDongbo.LiuGuorong.HuHui.YuMiaohua基于激光测距的温室移动机器人全局定位方法-农业机械学报2010,41(5)针对无土栽培温室类结构化环境下机器人的全局定位问题,采用激光测距仪感知环境特征,提出了一种以自适应曲率计算方法进行环境特征分割的移动机器人MonteCarlo全局自定位方法.在机器人定位过程中,利用运动模型预测机器人的位姿,感知模型根据激光测距仪感知的环境特征的几何相似性更新粒子集的分布,实现了机器人的自主定位.仿真实验验证了算法能够满足温室移动机器人定位的需要.8.学位论文叶迪移动机器人基于激光测距的三维场景重构2008移动机器人对其工作环境的有效辨识、感知与重构是其自主导航与环境探索的前提条件和基础。非结构化环境与结构化环境相比具有不确定性、不稳定性和不可预知性等特性。本文基于装备有激光测距仪的移动机器人系统，对激光数据获取、场景匹配、重构策略等问题展开理论和应用研究，旨在实现快速、有效、自主的非结构化三维场景重构，并尝试创新性的探索与研究。本文首先介绍了具有三维场景感知能力的移动机器人系统，其中包括三维激光测距系统以及自主移动机器人系统。采用模块化思想自主设计和开发了三维场景重构软件，实现了三维场景的在线显示与实时重构，验证了场景匹配与重构算法的有效性与实时性。针对不同视点下的场景两两匹配问题，采用基于线段端点的最近点迭代算法来解决。首先利用激光点云数据的有序性，采用距离比较法简单快速的提取线段特征。由于线段端点能在一定程度上表征场景的关键信息，本文采用基于线段端点的最近点迭代算法实现场景匹配。对匹配对的选取做进一步的限制来剔除误匹配，从而提高场景匹配的准确性。通过在实验室环境里完成的一系列实验，验证本文所提场景匹配算法的有效性和自主性。多场景的匹配策略影响着场景重构的效果和精度。本文通过分析场景之间的拓扑关系，提出基于核心场景的大范围三维场景重构策略。对于相邻场景重合区域的数据冗余问题，采用栅格划分的方法来进行数据精简。在走廊环境里做了一系列实验，采用不同策略实现大范围三维场景重构，通过对重构结果的分析与比较，验证了本文所提方法的优越性和实用性。9.期刊论文徐玉华.张崇巍.徐海琴.XUYuhua.ZHANGChongwei.XUHaiqin基于激光测距仪的移动机器人避障新方法-机器人2010,32(2)针对向量场直方图(VFH)算法对阈值敏感的问题,基于激光测距仪提出一种通过自适