基于激光LIDAR的室外移動(dòng)機(jī)器人三維定位與建圖.pdf

1、自主導(dǎo)航能力作為移動(dòng)機(jī)器人行為智能化和自主化的前提，首先需要解決機(jī)器人的自主定位與建圖問(wèn)題。對(duì)于室外機(jī)器人應(yīng)用來(lái)說(shuō)，激光LIDAR(Light Detection andRanging)以其高頻率、高精度的特點(diǎn)一直是機(jī)器人建圖任務(wù)的首選環(huán)境感知傳感器之一。然而高精度地圖的構(gòu)建需要以高精度的位姿信息作為保障，在諸如城市環(huán)境等室外復(fù)雜環(huán)境下，由于建筑物遮擋等造成的GPS(Global Position System)數(shù)據(jù)丟失乃至完全不可用情

2、況的普遍存在導(dǎo)致移動(dòng)機(jī)器人定位的可靠性受到挑戰(zhàn)，一種可行方案是利用現(xiàn)成的激光LIDAR傳感器作為輔助定位手段來(lái)獲取準(zhǔn)確的位姿估計(jì)信息，以及通過(guò)定位與建圖的相互耦合關(guān)系采用同時(shí)定位與建圖(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)方法同時(shí)解決移動(dòng)機(jī)器人的精確建圖問(wèn)題。本文以國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于集理論的野外機(jī)器人復(fù)雜地形環(huán)境建模和同時(shí)定位研究”(61005092)為依托，針對(duì)室外GPS缺失前

3、提下大范圍非結(jié)構(gòu)化復(fù)雜室外環(huán)境中移動(dòng)機(jī)器人基于激光LIDAR的三維定位與建圖問(wèn)題進(jìn)行深入研究。具體內(nèi)容如下:
　　針對(duì)室外環(huán)境中GPS數(shù)據(jù)缺失情況下的移動(dòng)機(jī)器人長(zhǎng)距離精確定位問(wèn)題，提出了一種基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的LIDAR里程計(jì)定位的方法，首先通過(guò)慣性測(cè)量單元(Inertial Measurement Unit,IMU)與碼盤(pán)結(jié)合的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)三維位姿預(yù)估，然后對(duì)激光LIDAR數(shù)據(jù)采用正態(tài)分布變換(Normal Distribut

4、ions Transform，NDT)掃描匹配定位方法以對(duì)其進(jìn)行周期性校正，從而解決常規(guī)慣性導(dǎo)航方式用于長(zhǎng)距離定位時(shí)所存在的累計(jì)誤差過(guò)大問(wèn)題，在保證定位算法實(shí)時(shí)性的前提下能夠獲取精確的移動(dòng)機(jī)器人三維位姿估計(jì)。
　　針對(duì)室外移動(dòng)機(jī)器人位姿不確定情況下的大范圍建圖問(wèn)題，考慮定位與建圖之間的耦合性，提出了一種Graph-based SLAM框架下基于3D激光LIDAR掃描匹配的同時(shí)定位和建圖統(tǒng)一處理方法，首先以LIDAR里程計(jì)輸出作為位

5、姿(Pose)觀測(cè)節(jié)點(diǎn)之間的邊約束條件來(lái)構(gòu)建全地形環(huán)境下的Graph圖，然后對(duì)閉環(huán)信息進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而根據(jù)檢測(cè)到的閉環(huán)信息采用概率化的圖優(yōu)化方法執(zhí)行全局位姿優(yōu)化，使得用于建圖的位姿信息達(dá)到全局最優(yōu)，以解決累計(jì)定位誤差造成的大范圍建圖過(guò)程中位姿和地圖精度下降的問(wèn)題，從而進(jìn)一步提高定位與建圖的準(zhǔn)確性。
　　針對(duì)以導(dǎo)航為目的的室外三維地形環(huán)境模型的壓縮表示、實(shí)時(shí)構(gòu)建和在線更新問(wèn)題，提出了一種基于不確定集表示的全3D多層占據(jù)體元地形建模方法

6、，與現(xiàn)有方法不同之處在于采用光線跟蹤(Ray-tracing)方法對(duì)整條激光測(cè)量行程而不僅僅是單純的末端反射信息進(jìn)行了處理，從而可嚴(yán)格區(qū)分占據(jù)、空閑和未知三種狀態(tài)，將之表示為標(biāo)記有占據(jù)、空閑和未知三種狀態(tài)的體元，并采用集員理論對(duì)地形構(gòu)建過(guò)程中存在的不確定性進(jìn)行在線融合處理，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)多層地形特征的實(shí)時(shí)建模和更新，從而增強(qiáng)了地形模型信息的魯棒性和豐富性。
　　在上述研究的基礎(chǔ)上，以本實(shí)驗(yàn)室自主構(gòu)建的裝配有三維激光LIDAR、