移動(dòng)機(jī)器人的同時(shí)定位和地圖構(gòu)建.pdf

1、隨著社會(huì)信息化技術(shù)的發(fā)展,工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科研、國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域越來(lái)越需要高性能的自動(dòng)化系統(tǒng).特別是在機(jī)器人與自動(dòng)化領(lǐng)域,更是引起了很多人的興趣.眼下,世界各地的機(jī)器人公司和科研機(jī)構(gòu)正加緊開(kāi)發(fā)研制各種智能移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人,代替人類工作.開(kāi)發(fā)研制各種自主車系統(tǒng),用于安全駕駛或者軍事.根據(jù)機(jī)器人的工作環(huán)境,可以分為室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人和室外自主車系統(tǒng)(ALV,Autonomous Land Vehicle).在所有這些應(yīng)用中,自主導(dǎo)航是一個(gè)最基本的需求,

2、而機(jī)器人定位又是自主導(dǎo)航的最基本內(nèi)容,并且現(xiàn)代定位方法是結(jié)合內(nèi)、外部傳感器的基于環(huán)境地圖的定位方法.所以本文就圍繞著移動(dòng)機(jī)器人研究中的環(huán)境地圖構(gòu)建、移動(dòng)機(jī)器人定位、同時(shí)定位與地圖構(gòu)建三個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了深入研究,取得了一些有意義的成果.第一部分內(nèi)容是環(huán)境地圖構(gòu)建,包括室內(nèi)環(huán)境地圖構(gòu)建和室外環(huán)境地圖構(gòu)建.對(duì)于室內(nèi)環(huán)境地圖構(gòu)建,由于采樣點(diǎn)在空間分布上的不均勻性,運(yùn)用變閾值自適應(yīng)分隔方法對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行聚類,同時(shí)運(yùn)用加權(quán)統(tǒng)計(jì)中心來(lái)表示擬合線段的中點(diǎn).相

3、對(duì)于常閾值分隔和統(tǒng)計(jì)平均中心,這種方法能夠更好地近似實(shí)際環(huán)境對(duì)象,構(gòu)建更精確的局部線段地圖和局部特征點(diǎn)地圖.對(duì)局部地圖進(jìn)行融合構(gòu)建全局地圖,在融合的過(guò)程中保持線段或特征點(diǎn)的順序位置關(guān)系,構(gòu)建順序環(huán)境地圖.對(duì)于室外道路環(huán)境地圖構(gòu)建,首先提出了一個(gè)基于統(tǒng)計(jì)密度的障礙檢測(cè)算法,用于道路環(huán)境和越野環(huán)境下的障礙檢測(cè).提取環(huán)境路標(biāo)特征,構(gòu)建由道路兩側(cè)大樹組成的局部環(huán)境地圖.對(duì)同一環(huán)境路標(biāo)特征的多次觀測(cè),分別基于獨(dú)立性假設(shè)和相關(guān)性假設(shè),對(duì)局部地圖進(jìn)行

4、融合構(gòu)建全局一致的2D環(huán)境地圖.對(duì)于室外越野環(huán)境地圖構(gòu)建,通過(guò)對(duì)多次觀測(cè)信息的融合,構(gòu)建以柵格表示的3D環(huán)境地形圖.第二部分內(nèi)容是移動(dòng)機(jī)器人定位,包括全局定位和局部位置跟蹤.對(duì)于全局定位,基于順序地圖和相對(duì)位置關(guān)系,混合完整線段和特征點(diǎn),提出了一個(gè)有效的匹配方法.以全局地圖作參考幀,用于機(jī)器人全局定位,以局部地圖作參考幀,用于幀間定位.運(yùn)用順序地圖,提高了匹配搜索效率,運(yùn)用相對(duì)位置關(guān)系,避免了不斷的坐標(biāo)變換.對(duì)于機(jī)器人局部位置跟蹤,在卡

5、爾曼濾波的框架內(nèi),通過(guò)重新構(gòu)造系統(tǒng)狀態(tài)向量,選用觀測(cè)路標(biāo)特征在全局地圖中的坐標(biāo)位置作為觀測(cè)向量,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方程和系統(tǒng)觀測(cè)方程是線性的,從而運(yùn)用最優(yōu)的卡爾曼濾波對(duì)機(jī)器人位置進(jìn)行遞歸估計(jì).它克服了由非線性系統(tǒng)方程進(jìn)行線性化時(shí)引入的線性化誤差.最后,對(duì)幾種定位方法,包括擴(kuò)展卡爾曼濾波,擴(kuò)展卡爾曼濾波,Unscented卡爾曼濾波,馬爾可夫定位,蒙特卡洛定位,匹配定位,進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較.第三部分是同時(shí)定位與地圖構(gòu)建(SLAM,Simultaneou

6、s Localization and Map-building),好比"雞生蛋,蛋生雞"的問(wèn)題,包括室內(nèi)和室外環(huán)境下的同時(shí)定位與地圖構(gòu)建.對(duì)于室內(nèi)環(huán)境,在全協(xié)方差SLAM方案的基礎(chǔ)上,通過(guò)重新構(gòu)造系統(tǒng)狀態(tài)向量,選用適當(dāng)?shù)挠^測(cè)向量,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型、觀測(cè)模型、環(huán)境特征增廣模型都是線性的,得到一個(gè)基于線性系統(tǒng)模型的SLAM方案.調(diào)整狀態(tài)向量元素的順序,協(xié)方差矩陣對(duì)角線上是兩個(gè)相同的對(duì)稱子矩陣,非對(duì)角線上是兩個(gè)相反的負(fù)對(duì)稱子矩陣.對(duì)這個(gè)方案進(jìn)行優(yōu)