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《东北师范大学》 2018年
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室内机器人仿生定位导航方法研究

李伟  
【摘要】:随着机器人步入家庭,对室内机器人自主定位与导航技术的需求愈加迫切。目前,国内外对于室内机器人定位导航技术的研究,仍是通过精确的测量和复杂的数学运算进行地图构建,导致算法复杂、实时性差,且与人类在定位导航中所表现的行为大相径庭。因此,定位导航作为室内机器人完成服务工作的核心技术,仍是室内机器人研究的热点。本文在现有视觉定位方法的基础上,从生理层面对人类视觉定位导航机理进行了研究。一方面,人类视觉系统中感光细胞分为视锥细胞和视杆细胞,其中视锥细胞获取明亮场景中的颜色信息和边缘信息,视杆细胞获取黑暗场景中的边缘信息。因此,从物品的颜色和边缘信息中可提取物品的特征,以供大脑记忆。同时,由于人具备双眼视觉,还能够获取空间中物品的深度图像。另一方面,人脑中存在三种与定位导航相关的细胞,分别是位置细胞、网格细胞和头部方向细胞,其中位置细胞对特定位置敏感,可对标志物的位置进行记忆;网格细胞可将位置细胞记忆的各个位置进行关联并记忆,其功能类似于生活中的拓扑地图;头部方向细胞具有感知方位的功能。因此,人类的定位导航行为是在拥有了对室内标志物记忆与识别、位置细胞的记忆和网格细胞记忆的前提下进行的。因此,本文提出的仿生定位导航方法主要包含四个方面的研究内容,即仿生的物品表征及识别方法研究、仿生地图构建方法研究、利用地图仿生定位方法研究和利用地图仿生导航方法研究。仿生的物品表征及识别选取颜色、形状、对称性和颜色纹理进行物品表征,并将标志物的特征存储在物品数据库中。在识别时,将从自然场景中获取的物品与存储在数据库中的标志物特征进行匹配,判断其是否为用于定位的标志物。仿生地图构建则是利用标志物作为拓扑地图的节点,将深度图像获取的距离和各节点的方向信息作为地图的边,利用数据库对其进行存储形成拓扑地图数据库。利用地图进行定位时,先通过物品数据库对机器人采集的物品进行识别,确认是标志物后,再在拓扑地图数据库中进行检索,从而确定其与相邻节点在环境中的相对位置,完成定位。利用地图进行导航时,在定位的基础上,通过检索拓扑地图数据库,可以确定到达目的地所需途经的各节点、方向及距离,形成导航路线,依据路线,从当前位置开始,依次到达,完成导航。为验证本文提出的定位导航方法,构建了机器人系统,该系统利用Kinect仿生人眼获取彩色图像和深度图像;利用工控机仿生人脑进行视觉信息处理、存储物品数据库和拓扑地图数据库,并完成识别、定位及导航算法;利用MPU9250传感器仿生头部方向细胞获取方位,辅助导航。验证实验中,标志物选用实验室内的部分物品,各进行100次实验,结果表明本文算法的平均识别率达到98.8%,且计算复杂度低、实时性强。在实验室真实场景进行定位导航的实验中,机器人在室内运行一圈共行驶26.33m,设置10个定位点,每个定位点平均识别时间为3.82ms,完成导航用时83s,实现了定位导航全过程。
【学位授予单位】:东北师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TP242

【参考文献】
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