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《哈尔滨工业大学》 2014年
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基于地形特征的移动机器人定位制图及可穿越性的研究

邱纯鑫  
【摘要】:户外移动机器人已经广泛应用于星球探索、灾后救援以及矿井作业等人类不能到达或者有一定危险性的场合。由于这些户外环境都要求移动机器人运行在复杂的非结构化的地形地貌上,所以在户外复杂的地形上实现移动机器人的三维定位,并通过感知环境信息创建丰富的地图用于指导移动机器人的运动规划成为移动机器人领域的关键问题之一。为了用最小系统来解决以上的关键问题,本文对户外移动机器人的自主定位、环境地图的创建及地形可穿越性进行了深入系统的研究。 传统的户外移动机器人的定位方法是利用激光扫描仪、视觉系统、声纳等传感器来检测环境的特征进而实现机器人的定位,而在户外非结构的环境下特征不容易被提取。针对这个问题,论文提出了一种基于地形倾斜度特征的移动机器人定位的新方法,该方法仅仅利用机器人本体传感器的数据就可以实现当GPS信号减弱或者中断时的户外移动机器人沿途自主定位。假设可以事先获取到移动机器人工作区域的地形图,并通过该地形图沿着已规划好的路径提取机器人-地形倾斜度模型(Robot-Terrain Inclination model,简称RTI模型),该模型描述了移动机器人在已知路径上移动过程中的姿态与位置的关系。然后将提取出来的RTI模型作为测量模型,通过粒子滤波算法融合机器人的运动与观测信息,实现移动机器人的沿途定位。实验结果表明,当移动机器人运行在户外复杂的地形下,基于地形特征定位算法具有很强的鲁棒性并且在较长的运动距离下能够达到理想的定位效果。 针对户外未知环境,即机器人无法事先获取工作环境的地形图,论文将上述的基于地形倾斜度特征的定位方法与传统的最邻近点匹配算法(ICP matching)相结合,提出了一种既能实现移动机器人准确的位置估计和地图创建,又能节省时间的新型户外移动机器人的定位与制图方法(Terrain Inclination Aided3D Localization and Mapping,简称TILAM)。当移动机器人在两个扫描点间移动时,利用在第一个扫描点扫描到的环境信息提取局部的RTI模型,将该模型用于实现在两个扫描点间的实时定位。当移动机器人到达第二个扫描点时,将上一段末机器人的定位结果作为机器人运动到下一个扫描点时所处位置的初始估计。然后利用ICP匹配算法匹配前后两次扫描到的非地面点云图来更新机器人的位置,从而更新机器人的环境地图。随着机器人的移动,最终创建出机器人整个工作区域的环境地图。实验结果表明,该方法能够在减少时间损耗的基础上实现准确的机器人定位和环境地图创建,对大范围的户外应用有着重要的意义。 当移动机器人运动在户外复杂的地形上时,机器人需要具备实时判断穿越当前地形的难易程度以便进行有效的运动控制。论文利用在线获取与地形可穿越能力密切相关的地表滑移特性的方法,并将该滑移特性与传统的几何特征结合起来,提出了一种新的在线估计移动机器人所处地形可穿越性的方法。该方法通过机器人本体上的编码器和惯性测量单元,利用扩展卡尔曼滤波准确估计出机器人行走时获得地面提供的牵引力,得出牵引力与滑移率的曲线,然后在线获取这些曲线的特征参数,包括地面能提供的最大牵引力。最终根据地面能提供的最大牵引力和地形坡度两个因素,利用贝叶斯分类器估计出当前地形的可穿越指数,从而实现对地形可穿越性的定量估计。实验结果表明,该方法能够在线获取机器人所在地面的地表滑移特征参数,并能根据该特征参数正确估计地形的可穿越指数。 论文最后通过户外环境的综合实验验证了在同一框架下,所提出的移动机器人定位、环境地图创建及地形可穿越性估计算法的准确性及相互间的协作实现的可能性。综上所述,论文为户外移动机器人系统提供一种新的自主定位、感知并创建周围环境地图和学习它们所处地形地貌的能力,为移动机器人在未知复杂地形地貌上的有效运动控制和自主导航奠定了坚实的基础。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TP242.6

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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 管海燕;张剑清;邓非;钟良;;基于扫描线的城区机载激光扫描数据滤波算法研究[J];测绘通报;2007年12期
2 何正斌;田永瑞;;机载三维激光扫描点云非地面点剔除算法[J];大地测量与地球动力学;2009年04期
3 陈欢欢;李星;丁文秀;;Surfer 8.0等值线绘制中的十二种插值方法[J];工程地球物理学报;2007年01期
4 申丽曼;蔡自兴;;一种室内环境下机器人同时定位与地图构建方法[J];信息技术;2007年07期
5 罗荣华,洪炳镕;基于信息融合的同时定位与地图创建研究[J];哈尔滨工业大学学报;2004年05期
6 何清华,黄素平,黄志雄;智能轮椅的研究现状和发展趋势[J];机器人技术与应用;2003年02期
7 刘方湖,马培荪,曹志奎,姚沁;五轮铰接式月球机器人的运动学建模[J];机器人;2001年06期
8 王卫华,陈卫东,席裕庚;基于不确定信息的移动机器人地图创建研究进展[J];机器人;2001年06期
9 张朋飞,何克忠,欧阳正柱,张军宇;多功能室外智能移动机器人实验平台—THMR-V[J];机器人;2002年02期
10 迟健男,徐心和;移动机器人即时定位与地图创建问题研究[J];机器人;2004年01期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 黄克磊;王媛;杨娜娜;李秋元;赵辉;肖杰;;基于Web的区域气象站监测资料图形分析应用[J];安徽农业科学;2009年19期
2 李丽双;张颖;;基于GIS的东北地区气象要素空间插值方法[J];安徽农业科学;2012年09期
3 张洁;梁俊宁;;Surfer8.0在绘制气象等值线中的应用[J];现代农业科技;2010年01期
4 刘满禄;张华;王姮;胡天链;;基于模糊控制器的移动机器人导航[J];兵工自动化;2009年06期
5 黄岩;吴军;刘春明;李兆斌;;自主车辆发展概况及关键技术[J];兵工自动化;2010年11期
6 陶辉;吴怀宇;程磊;杨升;;基于特征地图的移动机器人EKF-SLAM和FastSLAM算法自主导航研究[J];北京联合大学学报(自然科学版);2010年02期
7 孙章军;田海晏;邓双成;孙晨;;移动机器人路径规划仿真平台设计[J];北京石油化工学院学报;2006年03期
8 冯波;沈晓红;;室外移动机器人遥控系统的设计与实现[J];北京工商大学学报(自然科学版);2009年04期
9 李丽丽;;汶川地区地震前后重力异常的变化特征[J];吉林大学学报(地球科学版);2011年S1期
10 马国庆;孟令顺;李丽丽;;龙门山及邻区断裂分布及地震前后断裂形态差异[J];吉林大学学报(地球科学版);2012年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 李枚毅;;并发定位与建图的多目标免疫进化算法[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
2 刘洁;贺振东;陈鹿民;;基于记忆特征库的机器人定位及地图创建方法[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
3 王希彬;赵国荣;潘爽;;无人机视觉同时定位与地图创建技术综述[A];中国自动化学会控制理论专业委员会C卷[C];2011年
4 王坤坤;尹怡欣;;基于一种改进PSO的移动机器人路径规划[A];2006年首届ICT大会信息、知识、智能及其转换理论第一次高峰论坛会议论文集[C];2006年
5 苗宇;程荫杭;张超;;室外自主轮式移动机器人的发展及关键技术[A];可持续发展的中国交通——2005全国博士生学术论坛(交通运输工程学科)论文集(下册)[C];2005年
6 于金霞;蔡自兴;段琢华;;复杂地形下移动机器人运动学建模研究[A];2009中国控制与决策会议论文集(1)[C];2009年
7 ;Dynamic Path Planning for Mobile Robot Based on Genetic Algorithm in Unknown Environment[A];Proceedings of 2010 Chinese Control and Decision Conference[C];2010年
8 ;Teleoperation System For Multiple Mobile Robots[A];Proceedings of the 2011 Chinese Control and Decision Conference(CCDC)[C];2011年
9 柴毅;凌睿;;自主移动掘进机器人控制系统研究[A];第25届中国控制会议论文集(下册)[C];2006年
10 王菁华;崔世钢;罗云林;;基于Matlab的智能机器人路径规划仿真[A];'2008系统仿真技术及其应用学术会议论文集[C];2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王玉全;基于全景视觉的移动机器人同时定位与地图创建方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 王作为;具有认知能力的智能机器人行为学习方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 彭富清;海洋重力辅助导航方法及应用[D];解放军信息工程大学;2009年
4 谢圆;月球车遥操作中的任务规划技术研究[D];中国科学技术大学;2011年
5 夏益民;基于传感器信息融合的移动机器人定位与地图创建研究[D];广东工业大学;2011年
6 冯肖维;基于多传感器信息融合的移动机器人位姿计算方法研究[D];上海大学;2011年
7 韩光;面向非结构环境图像理解的算法研究[D];南京理工大学;2010年
8 蔡云飞;多机器人协作定位及系统架构研究[D];南京理工大学;2011年
9 曹红玉;基于信息融合的移动机器人定位与地图创建技术研究[D];北京邮电大学;2010年
10 林广宇;基于嵌入式技术的车载图像监控系统研究[D];长安大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 齐晓飞;基于路径识别的机器人视觉导航技术的研究[D];长春理工大学;2010年
2 王立;面向非结构化地形的六足步行机器人运动规划研究[D];浙江理工大学;2010年
3 耿东山;基于蚁群算法的机器人全局路径规划[D];郑州大学;2010年
4 杜峰;某型机器人的路径规划方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 王良军;智能移动机器人控制系统设计与实现[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 隋岩;智能移动机器人路径规划方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
7 刘啸森;基于MC9S12DG128的智能模型车系统设计与仿真研究[D];大连理工大学;2010年
8 柴红霞;移动机器人在SLAM中数据关联方法的研究[D];大连理工大学;2010年
9 杨惠;基于粒子群和蚁群融合算法的移动机器人路径规划研究[D];长沙理工大学;2010年
10 徐涛;基于多传感器融合的水下机器人自主导航方法研究[D];中国海洋大学;2010年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张小红,刘经南;机载激光扫描测高数据滤波[J];测绘科学;2004年06期
2 管海燕;张剑清;邓非;钟良;;基于扫描线的城区机载激光扫描数据滤波算法研究[J];测绘通报;2007年12期
3 陈方,高升;语音识别技术及发展[J];电信科学;1996年10期
4 刘伟军,董再励,郝颖明,朱枫;基于立体视觉的移动机器人自主导航定位系统[J];高技术通讯;2001年10期
5 朱淼良,吴春明,张友军,金毅,李捷;基于多智能体的实时并发式智能机器人结构[J];高技术通讯;1995年10期
6 王兆清,冯伟;高度不规则网格多边形单元的有理函数插值格式[J];固体力学学报;2005年02期
7 洪炳镕;罗荣华;;一种鲁棒移动机器人自主定位方法[J];哈尔滨工业大学学报;2003年09期
8 黄庆成;洪炳镕;Javaid Khurshid;高庆吉;朱莹;阮玉峰;;全自主足球机器人的超声波定位避障系统[J];哈尔滨工业大学学报;2003年09期
9 罗荣华,洪炳镕;基于信息融合的同时定位与地图创建研究[J];哈尔滨工业大学学报;2004年05期
10 陈永;MIS界面设计的工效学原则[J];湖北汽车工业学院学报;2001年02期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 ;机器人、机械手、自动调节、控制与执行机构[J];电子科技文摘;2001年03期
2 ;《机器人》2002年度(第24卷)分类总目次[J];机器人;2002年06期
3 刘成良,张凯,Jay Lee;双机器人协调作业下碰撞算法及仿真研究[J];机器人;2003年02期
4 韩逢庆,李红梅,李刚,黄席樾;一种改进的多机器人任意队形控制算法[J];机器人;2003年06期
5 程玉虎,易建强,赵冬斌;机器人行为协调机制研究进展[J];机器人;2004年02期
6 邢宏光,王利红,张玉茹;神经外科手术机器人灵活性分析[J];北京航空航天大学学报;2004年04期
7 曹毅,王树新,李群智;基于随机概率的机器人工作空间及其解析表达[J];组合机床与自动化加工技术;2005年02期
8 胡磊,高翌飞,王田苗,王满宜;矫形外科机器人技术及应用研究[J];北京航空航天大学学报;2005年04期
9 邱季;李丽芹;王治富;;机器人在车身焊接生产中的应用[J];轻型汽车技术;2005年03期
10 王东署;徐方;徐心和;;激光加工机器人自标定研究[J];机械与电子;2006年02期
中国重要会议论文全文数据库 前6条
1 范守文;徐礼钜;;机器人工作空间分析的解析法[A];第十四届全国机构学学术研讨会暨第二届海峡两岸机构学学术交流会论文集[C];2004年
2 殷子强;张广军;袁新;赵慧慧;吴林;;人机交互式机器人弧焊再制造系统设计[A];第十六次全国焊接学术会议论文摘要集[C];2011年
3 范波涛;闫成新;;喷浆机器人灵巧度分析[A];面向21世纪的科技进步与社会经济发展(下册)[C];1999年
4 海丹;刘玉鹏;郑志强;;四轮全向机器人的设计与控制方法[A];2005中国机器人大赛论文集[C];2005年
5 高理富;宋宁;;Puma控制器改造中的控制算法探究[A];2003年中国智能自动化会议论文集(上册)[C];2003年
6 徐晓;翟敬梅;谢存禧;;机器人柔性装配单元的设计[A];第十届粤港机电工程技术与应用研讨会暨梁天培教授纪念会文集[C];2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 韩金华;护士助手机器人总体方案及其关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
2 赵扬;机器人磨削叶片关键技术研究[D];吉林大学;2009年
3 李正义;机器人与环境间力/位置控制技术研究与应用[D];华中科技大学;2011年
4 杨东勇;多机器人协作的学习与进化方法[D];浙江大学;2005年
5 刘淑华;复杂动态环境下多机器人的运动协调研究[D];吉林大学;2005年
6 郝宗波;家庭移动服务机器人的若干关键技术研究[D];哈尔滨工业大学;2006年
7 李相鹏;连通性约束的多机器人集合及导航[D];中国科学技术大学;2011年
8 李彦涛;助餐机器人样机研制及控制研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
9 宋勇;机器人群体行为数学建模与定量分析方法研究[D];山东大学;2012年
10 刘爽;多机器人编队的运动规则[D];中国科学技术大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 余正泓;类人机器人的仿真技术研究及其在比赛动作设计中的应用[D];武汉工程大学;2008年
2 郭安庆;基于机器人的柴油机气缸盖堆焊技术开发[D];江苏科技大学;2010年
3 张婧慧;机器人滚边技术及其应用研究[D];合肥工业大学;2010年
4 刘尔静;辅助腹腔镜手术机器人建模与仿真研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 徐亮;室内清扫机器人的路径规划研究[D];中原工学院;2011年
6 刘廷顺;相贯线全位置焊接机器人构型及结构的最优化[D];北京工业大学;2011年
7 何武;室内服务机器人的导航研究[D];中国科学技术大学;2011年
8 张成军;可重构机器人的设计及基础性能研究[D];燕山大学;2011年
9 李文广;双机器人标定方法研究及协调仿真[D];沈阳理工大学;2011年
10 胡永凉;面向熔射制模的机器人研磨系统及实验研究[D];华中科技大学;2005年
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