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家庭智能空间中服务机器人全息建图及相关问题研究

吴培良  
【摘要】: 随着社会的进步和机器人技术的发展,机器人进入日常家庭提供服务的需求越来越迫切。有效的家庭环境地图是服务机器人感知并适应环境,继而完成路径规划和定位导航,并最终提供高效智能服务的基础。不同于工业生产环境,人们日常生活的家庭环境存在多样性、异质性和动态性等特点,然而受机器人感知范围和感知能力所限,仅利用机器人构建的环境地图尚难以反映出家庭环境的上述特点。 智能空间技术的出现,有效弥补了家庭服务机器人全局感知的不足。服务机器人与智能空间技术的结合,能够使机器人全面实时感知家庭环境及其目标的变动,是机器人进入家庭提供宜人化服务的有效途径。 为了满足机器人环境认知和服务任务的需要,本论文提出了家庭全息地图的概念。在家庭智能空间与服务机器人交互的框架下,对家庭智能空间服务机器人全息地图的相关技术问题展开研究。主要的研究内容如下。 首先,分析了当前机器人双目主动视觉系统及其不足之处,进而设计了一种新的满足服务机器人任务需要的变基线双目主动视觉平台。该平台由PTZ摄像机和手眼摄像机组成,具备多方位多分辨率灵活观测能力。研究了该视觉平台下机器人手眼关系的标定方法和双目结构参数的标定方法。 其次,为了满足复杂背景下目标发现与跟踪,以及机器人宜人化操作的需要,提出了一种基于多类视觉特征的目标过完备特征集模型,设计了基于机器人变基线双目视觉的目标过完备特征集提取方法,并给出了基于过完备特征集模型的目标同时识别与位姿判定的方法。 再次,针对机器人机载传感器的感知局限性以及家庭环境的动态特性,基于Rao-Blackwellized粒子滤波的思想,提出了一种智能空间与机器人交互框架下的同时机器人定位与智能空间摄像机标定算法。联合机器人控制量和智能空间观测值估计机器人的位姿状态,同时根据机器人路径和智能空间各摄像机节点的对应观测值标定摄像机节点的投影矩阵。 然后,为了满足服务机器人对动态复杂家庭环境认知的需要,提出了一种融合环境及其中目标信息的家庭全息地图。设计了局部几何-全局拓扑的全息地图分层表示模型,并进而结合机器人自身位姿及其对目标的观测,给出了服务机器人家庭全息地图的构建方法。 最后,基于目标过完备特征集,给出了智能空间摄像机节点在复杂背景下的粒子滤波目标跟踪算法。联合已标定智能空间摄像机的外参矩阵及其观测信息计算目标变动后的空间位姿,根据跟踪和定位结果设计了全息地图中相应信息的更新方法。


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