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水面机器人作业导航研究

何静  
【摘要】:中国是一个海洋面积宽广、海域资源丰富的国家,为了更好的开发海洋资源,解决运输和水域巡逻等问题,研究发展智能化的水面无人机器人尤为的重要,不仅能够实现水域的探测勘探工作,也能够实现安防巡逻、地图绘制等任务;同时随着社会的发展和工业化进程加快,环境污染问题日益严峻,特别是水域环境的污染,水面会有许多的漂浮垃圾,传统清理水面漂浮物采用人工或者是大型机械清理的方式;人工清理的方式存在效率低下,人员安全得不到保障等问题;大型机械清理的方式不适用漂浮物较分散,不集中的区域,且机械清理的成本较高;所以本文提出一种可以在水域环境下自主导航作业的水面清污机器人智能导航作业系统,解决传统清污方式的人工和高成本等问题,实现高效率和智能化。本文围绕水面清污机器人作业过程中的导航定位问题展开了研究,并在机器人实物平台上设计了作业导航系统,主要工作如下:(1)水域环境特征存在许多相似性,传统依据机器人里程计信息和基于滤波方式的定位不能够达到很好的定位效果,存在较大的累积误差,本文提出一种融合GPS(全球定位系统)和IMU(惯性导航系统)的水域定位方法,减少GPS信号丢失导致的误差,提高水面机器人的定位精度。(2)为了实现对水域场景的描述,同时实现机器人在该环境下作业导航。针对水域场景开阔空旷的特点,传统建图方式不能消除长时间的累积误差。为此本文采取基于图优化的建图方式,且加入回环检测消除累积误差;同时,为了减少环境特征稀少带来的误匹配和回环检测错误,实现更好的建图效果,本文进一步将GPS/IMU的数据融合在建图的过程中,减少回环检测过程中的误匹配。(3)为实现机器人在水域环境中的自主导航,本文把全局路径规划和局部路径规划结合起来实现动态环境避障。(4)设计并实现整个导航系统:基于ROS平台完成了机器人水域建图、水面定位和路径规划;基于客户、服务器架构设计了导航交互终端,实现了机器人导航状态监测,导航路径指定等功能,有效地配合机器人的水面导航作业实现。


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