基于激光雷達(dá)回環(huán)檢測(cè)的行星車同時(shí)定位與構(gòu)圖算法研究

發(fā)布時(shí)間：2020-05-09 01:38

【摘要】：行星表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜,環(huán)境惡劣,巡視器要在這樣的未知環(huán)境中作業(yè),其自身的定位和導(dǎo)航問題是一切行動(dòng)的保障,作為一個(gè)智能體,巡視器搭載視覺傳感,激光傳感,慣性傳感,里程計(jì)等多項(xiàng)傳感器,其中,激光雷達(dá)因其精度高,受環(huán)境影響小等特點(diǎn)在眾多機(jī)器人領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,通過激光雷達(dá)掃描匹配的方式能夠增量的估計(jì)位姿信息,但是存在著誤差的積累,而回環(huán)檢測(cè)的添加能夠有效限制誤差的積累,為此,本文在前人研究基礎(chǔ)上,就提高巡視器的定位精度問題,深入研究了基于回環(huán)檢測(cè)的激光雷達(dá)同時(shí)定位與構(gòu)圖的方法。首先從差動(dòng)輪式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模出發(fā),建立了差動(dòng)輪速機(jī)器人的一般運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,并針對(duì)里程計(jì)信息的不準(zhǔn)確問題研究了直接現(xiàn)線性標(biāo)定法和基于模型的標(biāo)定法,考慮到因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)而帶來的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)畸變問題,加入了運(yùn)動(dòng)畸變?nèi)ヌ幚砟K并對(duì)相應(yīng)模塊進(jìn)行了原理和實(shí)驗(yàn)上的論證。本方法采用圖優(yōu)化的結(jié)構(gòu),前端引入了子地圖的概念,采用概率柵格地圖的方式完成局部地圖的構(gòu)建,采用激光和地圖的匹配尋找激光數(shù)據(jù)在地圖中的最優(yōu)位置,并將里程計(jì)信息作為一個(gè)初始估計(jì),進(jìn)而構(gòu)建出增量式的激光里程計(jì),每個(gè)子地圖都帶有一定數(shù)量的激光幀點(diǎn)云,并將其作為節(jié)點(diǎn)輸入圖優(yōu)化的結(jié)構(gòu)里,后端采用幀幀匹配的方式構(gòu)建相應(yīng)的約束,針對(duì)因?yàn)辄c(diǎn)云不連續(xù),分布散造成的匹配誤差大的問題,提出了一種隱式滑動(dòng)最小二乘的方法,采用滑動(dòng)窗口的方式計(jì)算出局部連續(xù)點(diǎn)云中的隱含曲面,利用曲面的法向量投影的方式來計(jì)算出隱含的匹配點(diǎn),并將結(jié)果與傳統(tǒng)的ICP方式進(jìn)行對(duì)比,論證了方法的好壞。最后對(duì)相關(guān)方法進(jìn)行了仿真和實(shí)物的測(cè)試,利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的Jackal移動(dòng)機(jī)器人,在ROS+Gazebo的仿真環(huán)境中加入機(jī)器人模型,并加入行星表面場(chǎng)景,完成算法的測(cè)試,在動(dòng)捕系統(tǒng)下完成了真實(shí)環(huán)境下的測(cè)試,同時(shí)加入了沒有回環(huán)的對(duì)比試驗(yàn),將兩種環(huán)境下估計(jì)軌跡都和相對(duì)應(yīng)的真實(shí)軌跡進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證算法的定位精度,測(cè)試結(jié)果表明,該方法獲得的軌跡能夠得到與真實(shí)軌跡很接近的結(jié)果,擁有很高的定位估計(jì)精度。
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