【摘要】：近年來(lái),隨著傳感器技術(shù)和人工智能等領(lǐng)域的不斷發(fā)展,機(jī)器人技術(shù)也隨之迅速革新并實(shí)際落地應(yīng)用。傳統(tǒng)的服務(wù)機(jī)器人已無(wú)法滿足人類對(duì)智能化生活的憧憬,研制出一款擁有自主導(dǎo)航功能的迎賓機(jī)器人成為一種需求。研究表明,優(yōu)秀的定位和路徑規(guī)劃技術(shù)是迎賓機(jī)器人導(dǎo)航領(lǐng)域的關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)良好的定位精度和穩(wěn)定的導(dǎo)航功能,本文結(jié)合開(kāi)源的機(jī)器人操作系統(tǒng)(Robot Operation System,ROS),通過(guò)擴(kuò)展卡爾曼濾波算法融合編碼器,慣性測(cè)量單元和單目相機(jī)的定位信息,完整設(shè)計(jì)并搭建了一套迎賓機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)。本文主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)單目相機(jī)視覺(jué)里程計(jì)的研究。詳細(xì)梳理了單目相機(jī)視覺(jué)里程計(jì)的通用框架,其中主要包括,特征點(diǎn)的提取與匹配,相機(jī)運(yùn)動(dòng)估計(jì)與局部?jī)?yōu)化等。利用迎賓機(jī)器人攜帶的單目相機(jī),比較了以特征點(diǎn)法為主的MonoSLAM和ORBSLAM2算法,在實(shí)際測(cè)試場(chǎng)地中,特征點(diǎn)的提取,同時(shí)定位與地圖重建結(jié)果和定位精度方面的差異,并通過(guò)均方誤差評(píng)估兩種算法在定位精度上的差異。(2)融合多傳感器信息的里程計(jì)構(gòu)建。在構(gòu)建多傳感器信息融合算法模型中,以編碼器的估計(jì)量為系統(tǒng)模型,以單目相機(jī)和慣性測(cè)量單元的估計(jì)量為觀測(cè)值,分別更新位置信息和姿態(tài)信息。利用迎賓機(jī)器人上的現(xiàn)有硬件設(shè)備為載體,進(jìn)行位置融合實(shí)驗(yàn)和姿態(tài)融合實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,融合后的位姿信息較單一傳感器而言,具有較高的精準(zhǔn)度。(3)基于柵格地圖的路徑規(guī)劃算法研究。詳細(xì)介紹了以柵格地圖為主的路徑規(guī)劃算法的基本原理以及搜索過(guò)程。針對(duì)目前A~*算法存在未考慮機(jī)器人寬度信息和規(guī)劃軌跡不平滑的問(wèn)題,提出改進(jìn)的策略。主要體現(xiàn)在:在估計(jì)函數(shù)中考慮障礙節(jié)點(diǎn)的安全因子,優(yōu)先生成與原路徑同向的子節(jié)點(diǎn);對(duì)生成的路徑規(guī)劃序列中,前后節(jié)點(diǎn)的連線不經(jīng)過(guò)障礙物的中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行剔除,從而進(jìn)行軌跡平滑。設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證原始算法與改進(jìn)算法在規(guī)劃軌跡方面的差異。(4)設(shè)計(jì)并搭建迎賓機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)。詳盡論述迎賓機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方案。結(jié)合機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS,采用Plugin的方式將改進(jìn)的A~*算法整合到Move Base導(dǎo)航框架中。在室內(nèi)場(chǎng)景下和走廊場(chǎng)景下對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)的A~*算法和改進(jìn)的A~*算法在路徑規(guī)劃上的差異,并針對(duì)走廊場(chǎng)景下進(jìn)行了12次導(dǎo)航實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證迎賓機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性。在導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)中,平均誤差穩(wěn)定在10厘米左右,迎賓機(jī)器人具有良好的導(dǎo)航精度和實(shí)際應(yīng)用前景。
【圖文】：

圖 1-1a 服務(wù)機(jī)器“PR2” 圖 1-1b 雙足機(jī)器人“Altas” 圖 1-1c 四足機(jī)器人“SpotMin國(guó)內(nèi)服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域雖然起步稍晚，但發(fā)展趨勢(shì)迅猛。如圖 1-2a，為深圳優(yōu)必選公司的人形機(jī)器人 Walker，其雙臂分別有 7 個(gè)自由度，單臂伸展可以承受1.5kg 的重物，，雙臂合作可舉起 10kg 的重物，能夠幫助人們拎包，取物，開(kāi)門和拉窗簾等操作，在運(yùn)動(dòng)控制上，可以在復(fù)雜地形上靈活行走，具有優(yōu)秀的自平衡

圖 1-1a 服務(wù)機(jī)器“PR2” 圖 1-1b 雙足機(jī)器人“Altas” 圖 1-1c 四足機(jī)器人“SpotMin國(guó)內(nèi)服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域雖然起步稍晚，但發(fā)展趨勢(shì)迅猛。如圖 1-2a，為深圳優(yōu)必選公司的人形機(jī)器人 Walker，其雙臂分別有 7 個(gè)自由度，單臂伸展可以承受1.5kg 的重物，雙臂合作可舉起 10kg 的重物，能夠幫助人們拎包，取物，開(kāi)門和拉窗簾等操作，在運(yùn)動(dòng)控制上，可以在復(fù)雜地形上靈活行走，具有優(yōu)秀的自平衡
【學(xué)位授予單位】：上海師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP242;TN96

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6 韓昊e

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