隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人越來越多地應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域,設(shè)計一種可以在室內(nèi)自主導(dǎo)航的護(hù)士助手機(jī)器人具有重要的研究價值和市場前景。但是護(hù)士助手機(jī)器人的自主導(dǎo)航定位是目前研究中的重點(diǎn)與難點(diǎn),因此本文分別對基于激光雷達(dá)技術(shù)的實時定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous Localization and Mapping,SLAM）和移動機(jī)器人自主導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行了理論研究和實驗,并使用機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）搭建了一套基于激光雷達(dá)的SLAM和自主導(dǎo)航系統(tǒng)。首先,論文介紹了護(hù)士助手機(jī)器人國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,針對護(hù)士助手機(jī)器人的導(dǎo)航功能,設(shè)計了護(hù)士助手機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng),分析了選用的護(hù)士助手機(jī)器人底盤和硬件配置,根據(jù)底盤驅(qū)動方式,研究了差速驅(qū)動輪式移動機(jī)器人運(yùn)動模型。針對護(hù)士助手機(jī)器人的傳感器與軟件系統(tǒng),研究了激光雷達(dá)的測距原理和機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）。其次,分別研究了基于粒子濾波的SLAM算法原理和基于圖優(yōu)化的SLAM算法原理,并分析了基于改進(jìn)Rao-Blackwellized粒子濾波的Gmapping算法和基于圖優(yōu)化的Cartographer算法。使用ROS仿真軟件Gazebo搭建仿真環(huán)境與... 

【文章來源】：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市

【文章頁數(shù)】：66 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

Helepmate機(jī)器人

慕ㄖ??線存在機(jī)器人的腦袋里，并且同時運(yùn)行精密的偵測感應(yīng)系統(tǒng)和自動導(dǎo)航系統(tǒng)，讓機(jī)器人可以自行規(guī)劃送藥和行進(jìn)路線。這款送藥機(jī)器人也配置了防護(hù)機(jī)制，以防藥品在運(yùn)送途中遭遇撞擊或意外。病人想要拿到藥品，需要醫(yī)生或者護(hù)士的ID卡才能打開。英國、挪威等一些歐洲國家也都開展了對護(hù)士助手機(jī)器人的研究。2016年在丹麥，醫(yī)護(hù)人員們發(fā)現(xiàn)血樣提取花費(fèi)了大量的時間，因此開發(fā)了一款叫GiboSort[5]的智能機(jī)器人。它由一家在奧登賽的丹麥公司發(fā)明，該機(jī)器人可以不斷地選取血液樣本，減少了患者的等待時間。圖1Helepmate機(jī)器人圖2HOSP1機(jī)器人我國的護(hù)士助手機(jī)器人研究起步較晚，研制護(hù)士助手機(jī)器人的單位主要集中在中國海洋大學(xué)、華南理工大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、中科院沈陽自動化所等。我國從非典時期開始研究護(hù)士助手機(jī)器人，護(hù)士助手機(jī)器人可以在非典隔離病區(qū)執(zhí)行消毒任務(wù)，運(yùn)送化驗樣品、化驗結(jié)果和醫(yī)療器械，為病人送藥品、送飯及生活用品，處理隔離病區(qū)垃圾，如圖3所示。中國科學(xué)院自動化研究所研制了集多種傳感器、視覺、語音識別與會話功能于一體CASIA-I型智能服務(wù)機(jī)器人。該機(jī)器人頂部安裝有攝像機(jī)，本體分布有16個紅外傳感器和16個超聲傳感器。CASIA-I型智能服務(wù)機(jī)器人高0.8m，直徑0.45m，最大運(yùn)行速度為0.8m/s，可廣泛應(yīng)用于公共場合和個人家庭[6]。

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)碩士學(xué)位論文-3-圖3非典助手機(jī)器人圖4上海仁濟(jì)醫(yī)院護(hù)士助手機(jī)器人1.2.2SLAM國內(nèi)外研究現(xiàn)狀早期的實時定位與地圖構(gòu)建（SimultaneousLocalizationandMapping，SLAM）主要研究的傳感器有激光、聲納等傳感器等。這些傳感器數(shù)據(jù)精度和算法效率較低，對應(yīng)用的環(huán)境要求很高，因此取得的效果并不理想。PeterCheeseman和JimCrowle等[7]學(xué)者在20世界80年代末期提出使用了概率學(xué)知識來解決機(jī)器人定位的問題，并且取得了良好的狀態(tài)估計值。從那時起，基于概率學(xué)的SLAM方法成了機(jī)器人定位與地圖構(gòu)建領(lǐng)域的主流方法。EKFSLAM方法解決了SLAM系統(tǒng)中狀態(tài)估計的問題。Smith、Cheesman和Durrant-Whyte[8]提出SLAM的狀態(tài)估計問題后，首先對機(jī)器人位姿和路標(biāo)位置之間幾何關(guān)系的不確定性進(jìn)行了研究。該方法通過泰勒展開對非線性系統(tǒng)進(jìn)行線性化，但是線性化過程中丟掉了泰勒展開式的高階項，導(dǎo)致了誤差累積。因此EKFSLAM方法適用于構(gòu)建小型地圖�，F(xiàn)今，Smith[9][10]等提出的EKFSLAM公式依舊在使用。隨著研究的深入，許多研究者提出了改進(jìn)的該方法。由于EKFSLAM算法存在計算量大和線性化誤差大的缺點(diǎn)，1997年，J.K.Uhlmann和S.J.Juliear[11]提出了適用于非線性系統(tǒng)的無跡卡爾曼濾波SLAM(UnscentedKalmanFilter,UKF)方法，其基本思想是對非線性函數(shù)進(jìn)行概率密度逼近。該方法通過U(Unscented)變換對非線性系統(tǒng)進(jìn)行模型狀態(tài)和協(xié)方差遞推更新，然后通過卡爾曼濾波進(jìn)行狀態(tài)估計。UKFSLAM避免了由泰勒展開高階項帶來的誤差，不但提高了濾波精度，而且不需要計算雅可比矩陣[12]，從而降低了計算量。但是UKFSLAM計算量為狀態(tài)向量的三次方，存在隨著觀測路標(biāo)的不斷增加，計算量會不斷增加的缺點(diǎn)。Murphy和Doucet[13]首先提出了將RBPF引入SLAM問題，然后蒙特卡

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]中國老年人口數(shù)量預(yù)測分析[J]. 王偉,岳博.  合作經(jīng)濟(jì)與科技. 2019(24)
[2]基于螢火蟲算法優(yōu)化的Gmapping研究[J]. 鄭兵,陳世利,劉蓉.  計算機(jī)工程. 2018(09)
[3]基于激光信息的移動機(jī)器人SLAM研究[J]. 柳俊城,李迪,翁瀟文.  自動化與儀表. 2018(06)
[4]基于區(qū)域粒子群優(yōu)化和部分高斯重采樣的SLAM方法[J]. 王田橙,蔡云飛,唐振民.  計算機(jī)工程. 2017(11)
[5]量子粒子群優(yōu)化下的RBPF-SLAM算法研究[J]. 伍永健,陳躍東,陳孟元.  智能系統(tǒng)學(xué)報. 2018(05)
[6]大規(guī)模環(huán)境下基于圖優(yōu)化SLAM的后端優(yōu)化方法[J]. 王忠立,趙杰,蔡鶴皋.  哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報. 2015(07)
[7]改進(jìn)RBPF的移動機(jī)器人同步定位與地圖構(gòu)建[J]. 羅元,余佳航,汪龍峰,王運(yùn)凱.  智能系統(tǒng)學(xué)報. 2015(03)
[8]大規(guī)模環(huán)境下基于圖優(yōu)化SLAM的圖構(gòu)建方法[J]. 王忠立,趙杰,蔡鶴皋.  哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報. 2015(01)
[9]改進(jìn)粒子濾波器的移動機(jī)器人同步定位與地圖構(gòu)建方法[J]. 朱磊,樊繼壯,趙杰,吳曉光.  重慶大學(xué)學(xué)報. 2014(04)
[10]基于圖優(yōu)化的同時定位與地圖創(chuàng)建綜述[J]. 梁明杰,閔華清,羅榮華.  機(jī)器人. 2013(04)

碩士論文
[1]基于信息融合的移動機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)研究[D]. 張德喜.沈陽工業(yè)大學(xué) 2019
[2]室內(nèi)移動機(jī)器人的SLAM系統(tǒng)研究[D]. 馬業(yè)鵬.貴州大學(xué) 2019
[3]基于Cartographer算法的SLAM與導(dǎo)航機(jī)器人設(shè)計[D]. 賈浩.山東大學(xué) 2019
[4]一種室內(nèi)移動機(jī)器人定位和路徑規(guī)劃的算法優(yōu)化[D]. 楊記周.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2019
[5]基于激光雷達(dá)的室內(nèi)移動機(jī)器人SLAM與導(dǎo)航技術(shù)研究[D]. 杜哲夫.湖北工業(yè)大學(xué) 2019
[6]基于ROS的移動機(jī)器人系統(tǒng)平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 曾俊皓.華南理工大學(xué) 2018
[7]室內(nèi)測繪機(jī)器人SLAM技術(shù)的研究與實現(xiàn)[D]. 李維鑫.西安科技大學(xué) 2018
[8]室內(nèi)動態(tài)環(huán)境下基于粒子濾波的服務(wù)機(jī)器人定位[D]. 雷楊浩.西南科技大學(xué) 2018
[9]基于SLAM技術(shù)的智能機(jī)器人定位導(dǎo)航研究[D]. 王永濤.北方工業(yè)大學(xué) 2018
[10]基于Cartographer和RBPF的室內(nèi)SLAM技術(shù)研究[D]. 姬少英.燕山大學(xué) 2018



本文編號：3442183