隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,為了滿足軍事上、工業(yè)上和民用上對自動化以及人工智能的日益增長的需求,機器人不斷進入更多的領(lǐng)域。移動機器人作為一個具有廣泛應(yīng)用前景的分支得到了各個研究機構(gòu)的關(guān)注。其中,最為關(guān)注的一個研究熱點和難點是移動機器人的同時定位與地圖創(chuàng)建(Simultaneous Localization And Mapping,簡稱SLAM)問題。它是解決移動機器人自主導(dǎo)航的關(guān)鍵問題,解決了 SLAM問題,移動機器可以自主導(dǎo)航運動去執(zhí)行更加復(fù)雜的任務(wù),比如:野外搜救、室內(nèi)搬運、多機器人協(xié)同運動等。由于具有很強的應(yīng)用價值而備受國內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究。本文結(jié)合搭建自主移動移動機器人平臺,利用粒子濾波算法來解決SLAM問題中的柵格地圖創(chuàng)建和導(dǎo)航問題。本文主要從以下幾個方面來展開具體的研究:首先,簡單的介紹了移動機器人和SLAM相關(guān)技術(shù)的研究背景和國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,介紹了移動機器人控制系統(tǒng)的相關(guān)概率模型。并對整個搭建的移動機器人系統(tǒng)進行了總體的闡述,詳細(xì)介紹了其硬件平臺的搭建和系統(tǒng)整體的軟件設(shè)計框架。其次,對利用激光雷達進行SLAM技術(shù)的研究進行了具體的闡述,詳細(xì)的介紹了粒子濾波算法和基于Rao-Blackwellization粒子濾波算法在SLAM問題中的運用。通過理論分析和在Matlab仿真環(huán)境下進行算法的仿真,驗證該算法在解決SLAM問題的有效性,為后文編寫導(dǎo)航建圖軟件提供算法的理論支撐。接著,對搭建的移動機器人系統(tǒng)設(shè)計相應(yīng)的控制軟件,主要分為下位機的運動控制軟件、激光雷達的數(shù)據(jù)采集軟件、視頻流采集軟件、上位機地圖創(chuàng)建與導(dǎo)航軟件和移動端的監(jiān)控軟件五個部分。通過編寫的控制軟件來實驗移動機器人系統(tǒng)的總體控制。最后,結(jié)合自主搭建的移動機器人和系統(tǒng)的控制軟件,對RBPF-SLAM算法進行了實際的驗證,同時也對自主編寫的控制軟件的各個模塊的使用進行的綜合的實驗。通過實驗結(jié)果分析,驗證了算法的有效性和上位機移動機器人建圖與導(dǎo)航軟件的易用性和實用性。
【學(xué)位單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP242;TN958.98
【部分圖文】：

1.2.1 移動機器人研究現(xiàn)狀移動機器人的研究范圍涉及多個學(xué)科,例如：電子電路、自動控制、信息處理、人工智能等，各個學(xué)科聯(lián)合緊密，它往往代表著一個國家科研實力的綜合體現(xiàn)。對移動機器人的研究國外起步較早，20 世紀(jì) 60 年代末，美國斯坦福研究所的 NilsNilssen 和 Charles Rosen 等人研制出了 Shakey 移動機器人[14],從而開創(chuàng)了移動機器人（Autonomous Mobile Root,簡稱 AMR）研究的開端。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，新材料的層出不從、傳感器芯片信息處理的能力越來越強、研究出來了越來越多的控制算法，移動機器人的研究得到了快速而廣泛的發(fā)展。其中美國國家航空航天局噴氣推進實驗室研制的“勇氣號”火星車最為著名[15]，如圖 1-1 所示，它擁有柔性的機械手臂，配備多個攝像頭，能夠完成各種復(fù)雜的任務(wù)。2012年 Google X 實驗室研發(fā)中的全自動駕駛汽車，如圖 1-2 所示，它不需要駕駛?cè)藛T就可以實現(xiàn)自動啟動、行駛、簡單的避碰等任務(wù)，它的出現(xiàn)使得人們對無人駕駛技術(shù)產(chǎn)生了無限的向往[16]。

1.2.1 移動機器人研究現(xiàn)狀移動機器人的研究范圍涉及多個學(xué)科,例如：電子電路、自動控制、信息處理、人工智能等，各個學(xué)科聯(lián)合緊密，它往往代表著一個國家科研實力的綜合體現(xiàn)。對移動機器人的研究國外起步較早，20 世紀(jì) 60 年代末，美國斯坦福研究所的 NilsNilssen 和 Charles Rosen 等人研制出了 Shakey 移動機器人[14],從而開創(chuàng)了移動機器人（Autonomous Mobile Root,簡稱 AMR）研究的開端。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，新材料的層出不從、傳感器芯片信息處理的能力越來越強、研究出來了越來越多的控制算法，移動機器人的研究得到了快速而廣泛的發(fā)展。其中美國國家航空航天局噴氣推進實驗室研制的“勇氣號”火星車最為著名[15]，如圖 1-1 所示，它擁有柔性的機械手臂，配備多個攝像頭，能夠完成各種復(fù)雜的任務(wù)。2012年 Google X 實驗室研發(fā)中的全自動駕駛汽車，如圖 1-2 所示，它不需要駕駛?cè)藛T就可以實現(xiàn)自動啟動、行駛、簡單的避碰等任務(wù)，它的出現(xiàn)使得人們對無人駕駛技術(shù)產(chǎn)生了無限的向往[16]。

推出的新一代無人駕駛自主車紅旗 HQ3，在可靠性和小型化方面取得了較大的進展[18]。上海交通大學(xué)自動化研究所采用 ActivMedi 公司的開發(fā)的 Ponoeer2/DX型輪式移動機器人位開發(fā)平臺，建立了一個開放性高、可擴展性強的通用多移動機器人分布式協(xié)調(diào)平臺，并對多機器人之間的協(xié)作系統(tǒng)展開了一系列的研究[19]。中科院自動化研究所也成功研制出一款移動機器人 CASIA-I，如圖 1-3 所示,它可以實現(xiàn)對外部環(huán)境信息和自身的狀態(tài)進行感知，從而實時進行運動控制決策、路徑規(guī)劃決策等，可以廣泛應(yīng)用于公共場合和服務(wù)娛樂場合[20]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)和海爾公司聯(lián)合研制的導(dǎo)游服務(wù)機器人，如圖 1-4 所示，它裝備的語音識別模塊可以實現(xiàn)與人進行簡單的對話，可以對室內(nèi)的景點進行語音講解[21]。在物流運輸方面，京東的送貨機器人已經(jīng)處于應(yīng)用試驗階段[22]，它可以實現(xiàn)自主無人配送快遞，菜鳥網(wǎng)絡(luò)的物流機器人，如圖 1-5 所示，它可以實現(xiàn)在室內(nèi)復(fù)雜的倉庫中進行貨物的搬運分揀，百度的無人駕駛汽車，如圖 1-6 所示，在 2017 年已經(jīng)開始上路試驗[23]。近些年的科技技術(shù)的發(fā)展，極大的推動了移動機器人滲透到社會的各個行業(yè)，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。
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本文編號：2870933