【摘要】：21世紀(jì)以來,隨著社會老齡化問題的凸顯以及人力成本的提高,人類對機器人的需求使得機器人關(guān)鍵技術(shù)研究逐漸成熟并趨于智能化。室內(nèi)移動機器人是智能移動機器人的一個重要研究方向,而環(huán)境地圖構(gòu)建、自主導(dǎo)航與行人檢測、跟蹤及跟隨則是室內(nèi)移動機器人最關(guān)鍵、最核心的功能,對其進(jìn)行研究具有重要意義。本文針對室內(nèi)移動機器人研究給出了本課題的軟硬件整體系統(tǒng)設(shè)計方案,并從環(huán)境地圖構(gòu)建、自主導(dǎo)航與目標(biāo)行人跟隨三個方面對基于二維激光雷達(dá)的室內(nèi)移動機器人進(jìn)行了研究,最后對所選用算法進(jìn)行了設(shè)計實現(xiàn)與系統(tǒng)集成。本文的主要工作包括以下四個方面:1)針對基于單一傳感器的里程計精度不高的問題,提出一種基于擴展卡爾曼濾波對多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合的里程計。對基于Rao-Blackwellized粒子濾波以及基于圖優(yōu)化原理兩類同時定位與地圖構(gòu)建(Simultaneous Localization And Mapping,簡稱SLAM)算法進(jìn)行了分析研究,提出一種基于多傳感器運動模型的改進(jìn)Rao-Blackwellized粒子濾波SLAM算法。從擁擠的辦公室環(huán)境以及長直走廊環(huán)境對本課題提出的改進(jìn)SLAM以及Cartographer進(jìn)行了對比實驗分析,最后選用本課題提出的改進(jìn)SLAM算法完成環(huán)境地圖構(gòu)建。2)從代價地圖生成、自定位、全局路徑規(guī)劃以及局部路徑規(guī)劃四個方面研究了室內(nèi)移動機器人自主導(dǎo)航。在全局路徑規(guī)劃方面,對比分析了基于采樣以及基于圖兩類算法,并根據(jù)仿真結(jié)果選定A*算法。在局部路徑規(guī)劃方面,對比分析了基于采樣以及基于最優(yōu)化兩類算法,并根據(jù)仿真結(jié)果選定時間彈性帶算法。3)通過對常用目標(biāo)檢測特征及目標(biāo)跟蹤算法進(jìn)行研究分析,選定了可變型組件模型特征加LSVM分類器加核相關(guān)濾波的行人檢測與目標(biāo)行人跟蹤的方案。針對單目相機無法獲取行人到機器人距離的問題,提出了一種先對攝像機內(nèi)參進(jìn)行標(biāo)定,然后利用棋盤格標(biāo)定板作為中間坐標(biāo)系獲取激光雷達(dá)坐標(biāo)系到攝像機坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換,并通過夾面約束對兩者數(shù)據(jù)進(jìn)行融合的方法。最后給出了目標(biāo)行人跟隨的完整流程。4)根據(jù)本課題選用的硬件平臺對選用的關(guān)鍵算法進(jìn)行了實現(xiàn)與集成,并從地圖構(gòu)建、自主導(dǎo)航、目標(biāo)行人跟隨三個方面進(jìn)行了系統(tǒng)實驗,驗證了本文提出的方法的可行性。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP242;TN958.98
【圖文】：

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 室內(nèi)移動機器人研究現(xiàn)狀近年來，以倉儲、家庭服務(wù)為應(yīng)用背景的室內(nèi)移動機器人研究得到了世界各國政府和科研人員的重視，大量的明星機器人公司誕生，大量的機器人產(chǎn)品被開發(fā)出來。其中以美國的 willow Garage 公司開發(fā)的PR2 以及 TurtleBot 移動機器人平臺最為出名，他們都是在是機器人歷史上不可磨滅的明星產(chǎn)品，如圖 1-1、圖 1-2 所示。無數(shù)科研人員針對 PR2 開發(fā)了大量的應(yīng)用程序，其中包括讓機器人完成送餐、倒茶、疊放衣物、洗碗等多種家務(wù)勞動的程序開發(fā)包[1]。而 TurtleBot 則成為了科研領(lǐng)域的寵兒，很多算法都用其來進(jìn)行驗證和測試[2]。并且 willow Garage 公司大力推動了機器人操作系統(tǒng)（RobotOperation System，簡稱 ROS）的發(fā)展[3]，基于這個免費且開源的機器人操作系統(tǒng)，開發(fā)者就可以從繁重的底層技術(shù)開發(fā)任務(wù)中抽出身來，把技術(shù)研發(fā)的重點放到具體場景和具體任務(wù)的實現(xiàn)上，從而形成更加快速的技術(shù)更新和迭代，推動機器人行業(yè)穩(wěn)步前進(jìn)。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 室內(nèi)移動機器人研究現(xiàn)狀近年來，以倉儲、家庭服務(wù)為應(yīng)用背景的室內(nèi)移動機器人研究得到了世界各國政府和科研人員的重視，大量的明星機器人公司誕生，大量的機器人產(chǎn)品被開發(fā)出來。其中以美國的 willow Garage 公司開發(fā)的PR2 以及 TurtleBot 移動機器人平臺最為出名，他們都是在是機器人歷史上不可磨滅的明星產(chǎn)品，如圖 1-1、圖 1-2 所示。無數(shù)科研人員針對 PR2 開發(fā)了大量的應(yīng)用程序，其中包括讓機器人完成送餐、倒茶、疊放衣物、洗碗等多種家務(wù)勞動的程序開發(fā)包[1]。而 TurtleBot 則成為了科研領(lǐng)域的寵兒，很多算法都用其來進(jìn)行驗證和測試[2]。并且 willow Garage 公司大力推動了機器人操作系統(tǒng)（RobotOperation System，簡稱 ROS）的發(fā)展[3]，基于這個免費且開源的機器人操作系統(tǒng)，開發(fā)者就可以從繁重的底層技術(shù)開發(fā)任務(wù)中抽出身來，把技術(shù)研發(fā)的重點放到具體場景和具體任務(wù)的實現(xiàn)上，從而形成更加快速的技術(shù)更新和迭代，推動機器人行業(yè)穩(wěn)步前進(jìn)。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 室內(nèi)移動機器人研究現(xiàn)狀近年來，以倉儲、家庭服務(wù)為應(yīng)用背景的室內(nèi)移動機器人研究得到了世界各國政府和科研人員的重視，大量的明星機器人公司誕生，大量的機器人產(chǎn)品被開發(fā)出來。其中以美國的 willow Garage 公司開發(fā)的PR2 以及 TurtleBot 移動機器人平臺最為出名，他們都是在是機器人歷史上不可磨滅的明星產(chǎn)品，如圖 1-1、圖 1-2 所示。無數(shù)科研人員針對 PR2 開發(fā)了大量的應(yīng)用程序，其中包括讓機器人完成送餐、倒茶、疊放衣物、洗碗等多種家務(wù)勞動的程序開發(fā)包[1]。而 TurtleBot 則成為了科研領(lǐng)域的寵兒，很多算法都用其來進(jìn)行驗證和測試[2]。并且 willow Garage 公司大力推動了機器人操作系統(tǒng)（RobotOperation System，簡稱 ROS）的發(fā)展[3]，基于這個免費且開源的機器人操作系統(tǒng)，開發(fā)者就可以從繁重的底層技術(shù)開發(fā)任務(wù)中抽出身來，把技術(shù)研發(fā)的重點放到具體場景和具體任務(wù)的實現(xiàn)上，從而形成更加快速的技術(shù)更新和迭代，推動機器人行業(yè)穩(wěn)步前進(jìn)。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2770886