發(fā)布時(shí)間：2020-06-13 07:18

【摘要】：隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)步發(fā)展,無(wú)人系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于車(chē)間工廠,新型智能移動(dòng)機(jī)器人也將逐漸出現(xiàn)在人們的生活之中。即時(shí)定位與建圖(Simultaneous Localization And Mapping,SLAM)技術(shù),是無(wú)人系統(tǒng)自主定位與導(dǎo)航的核心技術(shù)。目前單純的使用激光雷達(dá)或者是視覺(jué)慣性系統(tǒng)(Visual Inertial Odometry,VIO)進(jìn)行定位與建圖都存在受環(huán)境限制的問(wèn)題。本文以此為背景,使用三傳感器融合的方式,進(jìn)行機(jī)器人的自主定位研究。首先,由于雷達(dá)快速運(yùn)動(dòng)下存在運(yùn)動(dòng)畸變,本文對(duì)現(xiàn)有的雷達(dá)與慣性測(cè)量單元(Inertial Measurement Unit,IMU)的融合方法進(jìn)行了改進(jìn),采用單線激光雷達(dá)與IMU緊耦合的方式對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行扭曲校正。這有效地校正了點(diǎn)云運(yùn)動(dòng)畸變,使得雷達(dá)在數(shù)據(jù)匹配上更加準(zhǔn)確,從而提高了系統(tǒng)的定位精度。另外,針對(duì)結(jié)構(gòu)化場(chǎng)景特征約束不足以及視覺(jué)紋理缺失造成的里程計(jì)漂移的問(wèn)題,本文將單目相機(jī)與單線激光雷達(dá)數(shù)據(jù)融合,使用單線激光雷達(dá)建立深度圖恢復(fù)出視覺(jué)特征點(diǎn)深度,求解視覺(jué)里程計(jì)作為雷達(dá)點(diǎn)云姿態(tài)的先驗(yàn)估計(jì)。這種融合視覺(jué)輔助定位的方式,彌補(bǔ)了不同傳感器之間的缺陷,解決了部分場(chǎng)景下傳感器使用受限的問(wèn)題,有效的提高了定位系統(tǒng)的魯棒性。本文首先對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)以及底層數(shù)據(jù)融合進(jìn)行了介紹,包括底層雷達(dá)云臺(tái)的設(shè)計(jì),傳感器之間外參數(shù)的標(biāo)定原理。在硬件的基礎(chǔ)之上,介紹了雷達(dá)特征提取、匹配、緊耦合求解里程計(jì)的過(guò)程,闡述了視覺(jué)與雷達(dá)融合、視覺(jué)里程計(jì)的基本算法,最后描述了地圖建立的過(guò)程。最后,在校園室內(nèi)外場(chǎng)景下,使用傳感器進(jìn)行實(shí)地測(cè)試對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證,在機(jī)器人操作系統(tǒng)(Robot Operating System,ROS)上,使用可視化工具對(duì)定位和建圖結(jié)果進(jìn)行顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該算法較之前的激光雷達(dá)定位算法性能有所提升,在定位精度和建圖效果上有所改善。
【圖文】：

義世界坐標(biāo)系為｛Ｗ｝系，世界坐標(biāo)系原點(diǎn)與傳感器初始位置重合，定義局部坐標(biāo)為逡逑｛Ｓ｝系，局部坐標(biāo)系有兩個(gè)，相機(jī)坐標(biāo)系與雷達(dá)坐標(biāo)系，相機(jī)坐標(biāo)系與雷達(dá)坐標(biāo)系逡逑之間通過(guò)外參數(shù)可以相互轉(zhuǎn)換。下圖２－１顯示了定義的坐標(biāo)系統(tǒng)。逡逑ｒ逡逑Ｙ逡逑＾｜ｚ逡逑ｗ逡逑雷達(dá)坐標(biāo)系邐ＩＭＵ坐標(biāo)系逡逑圖２－１坐標(biāo)系統(tǒng)逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－１邋Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑２．１．１硬件器材逡逑本小結(jié)對(duì)系統(tǒng)的硬件器材進(jìn)行介紹，主要包括：ＳＴＭ３２單片機(jī)，單線激光雷逡逑達(dá)，單目相機(jī)，慣性器件與數(shù)字舵機(jī)。逡逑單線激光雷達(dá)：型號(hào)為日本北陽(yáng)株式ＵＴＭ－３０ＬＸ激光雷達(dá)，室內(nèi)外皆可使用。逡逑激光雷達(dá)內(nèi)部含有一個(gè)激光發(fā)射探頭，使用機(jī)械裝置帶動(dòng)探頭旋轉(zhuǎn)，通過(guò)測(cè)量激光逡逑發(fā)射接收的光束相位差計(jì)算出物體的距離。本型號(hào)雷達(dá)發(fā)射激光波長(zhǎng)８７０ｍｎ，最大逡逑測(cè)量范圍６０ｍ，測(cè)量角度可變，最大角度２７０度，角度分辨率０．２５度，測(cè)量頻率逡逑９逡逑

逑４０ＨＺ，每２５ｍｓ采集測(cè)量點(diǎn)數(shù)最多達(dá)１０８０個(gè)，采用ＵＳＢ通信接口。激光雷達(dá)實(shí)物逡逑圖如下圖２－２所示。逡逑ｌｌｌｌ—１ｌ邋ｆ逡逑圖２－２北陽(yáng)激光雷達(dá)逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－２邋Ｈｏｋｕｙｏ邋ｌｉｄａｒ逡逑ＳＴＭ３２單片機(jī)：型號(hào)為ＳＴＭ３２Ｆ１０３，基于ＡＲＭ內(nèi)核的３２位微處理器，擁有逡逑ＵＳＢ、ＣＡＮ總線等外部設(shè)備，有１１個(gè)定時(shí)器和３路ＡＤ轉(zhuǎn)換芯片。逡逑數(shù)字舵機(jī)：?jiǎn)慰偩€回讀數(shù)字舵機(jī)，具備角度讀取的功能，，可以得到舵機(jī)的實(shí)時(shí)逡逑旋轉(zhuǎn)角度，多種工作模式切換，舵機(jī)內(nèi)部自帶一塊主控芯片，內(nèi)部己經(jīng)集成ＰＷＭ逡逑的控制，只需要單片機(jī)發(fā)送對(duì)應(yīng)指令，即可實(shí)現(xiàn)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)控制與角度查詢(xún)功能。扭逡逑力１５ｋｇ／ｃｍ，供電范圍４．８－８．４Ｖ，單總線通訊波特率１１５２００，舵機(jī)之間可以通過(guò)總逡逑線串聯(lián)，蛇機(jī)與單片機(jī)可以迪過(guò)串口進(jìn)行通丨目。實(shí)物圖如２－３所不。逡逑｜ｎｉ逡逑圖２－３數(shù)字舵機(jī)逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－３邋Ｄｉｇｉｔａｌ邋ｓｅｒｖｏ逡逑單目相機(jī)：型號(hào)ＰＯＩＮＴＧＲＡＹ－ＢＦＬＹ－Ｕ３－０３Ｓ２Ｃ－ＣＳ
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TP242

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本文編號(hào)：2710835