近年來室內(nèi)機器人的應(yīng)用需求快速增長,對機器人的未知環(huán)境探索能力和自身定位與移動的能力提出了新的要求。另外,機器人平臺和機器人應(yīng)用的多樣性要求機器人系統(tǒng)的設(shè)計擁有較高的平臺兼容能力、可移植性和可擴展性。本文基于室內(nèi)機器人探索未知環(huán)境和自主導(dǎo)航與巡邏的實際需求,在機器人操作系統(tǒng)ROS的框架下設(shè)計和實現(xiàn)了室內(nèi)機器人自主巡航系統(tǒng),能夠完整地解決機器人在室內(nèi)環(huán)境下的探測與導(dǎo)航以及新應(yīng)用快速接入的問題。該系統(tǒng)主要分為全局收益POMDP主動SLAM算法模塊和巡邏與控制模塊兩個部分。論文首先介紹了主動SLAM算法和ROS框架的歷史背景和發(fā)展現(xiàn)狀,并且詳細闡述了基于粒子濾波的SLAM算法原理和既有的主動SLAM算法思想。在此基礎(chǔ)上,本文以部分可觀測的馬爾可夫決策過程POMDP為整體框架設(shè)計了主動SLAM算法,在價值函數(shù)中加入基于邊界的潛在探索收益解決傳統(tǒng)方法缺少全局性的問題,并在統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上提出了啟發(fā)式近似求解算法提高計算效率。接著本文設(shè)計了基于ROS的室內(nèi)機器人巡邏與控制系統(tǒng),首先在動態(tài)窗口法的基礎(chǔ)上提出了改進的導(dǎo)航控制規(guī)劃算法,接著設(shè)計了離散Voronoi圖算法從占用柵格地圖中提取出拓撲結(jié)構(gòu),以... 

【文章來源】：東南大學(xué)江蘇省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：84 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 研究背景與意義
    1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 主動SLAM研究現(xiàn)狀
        1.2.2 路徑規(guī)劃與控制研究現(xiàn)狀
        1.2.3 ROS研究現(xiàn)狀
    1.3 論文研究內(nèi)容及設(shè)計指標
    1.4 論文組織結(jié)構(gòu)
第二章 ROS框架與SLAM基礎(chǔ)理論
    2.1 ROS框架
        2.1.1 ROS中的基本概念
        2.1.2 ROS通信框架
        2.1.3 ROS實用模塊
    2.2 SLAM基礎(chǔ)理論
        2.2.1 SLAM算法的分類
        2.2.2 基于柵格地圖的粒子濾波SLAM
    2.3 現(xiàn)有主動SLAM方案
        2.3.1 基于邊界的主動SLAM
        2.3.2 基于POMDP的主動SLAM
    2.4 本章小結(jié)
第三章 全局收益POMDP算法設(shè)計與實現(xiàn)
    3.1 立即價值函數(shù)設(shè)計
        3.1.1 基于信息熵的價值函數(shù)
        3.1.2 未知環(huán)境探索收益
        3.1.3 已知區(qū)域的挖掘收益
        3.1.4 完整的立即價值函數(shù)
        3.1.5 全局收益價值函數(shù)有效性證明
    3.2 POMDP近似求解
        3.2.1 POMDP的蒙特卡洛近似求解
        3.2.2 啟發(fā)式POMDP近似求解
    3.3 POMDP基本模型設(shè)計
        3.3.1 置信狀態(tài)更新
        3.3.2 觀測模型與狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)
    3.4 基于ROS的算法實現(xiàn)
        3.4.1 運動控制
        3.4.2 置信狀態(tài)的表示與操作
    3.5 本章小結(jié)
第四章 基于ROS的室內(nèi)巡航系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
    4.1 已知環(huán)境下的運動控制
        4.1.1 動態(tài)窗口法
        4.1.2 改進的動態(tài)窗口法
    4.2 已知地圖全覆蓋路徑規(guī)劃
        4.2.1 Voronoi圖
        4.2.2 快速離散Voronoi圖計算
        4.2.3 離散Voronoi圖的拓撲地圖提取
        4.2.4 地圖全覆蓋路徑規(guī)劃
    4.3 預(yù)設(shè)巡邏系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
        4.3.1 坐標名稱標記
        4.3.2 自定義巡邏路線
    4.4 擴展接口與客戶端控制
        4.4.1 本地擴展接口設(shè)計
        4.4.2 局域網(wǎng)客戶端控制
        4.4.3 互聯(lián)網(wǎng)客戶端控制
    4.5 本章小結(jié)
第五章 系統(tǒng)功能測試與性能分析
    5.1 測試環(huán)境介紹
        5.1.1 仿真測試環(huán)境
        5.1.2 真實測試環(huán)境
    5.2 系統(tǒng)功能測試
        5.2.1 搜索樹深度的選擇
        5.2.2 全局收益POMDP算法測試
        5.2.3 拓撲圖提取測試
        5.2.4 自主巡邏模塊測試
        5.2.5 預(yù)設(shè)巡邏模塊測試
        5.2.6 擴展接口測試
    5.3 算法性能測試與分析
        5.3.1 主動SLAM算法的評價指標
        5.3.2 主動SLAM算法性能測試與比較
        5.3.3 改進的動態(tài)窗口法測試
    5.4 本章小結(jié)
第六章 總結(jié)與展望
    6.1 總結(jié)
    6.2 展望
致謝
參考文獻
作者簡介


【參考文獻】：
期刊論文
[1]無人駕駛車輛自動避障路徑規(guī)劃仿真研究[J]. 劉博,羅霞,朱健.  計算機仿真. 2018(02)
[2]智能機械全覆蓋路徑規(guī)劃算法綜述[J]. 徐博,徐旻,陳立平,譚彧.  計算機測量與控制. 2016(10)
[3]一種移動機器人動態(tài)環(huán)境下的路徑規(guī)劃[J]. 唐建平,宋紅生,王東署.  鄭州大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版). 2012(01)
[4]不確定動態(tài)環(huán)境下移動機器人的完全遍歷路徑規(guī)劃[J]. 邱雪娜,劉士榮,宋加濤,Simon X.YANG.  機器人. 2006(06)
[5]基于模糊人工勢場的移動機器人路徑規(guī)劃[J]. 黃炳強,曹廣益.  上海理工大學(xué)學(xué)報. 2006(04)

碩士論文
[1]POMDP近似算法的研究與設(shè)計[D]. 劉冰冰.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2017



本文編號：3169334