基于地形特征的移動機器人定位制圖及可穿越性的研究.pdf

1、戶外移動機器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于星球探索、災(zāi)后救援以及礦井作業(yè)等人類不能到達或者有一定危險性的場合。由于這些戶外環(huán)境都要求移動機器人運行在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化的地形地貌上，所以在戶外復(fù)雜的地形上實現(xiàn)移動機器人的三維定位，并通過感知環(huán)境信息創(chuàng)建豐富的地圖用于指導(dǎo)移動機器人的運動規(guī)劃成為移動機器人領(lǐng)域的關(guān)鍵問題之一。為了用最小系統(tǒng)來解決以上的關(guān)鍵問題，本文對戶外移動機器人的自主定位、環(huán)境地圖的創(chuàng)建及地形可穿越性進行了深入系統(tǒng)的研究。
　　傳統(tǒng)的

2、戶外移動機器人的定位方法是利用激光掃描儀、視覺系統(tǒng)、聲納等傳感器來檢測環(huán)境的特征進而實現(xiàn)機器人的定位，而在戶外非結(jié)構(gòu)的環(huán)境下特征不容易被提取。針對這個問題，論文提出了一種基于地形傾斜度特征的移動機器人定位的新方法，該方法僅僅利用機器人本體傳感器的數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)當(dāng)GPS信號減弱或者中斷時的戶外移動機器人沿途自主定位。假設(shè)可以事先獲取到移動機器人工作區(qū)域的地形圖，并通過該地形圖沿著已規(guī)劃好的路徑提取機器人-地形傾斜度模型（Robot-Ter

3、rain Inclination model，簡稱RT I模型），該模型描述了移動機器人在已知路徑上移動過程中的姿態(tài)與位置的關(guān)系。然后將提取出來的RT I模型作為測量模型，通過粒子濾波算法融合機器人的運動與觀測信息，實現(xiàn)移動機器人的沿途定位。實驗結(jié)果表明，當(dāng)移動機器人運行在戶外復(fù)雜的地形下，基于地形特征定位算法具有很強的魯棒性并且在較長的運動距離下能夠達到理想的定位效果。
　　針對戶外未知環(huán)境，即機器人無法事先獲取工作環(huán)境的地形圖

4、，論文將上述的基于地形傾斜度特征的定位方法與傳統(tǒng)的最鄰近點匹配算法（ICP matching）相結(jié)合，提出了一種既能實現(xiàn)移動機器人準(zhǔn)確的位置估計和地圖創(chuàng)建，又能節(jié)省時間的新型戶外移動機器人的定位與制圖方法（Terrain Inclination Aided3D Localization and Mapping，簡稱TILAM）。當(dāng)移動機器人在兩個掃描點間移動時，利用在第一個掃描點掃描到的環(huán)境信息提取局部的RT I模型，將該模型用于實現(xiàn)在

5、兩個掃描點間的實時定位。當(dāng)移動機器人到達第二個掃描點時，將上一段末機器人的定位結(jié)果作為機器人運動到下一個掃描點時所處位置的初始估計。然后利用ICP匹配算法匹配前后兩次掃描到的非地面點云圖來更新機器人的位置，從而更新機器人的環(huán)境地圖。隨著機器人的移動，最終創(chuàng)建出機器人整個工作區(qū)域的環(huán)境地圖。實驗結(jié)果表明，該方法能夠在減少時間損耗的基礎(chǔ)上實現(xiàn)準(zhǔn)確的機器人定位和環(huán)境地圖創(chuàng)建，對大范圍的戶外應(yīng)用有著重要的意義。
　　當(dāng)移動機器人運動在戶外

6、復(fù)雜的地形上時，機器人需要具備實時判斷穿越當(dāng)前地形的難易程度以便進行有效的運動控制。論文利用在線獲取與地形可穿越能力密切相關(guān)的地表滑移特性的方法，并將該滑移特性與傳統(tǒng)的幾何特征結(jié)合起來，提出了一種新的在線估計移動機器人所處地形可穿越性的方法。該方法通過機器人本體上的編碼器和慣性測量單元，利用擴展卡爾曼濾波準(zhǔn)確估計出機器人行走時獲得地面提供的牽引力，得出牽引力與滑移率的曲線，然后在線獲取這些曲線的特征參數(shù)，包括地面能提供的最大牽引力。最終

7、根據(jù)地面能提供的最大牽引力和地形坡度兩個因素，利用貝葉斯分類器估計出當(dāng)前地形的可穿越指數(shù)，從而實現(xiàn)對地形可穿越性的定量估計。實驗結(jié)果表明，該方法能夠在線獲取機器人所在地面的地表滑移特征參數(shù)，并能根據(jù)該特征參數(shù)正確估計地形的可穿越指數(shù)。
　　論文最后通過戶外環(huán)境的綜合實驗驗證了在同一框架下，所提出的移動機器人定位、環(huán)境地圖創(chuàng)建及地形可穿越性估計算法的準(zhǔn)確性及相互間的協(xié)作實現(xiàn)的可能性。綜上所述，論文為戶外移動機器人系統(tǒng)提供一種新的自主