【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）未知環(huán)境下基于SLAM的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航算法研究-機(jī)械制造及自動(dòng)化

（申請(qǐng)工學(xué)碩士學(xué)位論文） 未知環(huán)境下基于 機(jī)器人導(dǎo)航算法研究 培 養(yǎng) 單 位 ： 物 流 工 程 學(xué) 院 學(xué) 科 專 業(yè) ： 機(jī) 械 制 造 及 自 動(dòng) 化 研 究 生： 指 導(dǎo) 教 師 ： 教授 2006 年 5 月 分類號(hào) 密 級(jí) 學(xué)校代碼 10497 學(xué) 位 論 文 中文題目： 未知環(huán)境下基于 移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航算法研究 英文題目： A to 研究生姓名： 指導(dǎo)教師：姓名 職稱 教授 學(xué)位 博士 單位名稱 物流工程學(xué)院 郵編 430063 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別 碩 士 學(xué)科專業(yè)名稱 機(jī)械制造及自動(dòng)化 論文提交日期 論文答辯日期 學(xué)位授予單位 武漢理工大學(xué) 學(xué)位授予日期 答辯委員會(huì)主席 評(píng)閱人 2006 年 5 月 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 - I - - - 摘 要 智能 移動(dòng)機(jī)器人是一種在復(fù)雜的環(huán)境下工作的具有自規(guī)劃、自組織、自適應(yīng)能力的機(jī)器人 。 導(dǎo)航算法的研究是智能機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)話題。智能導(dǎo)航的目的就是在 沒(méi)有人干預(yù)下使機(jī)器人有目的地移動(dòng)并完成特定任務(wù)，進(jìn)行特定操作 。 本文旨在 結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金和湖北省青年杰出人才基金項(xiàng)目的需求， 研究移動(dòng)機(jī)器人同時(shí)定位與制圖（ 題，并在此基礎(chǔ)上，研究機(jī)器人導(dǎo)航算法，使得機(jī)器人在完全未知結(jié)構(gòu)化環(huán)境中實(shí)現(xiàn)“完全自主”。 文章首 先回顧了導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，對(duì)導(dǎo)航技術(shù)中的核心問(wèn)題：定位與制圖進(jìn)行了詳細(xì)分析，指出了機(jī)器人定位與制圖研究中存在的問(wèn)題，包括制圖復(fù)雜度、數(shù)據(jù)匹配難度以及定位制圖關(guān)聯(lián)度等；在此基礎(chǔ)上引出了本研究的重點(diǎn)：移動(dòng)機(jī)器人同時(shí)定位與制圖（ 法，并對(duì)其算法構(gòu)架、屬性、以及分類等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了介紹。針對(duì)基于點(diǎn)特征的同時(shí)定位與制圖算法中存在的計(jì)算復(fù)雜度與信息豐富度之間的矛盾，本文提出了一種基于線特征的同時(shí)定位與制圖算法。文章對(duì)基于線特征的 法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，給出了包括機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型、觀測(cè)模型的建立、數(shù)據(jù)匹配、狀 態(tài)更新、地圖建立、地圖管理等方面的相關(guān)公式；并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)了本算法的正確性與可靠性。 針對(duì)導(dǎo)航算法中對(duì)路徑規(guī)劃的要求，本研究中著重考慮了機(jī)器人的局部規(guī)劃即：避障；并對(duì)避障算法 行了剖析。根據(jù) 法與法的特點(diǎn)，將二者相結(jié)合，形成了一種新的機(jī)器人導(dǎo)航算法。該導(dǎo)航算法較基于 導(dǎo)航算法而言，使用范圍更廣，導(dǎo)航效果更佳。 關(guān)鍵詞： 導(dǎo)航，同時(shí)定位與制圖， 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 - - - a of to in of is a in on of is to do of to a on to in in is on of in so As is a of a is in as in To of in we We an in in is in we to a 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 - - - 目 錄 第 1 章 緒 論 1 題研究的目的與意義 1 題研究的內(nèi)容 2 文組織結(jié)構(gòu) 2 第 2 章 移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù) 4 器人導(dǎo)航概述 4 動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航方式 4 動(dòng)機(jī)器人的定位問(wèn)題 6 動(dòng)機(jī)器人的制圖問(wèn)題 7 圖的類型 7 器人制圖存在的問(wèn)題 8 時(shí)定位與制圖問(wèn)題 9 章小結(jié) 10 第 3 章 同時(shí)定位與制圖（ 法 11 時(shí)定位與制圖算法介紹 11 法性質(zhì) 11 法分類 12 于特征 法構(gòu)架簡(jiǎn)介 14 感器的選擇及特征提取 15 感器選擇 15 征提取 17 音模型建立 17 波技術(shù)簡(jiǎn)介 17 爾曼濾波簡(jiǎn)介 18 性卡爾曼濾波簡(jiǎn)介 19 展卡爾曼濾波（ 介 21 章小結(jié) 22 第 4 章 一種基于線特征 法研究 24 程模型建立 24 測(cè)模型的建立 26 法的實(shí)施 26 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 - - - 器人運(yùn)動(dòng)初始化 26 據(jù)匹配 27 態(tài)更新 30 信息處理 31 圖管理 33 法仿真 33 真環(huán)境的創(chuàng)建 33 法示例 35 章小結(jié) 38 第 5 章 機(jī)器人避障算法 39 見(jiàn)的避障算法介紹 39 障算法介紹 40 V （ 的確定 40 法闡述 42 算法闡述 44 法仿真 48 真環(huán)境的創(chuàng)建 48 真結(jié)果說(shuō)明 50 章小結(jié) 52 第 6 章 基于 導(dǎo)航算法 53 于 導(dǎo)航算法介紹 53 于 導(dǎo)航算法特點(diǎn) 54 航新算法的 仿真 55 章小結(jié) 56 第 7 章 全文總結(jié)及展望 57 文總結(jié) 57 文主要貢獻(xiàn) 58 來(lái)研究方向 58 參考文獻(xiàn) 59 致 謝 63 作者攻讀碩士期間參與項(xiàng)目及發(fā)表的論文 64 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 - 1 - - - 第 1 章 緒 論 機(jī)器人的誕生和機(jī)器人學(xué)的建立和發(fā)展是 20 世紀(jì)自動(dòng)控制最具說(shuō)服力的成就，是 20 世界人類科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的重大成果，而作為機(jī)器人中重要分支之一的移動(dòng)機(jī)器人更是給人們帶來(lái)了無(wú)限的驚喜。移動(dòng)機(jī)器人的研究始于 20 世紀(jì) 60年 代末期。斯坦福研究所（ 人，在1966 年至 1972 年中研制出了取名 自主移動(dòng)機(jī)器人，其目的是研究、應(yīng)用人工智能技術(shù)以及在復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制； 20世紀(jì) 70 年代末，隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和傳感器技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人研究又出現(xiàn)了新的高潮； 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)，高適應(yīng)性的移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù) 、 真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開(kāi)展了移動(dòng)機(jī)器人更高層次的研究 1。目前，移動(dòng)機(jī)器人正向著 具有自組織、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的智能化方向發(fā)展，導(dǎo)航能力的高低是移動(dòng)機(jī)器人智能化水平的重要體現(xiàn)。隨著移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的日益增加，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航研究不斷提出新的課題，使移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航研究不斷深入和發(fā)展 234。 題研究的目的與意義 智能 移動(dòng)機(jī)器人是一種在復(fù)雜的環(huán)境下工作的具有自規(guī)劃、自組織、自適應(yīng)能力的機(jī)器人。 智能 導(dǎo)航研究的目標(biāo)就是在沒(méi)有人干預(yù)下使機(jī)器人有目的地移動(dòng)并完成特定任務(wù)，進(jìn)行特定操作。機(jī)器人通過(guò)裝配的信息獲取 設(shè)備來(lái) 獲得外部環(huán)境信息，判定自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自我定位，規(guī)劃并執(zhí)行下一步動(dòng)作 。 在移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航控制理論和方法研究中，確定性環(huán)境的導(dǎo)航控制方法已經(jīng)取得了大量的研究和應(yīng)用成果。對(duì)未知環(huán)境中的導(dǎo)航控制也開(kāi)展了一些研究，并提出了若干方法，但是尚未形成統(tǒng)一和完善的體系結(jié)構(gòu)，還有許多關(guān)鍵理論和技術(shù)問(wèn)題有待解決與完善。這些問(wèn)題包括環(huán)境的建模、定位、導(dǎo)航控制器的學(xué)習(xí)與優(yōu)化、故障診斷以及路徑規(guī)劃等。未知環(huán)境中的移動(dòng)機(jī)器人只具有較少的先驗(yàn)知識(shí)，其導(dǎo)航控制方法涉及環(huán)境認(rèn)知、優(yōu)化策略、知識(shí)表示與獲取等多 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 - 2 - - - 項(xiàng)關(guān)鍵問(wèn)題。對(duì)移動(dòng)機(jī)器人在未知環(huán)境中導(dǎo)航理論和方法的研究，將推動(dòng)認(rèn)知科學(xué)、模式識(shí)別、非線性控制等前 沿學(xué)科的研究，帶動(dòng)航天、海洋、軍事、建筑、交通、工業(yè)和服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航控制系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)，為無(wú)人勘探車、無(wú)人排險(xiǎn)車和無(wú)人運(yùn)輸車等用于航天、軍事、深海作業(yè)和核工業(yè)領(lǐng)域的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。具體來(lái)看比如：在民用方面，可以將其用于物流自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)中的 車，以提高物流自動(dòng)化程度；在軍事方面，可以有助于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能偵察與作戰(zhàn)等。 . 題研究的內(nèi)容 本課題在 國(guó)家自然科學(xué)基金（ 60475031）和湖北省青年杰出人才基金項(xiàng)目（ 2005資助下，研究在 未知環(huán)境中 ，移動(dòng)機(jī)器人自主的建立環(huán)境地圖并根據(jù)該地圖實(shí)現(xiàn)定位、避障與導(dǎo)航的算法。 主要針對(duì)靜態(tài)的、結(jié)構(gòu)化的未知環(huán)境進(jìn)行研究。研究的主要內(nèi)容包括以下幾方面： （ 1） 避障策略的擬訂； 機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)之前都應(yīng)進(jìn)行障礙物檢測(cè)，合理的避障算法對(duì)于成功的導(dǎo)航而言顯得尤為重要。本研究中將對(duì)避障算法 行分析與應(yīng)用。 （ 2） 定位方法的設(shè)計(jì)； 本文主要研究的是移動(dòng)機(jī)器人在自身位置信息與環(huán)境信息均不確定的情況下，通過(guò)傳感器了解環(huán)境來(lái)自我定位，同時(shí)根據(jù)自身位置信息繪制環(huán)境地圖，并根據(jù)該地圖實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航目的。 因此，本論文將采用同時(shí)定位與制圖（ 法對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定位。論文將會(huì)對(duì)本研究中提出的基于線特征 法進(jìn)行詳細(xì)的剖析。 （ 3） 導(dǎo)航新算法的提出； 在研究避障算法 及定位算法 基礎(chǔ)上，找出兩者結(jié)合的可能性以及優(yōu)越性，構(gòu)造新的導(dǎo)航算法。 文組織結(jié)構(gòu) 由于機(jī)器人自主導(dǎo)航的最重要內(nèi)容就是機(jī)器人的定位問(wèn)題，所以本文的研究 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 - 3 - - - 工作也就圍繞機(jī)器人的自主定位進(jìn)行。在綜述國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，深入研究了基于線特征的機(jī)器人同時(shí)定位與制圖算法；詳細(xì)介紹了避障算法 并將兩者結(jié)合構(gòu)造了一種 新的導(dǎo)航算法。論文主要分為七章： 第一章為緒論，主要介紹了本論文所研究的目的與意義以及研究的主要內(nèi)容及要處理的關(guān)鍵問(wèn)題；并對(duì)論文的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行概括說(shuō)明。 第二章中主要對(duì)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行了概述，包括移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航方式以及機(jī)器人導(dǎo)航中的兩個(gè)主要問(wèn)題：機(jī)器人定位與制圖；并追蹤概述了相關(guān)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。 第三章對(duì)移動(dòng)機(jī)器人同時(shí)定位與制圖（ 法，特別是基于特征的法進(jìn)行了詳細(xì)的剖析，包括算法的屬性、分類，構(gòu)架等。 第四章介紹了本研究中提出的一種基于線特征的 算法，詳細(xì) 分析了實(shí)現(xiàn)算法所需要的各個(gè)步驟；并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該新算法的正確性與可靠性。 第五章對(duì)主要研究了機(jī)器人避障算法 及 包括：算法的構(gòu)架以及實(shí)現(xiàn)算法的各個(gè)步驟等；并對(duì)算法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。 在第六章中，首先介紹了同時(shí)定位與制圖算法與避障算法 合、產(chǎn)生新導(dǎo)航算法的可能性以及新算法的優(yōu)越性；然后在對(duì)導(dǎo)航新算法進(jìn)行說(shuō)明的同時(shí)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)了其正確性與魯棒性。 第七章為全文的總結(jié)以及對(duì)今后工作的展望。 文章結(jié)構(gòu)框架如圖 1示。其中星號(hào)標(biāo)示處為本研究的創(chuàng)新點(diǎn)。 圖 1文結(jié)構(gòu)框架 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 - 4 - - - 第 2 章 移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù) 器人導(dǎo)航概述 智能移動(dòng)機(jī)器人是一類能夠通過(guò)傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中向目標(biāo)自主的運(yùn)動(dòng)，從而完成一定作業(yè)功能的機(jī)器人系統(tǒng)。而目前智能的導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)成為移動(dòng)機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。智能導(dǎo)航要解決三方面的問(wèn)題 5： （ 1）選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅飨到y(tǒng)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人所處的環(huán)境進(jìn)行認(rèn)識(shí)； （ 2）通過(guò)一定的檢測(cè)手段獲取移動(dòng)機(jī)器人在空間中的位置、方向以及所處的環(huán)境的信息； （ 3）用一定的算法對(duì)所獲取的 信息進(jìn)行處理并建立環(huán)境的模型，尋求一條最優(yōu)或近似最優(yōu)的無(wú)碰撞路徑，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人安全移動(dòng)的路徑規(guī)劃。 當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人在未知或不確定環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，必須通過(guò)傳感器來(lái)采集環(huán)境信息，并通過(guò)一定算法把傳感器收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、融合，用來(lái)建立外部環(huán)境的模型，正確、全面的反映出外部環(huán)境的特征，為導(dǎo)航?jīng)Q策提供正確的依據(jù)。 動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航方式 在機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)中首先要解決的問(wèn)題是采用什么樣的導(dǎo)航方式，即采用什么樣的傳感器系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行感知，并指導(dǎo)機(jī)器人的后續(xù)動(dòng)作。常見(jiàn)的機(jī)器人導(dǎo)航方式有 5：電磁導(dǎo)航、光 反射導(dǎo)航、環(huán)境地圖模型匹配導(dǎo)航、路標(biāo)導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航、基于傳感器數(shù)據(jù)的導(dǎo)航以及衛(wèi)星導(dǎo)航等。 電磁導(dǎo)航也稱地下埋線導(dǎo)航，這種導(dǎo)航方式是 20 世紀(jì) 50 年代美國(guó)開(kāi)發(fā)的，到 20 世紀(jì) 70 年代這種導(dǎo)航方式迅速發(fā)展并開(kāi)始運(yùn)用于柔性生產(chǎn)。其原理是在路徑上連續(xù)的埋設(shè)多條引導(dǎo)電纜，分別流過(guò)不同頻率的電流，通過(guò)感應(yīng)線圈對(duì)電流的檢測(cè)來(lái)獲得感知信息。該技術(shù)簡(jiǎn)單實(shí)用，但是成本高、改造和維護(hù)困難。 光反射導(dǎo)航的原理是在路徑上連續(xù)的鋪設(shè)光反射條，是一種簡(jiǎn)單、價(jià)格便 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 - 5 - - - 宜的導(dǎo)航系統(tǒng)，同電磁導(dǎo)航一樣，該技術(shù)也相當(dāng)?shù)某墒欤壳皣?guó)內(nèi)制造行業(yè)使用的移動(dòng)機(jī) 器人大多是基于這兩種導(dǎo)航方式的，但是它們應(yīng)用范圍比較窄，不適合在動(dòng)態(tài)、變換工作環(huán)境下的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航。 環(huán)境地圖模型匹配導(dǎo)航是機(jī)器人通過(guò)自身的各種傳感器探測(cè)周圍環(huán)境，利用感知到的局部環(huán)境信息進(jìn)行局部的地圖構(gòu)造，并與其內(nèi)部事先存儲(chǔ)的完整地圖進(jìn)行匹配。通過(guò)匹配，機(jī)器人可確定自身的位置，并根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的一條全局路線，采用路徑跟蹤和相關(guān)避障技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。 路標(biāo)導(dǎo)航是指：路標(biāo)在環(huán)境中的坐標(biāo)、形狀等特征已知的前提下，機(jī)器人通過(guò)對(duì)路標(biāo)的探測(cè)來(lái)確定自身的位置，同時(shí)將全局路線分解成為路標(biāo)與路標(biāo)間的片段，逐段行進(jìn)完成導(dǎo)航。這 種導(dǎo)航方式又可分為人工路標(biāo)導(dǎo)航和自然路標(biāo)導(dǎo)航。雖然人工路標(biāo)導(dǎo)航比較容易實(shí)現(xiàn)，但它人為地改變了機(jī)器人工作的環(huán)境；自然路標(biāo)導(dǎo)航不改變工作環(huán)境，但機(jī)器人需要通過(guò)對(duì)工作環(huán)境中的自然特征進(jìn)行識(shí)別以完成導(dǎo)航。路標(biāo)探測(cè)的穩(wěn)定性和魯棒性是采用該方法時(shí)需要研究的主要問(wèn)題。 視覺(jué)導(dǎo)航方式具有信號(hào)探測(cè)范圍寬、獲取信息完整等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的一個(gè)主要的發(fā)展方向。在視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)中，目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最多的是采用在移動(dòng)機(jī)器人上安裝車載攝像機(jī)的基于局部視覺(jué)的導(dǎo)航方式，這種導(dǎo)航方式所有的計(jì)算設(shè)備和傳感器都裝載在機(jī)器人車體上， 利用裝 配的攝像機(jī)拍攝周圍環(huán)境的局部圖像，然后通過(guò)圖像處理技術(shù)，如特征識(shí)別、距離估計(jì)等，進(jìn)行機(jī)器人定位及規(guī)劃下一步的動(dòng)作。 比如， 有研究人員利用 換處理機(jī)器人全方位圖像，并將關(guān)鍵位置的圖像經(jīng) 換所得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)作為機(jī)器人定位的參考點(diǎn)。以后機(jī)器人所拍攝的圖像經(jīng)變換后與之相對(duì)照，從而得知機(jī)器人當(dāng)前位置。 這些圖象識(shí)別、路徑規(guī)劃等高層的決策都由車載計(jì)算機(jī)完成，因而延遲問(wèn)題比較明顯。視覺(jué)導(dǎo)航中的圖象處理計(jì)算量大，實(shí)時(shí)性差，這始終是一個(gè)瓶頸問(wèn)題。為了提高導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和導(dǎo)航精度，仍需要研究更加合理 的圖象處理方法。 另外，還有基于傳感器數(shù)據(jù)的機(jī)器人導(dǎo)航方式。 一般機(jī)器人都安裝了一些非視覺(jué)傳感器，如超聲傳感器、紅外傳感器、接觸傳感器等。利用這些傳感器亦可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人導(dǎo)航 。比如，當(dāng)機(jī)器人在光線很暗的環(huán)境中的時(shí)候，視覺(jué)導(dǎo)航方式將會(huì)失效。在這種情況下，可以利用其他傳感器，比方說(shuō)超聲波傳感器來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航。因?yàn)槌暡▊鞲衅鞯氖褂貌皇芄饩€的影響，而且由于超聲波傳感 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 - 6 - - - 器構(gòu)成系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、性價(jià)比高等眾多優(yōu)點(diǎn)，使之在機(jī)器人特別是自主移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域中廣泛的運(yùn)用。 衛(wèi)星導(dǎo)航是通過(guò)全球定位系統(tǒng)（ 實(shí)現(xiàn)的。 球定位系統(tǒng)是以距離作為基本的觀測(cè)量，通過(guò)對(duì)四顆 星同時(shí)進(jìn)行偽距離測(cè)量，計(jì)算出用戶（接收機(jī)）的位置。通過(guò)這種方式，機(jī)器人可以通過(guò)安裝衛(wèi)星信號(hào)接收裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)自身定位。 除了以上幾種常見(jiàn)的導(dǎo)航方式外，還有氣味導(dǎo)航、聲音導(dǎo)航等。但是在實(shí)際應(yīng)用中，往往采用幾種不同導(dǎo)航方式的組合來(lái)達(dá)到最佳的導(dǎo)航效果。比如，有研究人員 利用超聲波傳感器和視覺(jué)傳感器的組合進(jìn)行導(dǎo)航 6。 將超聲數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)結(jié)合，通過(guò)事先訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)障礙物的可能位置，從而使得機(jī)器人能夠在動(dòng)態(tài)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。 動(dòng)機(jī)器人的定位 問(wèn)題 定位是確定移動(dòng)機(jī)器人在二維（三維）工作環(huán)境中相對(duì)于全局坐標(biāo)的位置及其本身的姿態(tài)，它是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航最基本的環(huán)節(jié)之一 78。 定位方法根據(jù)機(jī)器人工作環(huán)境復(fù)雜性、配備傳感器的種類和數(shù)量等不同而有多種不同方法。移動(dòng)機(jī)器人自主定位手段主要有兩類：相對(duì)定位和絕對(duì)定位。 相對(duì)定位手段主要有以下幾種： （ 1） 使用里程計(jì)。在這種方法中，通過(guò)使用編碼器來(lái)測(cè)量車輪的轉(zhuǎn)速，從而可以計(jì)算出機(jī)器人的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)相對(duì)定位。使用里程的優(yōu)勢(shì)在于：它是完全自主的，并且通過(guò)結(jié)合其他方法很容易預(yù)測(cè)下一時(shí)刻機(jī)器人的位置；而劣勢(shì)在于：定位誤 差無(wú)限增大，必須周期性的對(duì)誤差進(jìn)行削減。 （ 2） 慣性定位。通過(guò)測(cè)量機(jī)器人相對(duì)于初始位置的距離和方向來(lái)確定機(jī)器人的當(dāng)前位置。該方法通常采用回轉(zhuǎn)儀或加速計(jì)等儀器來(lái)測(cè)量車輪轉(zhuǎn)速或加速率，然后通過(guò)一次或二次積分推導(dǎo)出機(jī)器人的位置。由于其要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行積分處理，很容易導(dǎo)致延時(shí)，或者將一些小的常量誤差放大；此外該方法設(shè)備造價(jià)較高。 （ 3） 航位推算。這是一種經(jīng)典的相對(duì)位姿估計(jì)方法。一般使用安裝在車輪上的轉(zhuǎn)數(shù)表來(lái)推算出機(jī)器人的行使距離和方向。航位推算的優(yōu)點(diǎn)是方 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 - 7 - - - 法簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉；但其本質(zhì)上容易受標(biāo)定誤差，車輪與地面的不良接觸，顛簸等因素影 響，因此誤差較大。 由上述可知，相對(duì)定位技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于具有良好的短期精度、低廉的價(jià)格以及較高的采樣速率，但是由于相對(duì)定位技術(shù)的基本思路都是基于測(cè)量值的積累，因此無(wú)法避免時(shí)間漂移問(wèn)題。隨著路徑的增長(zhǎng)，任何小的誤差經(jīng)過(guò)積累都會(huì)無(wú)限的增加。因此相對(duì)定位不適合長(zhǎng)距離和長(zhǎng)時(shí)間的準(zhǔn)確定位，除非采用外部手段對(duì)誤差進(jìn)行約束。 絕對(duì)定位手段主要有以下幾種： （ 1） 基于活動(dòng)信標(biāo)（信號(hào)燈）。信號(hào)燈通過(guò)發(fā)射光或者聲波而被機(jī)器人感知。通過(guò)測(cè)量這些被感知（ 3 個(gè)或更多）的信號(hào)燈的作用范圍，來(lái)決定機(jī)器人的絕對(duì)位置。應(yīng)該注意，這些信號(hào)燈在環(huán)境中的 位置必須事先已知的。 （ 2） 基于人工路標(biāo)識(shí)別。將路標(biāo)放置在環(huán)境中的已知位置上。保證任意時(shí)刻機(jī)器人能夠發(fā)現(xiàn)若干路標(biāo)。通過(guò)測(cè)量機(jī)器人與這些路標(biāo)之間的相對(duì)距離來(lái)定位。使用該方法的好處在于定位誤差是有界的。但是，與信號(hào)燈不同的是：人工路標(biāo)一般不能看成點(diǎn)狀，而是看作一些特征的集合，這樣機(jī)器人每次感知的只是路標(biāo)的一部分，可能會(huì)使結(jié)果產(chǎn)生誤差。 （ 4） 基于自然路標(biāo)識(shí)別。這里的自然路標(biāo)是指環(huán)境中那些固有的，明顯、容易識(shí)別的物體。這種定位方法的可靠性和基于人工路標(biāo)識(shí)別的方法基本一樣。但是要求我們必須對(duì)該環(huán)境事先了解，否則識(shí)別過(guò)程 將會(huì) 有難度。 在實(shí)際的機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)中，常常采用相對(duì)定位與絕對(duì)定位相結(jié)合的定位方式來(lái)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定位。 動(dòng)機(jī)器人的制圖問(wèn)題 圖的類型 地圖構(gòu)建也是移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航中的一個(gè)很重要的內(nèi)容。機(jī)器人利用對(duì) 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 - 8 - - - 環(huán)境的感知信息對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行建模，自動(dòng)的構(gòu)建一個(gè)地圖。典型的地圖表示方法有尺度地圖以及拓?fù)涞貓D 910。尺度地圖中又分為柵格尺度地圖 1112以及幾何尺度地圖 1314。柵格地圖在表示環(huán)境信息時(shí)比較形象，但是受限于環(huán)境的規(guī)模。幾何地圖可以簡(jiǎn)潔的表示環(huán)境，但是要求環(huán)境不能過(guò) 于復(fù)雜；拓?fù)涞貓D不需要尺度信息，只依賴環(huán)境中特定的地點(diǎn)，但是地圖構(gòu)建過(guò)程比較復(fù)雜。 柵格地圖最開(kāi)始由 出 1516。對(duì)于 2D 的柵格地圖，環(huán)境被分割為均勻的單元柵格，每個(gè)柵格賦一個(gè) 0值來(lái)表示此處的狀態(tài)： 1 表示被占據(jù)；而 0 表示的是空閑。對(duì)于 3D 環(huán)境，每個(gè)單元格的值代表這個(gè)柵格的高度信息，從而來(lái)表示整個(gè)環(huán)境地圖。 幾何尺度地圖由一組環(huán)境路標(biāo)特征組成，每個(gè)路標(biāo)特征用一個(gè)幾何原型來(lái)近似。這種地圖只局限于表示可以參數(shù)化的環(huán)境路標(biāo)特征或可建模的對(duì)象如：點(diǎn)、線、面。這種構(gòu)建方法大都是基 于對(duì)環(huán)境信息的相對(duì)觀測(cè)，然后用這些觀測(cè)到的環(huán)境特征表示環(huán)境地圖。由于以幾何位置關(guān)系來(lái)表示環(huán)境地圖，所以為了保證地圖的一致性，要求各觀測(cè)信息的位置是相對(duì)精確的。對(duì)于結(jié)構(gòu)化的環(huán)境，用一些幾何模型來(lái)表示環(huán)境空間是可行的。比如，可以用線段來(lái)擬合室內(nèi)的墻面、用點(diǎn)來(lái)擬合墻角等；對(duì)于室外環(huán)境，可以用點(diǎn)特征表示道路兩側(cè)的樹(shù)木位置，用曲面來(lái)擬合路面地形等。 在利用拓?fù)涞貓D表示環(huán)境時(shí)，它沒(méi)有一個(gè)明顯的尺度概念，而是選用一些特定的地點(diǎn)來(lái)描述環(huán)境空間信息。拓?fù)涞貓D通常表示為一個(gè)圖表，圖中的節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)特定的地點(diǎn)，連接節(jié)點(diǎn)的弧線表示 特定地點(diǎn)之間的路徑信息。拓?fù)涞貓D對(duì)于結(jié)構(gòu)化的環(huán)境是一個(gè)很有效的表示方法，但是在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中，地點(diǎn)的識(shí)別變得非常的復(fù)雜，這種情況下僅以拓?fù)湫畔⑦M(jìn)行機(jī)器人定位是不充分的 17。 另外，為了更好地表示環(huán)境模型，還可以用混合拓?fù)浜统叨鹊貓D的表示方法來(lái)表示環(huán)境 1819。通過(guò)加入尺度信息來(lái)補(bǔ)償拓?fù)湫畔⑹沟玫貓D表示方法具有拓?fù)涞貓D的高效性以及尺度地圖的一致性和精確性。 器人制圖存在的問(wèn)題 無(wú)論 要建立哪種類型的環(huán)境地圖，機(jī)器人必須要通過(guò)傳感器來(lái)了解環(huán)境。在這個(gè)了解過(guò)程中傳感器固有的或一些人為的因素 會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差即測(cè)量噪 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 - 9 - - - 音。機(jī)器人制圖過(guò)程中面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)就來(lái)自于測(cè)量噪音。如果測(cè)量數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)意義上獨(dú)立，通過(guò)多次測(cè)量可以削減、甚至消除噪音的影響。然而在實(shí)際制圖過(guò)程中，這些數(shù)據(jù)卻是相互聯(lián)系的?？梢栽O(shè)法將測(cè)量誤差控制在一定范圍內(nèi)，但是它們不斷積累時(shí)，就可能會(huì)影響到下一時(shí)刻機(jī)器人對(duì)傳感數(shù)據(jù)的解釋。整個(gè)制圖過(guò)程中，機(jī)器人都要受到環(huán)境中這些系統(tǒng)的，互相聯(lián)系的誤差的影響。如何調(diào)整這些誤差是正確制圖的關(guān)鍵。但是不管是從理論的還是實(shí)踐的角度來(lái)看，現(xiàn)存的算法都是十分復(fù)雜且需要進(jìn)一步完善的。 第二個(gè)體現(xiàn)制圖復(fù)雜性的方面是 環(huán)境中要描述的實(shí)體的維度，即：要用多少元素對(duì)其進(jìn)行描述。比如，要較為詳細(xì)的對(duì)一個(gè)二維的建筑平面進(jìn)行制圖，一般需要上千的元素。而對(duì)于三維而言，則會(huì)高達(dá)上百萬(wàn)甚至更多。從統(tǒng)計(jì)角度看，每一個(gè)元素都是機(jī)器人要進(jìn)行估計(jì)的對(duì)象。這樣顯然增加了制圖問(wèn)題的復(fù)雜程度。 第三方面難點(diǎn)在于制圖本身是個(gè)協(xié)調(diào)、匹配的過(guò)程，也就是我們常說(shuō)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)問(wèn)題。即：如何判斷在不同時(shí)刻得到的傳感器數(shù)據(jù)中，哪些表示的是環(huán)境中同一元素。只有找到這些相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行融合處理，才會(huì)得到對(duì)該物體的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)，從而獲得更為精確的制圖。 第四 ，目前的算法主要集中在對(duì)靜態(tài)的、結(jié)構(gòu)化的、中小環(huán)境的研究上，而如何在動(dòng)態(tài)的、非結(jié)構(gòu)的、大型環(huán)境中進(jìn)行機(jī)器人制圖，研究較淺。 最后一個(gè)問(wèn)題在于，機(jī)器人制圖是與其運(yùn)動(dòng)路徑有關(guān)的。即機(jī)器人的定位與制圖是密切聯(lián)系的。如果機(jī)器人對(duì)自身的位置有準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，就可以得到較為精確的制圖；同樣，如果機(jī)器人對(duì)環(huán)境（地圖）了解很好，就很容易得到自身的位置信息。但是，當(dāng)定位信息和環(huán)境信息都不確定的情況下，兩者就應(yīng)該同時(shí)考慮。這就是本研究中涉及的一個(gè)研究重點(diǎn)：移動(dòng)機(jī)器人的同時(shí)定位與制圖（ 題。 時(shí)定位與制圖問(wèn)題 同時(shí)定位與制圖（ 當(dāng)前在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域中自主導(dǎo)航的熱門研究方向 202122。 2002 年在瑞典的 行的一個(gè)以 主題的 動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域內(nèi)最知名的專家到場(chǎng)為 50 名國(guó)際學(xué)生講學(xué)，從而將研究引向了高潮。 法是本研究的最主要問(wèn)題，將在第三章中 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 - 10 - - - 對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的分析。 章小結(jié) 在本章中，首先概括介紹了機(jī)器人導(dǎo)航問(wèn)題。對(duì)包括：電磁導(dǎo)航、光反射導(dǎo)航、環(huán)境地圖模型匹配導(dǎo)航、路標(biāo)導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航、基于傳感器數(shù)據(jù)的導(dǎo)航以及衛(wèi)星導(dǎo)航等在內(nèi)的多種機(jī)器 人導(dǎo)航方式進(jìn)行了介紹；對(duì)機(jī)器人定位與制圖進(jìn)行了說(shuō)明，包括：定位方式、制圖類型等，并在分析機(jī)器人制圖研究存在的問(wèn)題的基礎(chǔ)上引出了本研究的重點(diǎn)之一：同時(shí)定位與制圖（ 法。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 - 11 - - - 第 3 章 同時(shí)定位與制圖（ 法 時(shí)定位與制圖算法介紹 移動(dòng)機(jī)器人的定位和地圖創(chuàng)建是機(jī)器人領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究問(wèn)題，也是導(dǎo)航中重要環(huán)節(jié)。 對(duì)于已知環(huán)境中的機(jī)器人自主定位和已知機(jī)器人位置的地圖創(chuàng)建已經(jīng)有了一些實(shí)用的解決方法。 然而在很多環(huán)境中機(jī)器人不能利用全局定位系統(tǒng)進(jìn)行定位 ,而 且事先獲取機(jī)器人工作環(huán)境的地圖很困難，甚至是不可能的。這時(shí)機(jī)器人需要在自身位置不確定的條件下，在完全未知環(huán)境中，創(chuàng)建地圖同時(shí)利用該地圖進(jìn)行自主定位和導(dǎo)航。 這就是移動(dòng)機(jī)器人的同時(shí)定位與地圖創(chuàng)建(問(wèn)題， 也稱為 。該研究領(lǐng)域的代表人物有 23 。由于 法具有重要的理論與應(yīng)用價(jià)值，被很多學(xué)者認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)真正全自主移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵。近幾年來(lái)，其研究取得了很大的進(jìn)展，并已應(yīng) 用于各種不同的環(huán)境，如： 室內(nèi)環(huán)境 24 25 、水下 26 27 以及室外環(huán)境 28 29。 法性質(zhì) 法有很多重要的屬性，影響著地圖特征和機(jī)器人位置估計(jì)中的不確定性。包括：狀態(tài)估計(jì)的收斂性，估計(jì)過(guò)程的一致性，狀態(tài)協(xié)方差矩陣更新的計(jì)算復(fù)雜度 23。 收斂性： 法具有三個(gè)重要的收斂性，這三個(gè)關(guān)鍵的收斂結(jié)果是：著觀測(cè)數(shù)量的增加，特征估計(jì)變得完全相關(guān)。 征被觀測(cè)時(shí)機(jī)器人的位置精度有關(guān)。這些結(jié)果表明：隨著觀測(cè)數(shù)量的增加，地圖估計(jì)的不確定性將降低到有限的誤差范圍內(nèi)，地圖特征的關(guān)系將是完全確定的。 一致性：為了維護(hù) 法估計(jì)的一致性，對(duì)狀態(tài)協(xié)方差矩陣進(jìn)行更新維護(hù)是必要的。既然對(duì)環(huán)境的觀測(cè)是相對(duì)機(jī)器人的，所以機(jī)器人估計(jì)中的任何 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 - 12 - - - 誤差和地圖估計(jì)中的誤差使絕對(duì)相關(guān)的。在沒(méi)有其它外部的關(guān)于特征和機(jī)器人位置信息情況下，為了使系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的誤差在有限的范圍內(nèi)，保持狀態(tài)估計(jì)之間的一致性是很必要的。所以就必須維護(hù)機(jī)器人狀態(tài)與環(huán)境特征之間的協(xié)方差矩陣。 計(jì)算復(fù)雜度： 法應(yīng)用到大規(guī)模環(huán)境時(shí)的一個(gè)重要局限性是計(jì)算環(huán)境特征之間，特征與機(jī)器人之間的相關(guān)信息時(shí)的計(jì)算負(fù)擔(dān)。由于特征數(shù)量很大，協(xié)方差矩陣的更新維護(hù)