隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,為了滿足軍事上、工業(yè)上和民用上對(duì)自動(dòng)化以及人工智能的日益增長(zhǎng)的需求,機(jī)器人不斷進(jìn)入更多的領(lǐng)域。移動(dòng)機(jī)器人作為一個(gè)具有廣泛應(yīng)用前景的分支得到了各個(gè)研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。其中,最為關(guān)注的一個(gè)研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)是移動(dòng)機(jī)器人的同時(shí)定位與地圖創(chuàng)建(Simultaneous Localization And Mapping,簡(jiǎn)稱SLAM)問(wèn)題。它是解決移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航的關(guān)鍵問(wèn)題,解決了 SLAM問(wèn)題,移動(dòng)機(jī)器可以自主導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)去執(zhí)行更加復(fù)雜的任務(wù),比如:野外搜救、室內(nèi)搬運(yùn)、多機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動(dòng)等。由于具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值而備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究。本文結(jié)合搭建自主移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái),利用粒子濾波算法來(lái)解決SLAM問(wèn)題中的柵格地圖創(chuàng)建和導(dǎo)航問(wèn)題。本文主要從以下幾個(gè)方面來(lái)展開(kāi)具體的研究:首先,簡(jiǎn)單的介紹了移動(dòng)機(jī)器人和SLAM相關(guān)技術(shù)的研究背景和國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,介紹了移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的相關(guān)概率模型。并對(duì)整個(gè)搭建的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了總體的闡述,詳細(xì)介紹了其硬件平臺(tái)的搭建和系統(tǒng)整體的軟件設(shè)計(jì)框架。其次,對(duì)利用激光雷達(dá)進(jìn)行SLAM技術(shù)的研究進(jìn)行了具體的闡述,詳細(xì)的介紹了粒子濾波算法和基于Rao-Blackwellization粒子濾波算法在SLAM問(wèn)題中的運(yùn)用。通過(guò)理論分析和在Matlab仿真環(huán)境下進(jìn)行算法的仿真,驗(yàn)證該算法在解決SLAM問(wèn)題的有效性,為后文編寫(xiě)導(dǎo)航建圖軟件提供算法的理論支撐。接著,對(duì)搭建的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制軟件,主要分為下位機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制軟件、激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集軟件、視頻流采集軟件、上位機(jī)地圖創(chuàng)建與導(dǎo)航軟件和移動(dòng)端的監(jiān)控軟件五個(gè)部分。通過(guò)編寫(xiě)的控制軟件來(lái)實(shí)驗(yàn)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的總體控制。最后,結(jié)合自主搭建的移動(dòng)機(jī)器人和系統(tǒng)的控制軟件,對(duì)RBPF-SLAM算法進(jìn)行了實(shí)際的驗(yàn)證,同時(shí)也對(duì)自主編寫(xiě)的控制軟件的各個(gè)模塊的使用進(jìn)行的綜合的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,驗(yàn)證了算法的有效性和上位機(jī)移動(dòng)機(jī)器人建圖與導(dǎo)航軟件的易用性和實(shí)用性。
【學(xué)位單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP242;TN958.98
【部分圖文】：

1.2.1 移動(dòng)機(jī)器人研究現(xiàn)狀移動(dòng)機(jī)器人的研究范圍涉及多個(gè)學(xué)科,例如：電子電路、自動(dòng)控制、信息處理、人工智能等，各個(gè)學(xué)科聯(lián)合緊密，它往往代表著一個(gè)國(guó)家科研實(shí)力的綜合體現(xiàn)。對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究國(guó)外起步較早，20 世紀(jì) 60 年代末，美國(guó)斯坦福研究所的 NilsNilssen 和 Charles Rosen 等人研制出了 Shakey 移動(dòng)機(jī)器人[14],從而開(kāi)創(chuàng)了移動(dòng)機(jī)器人（Autonomous Mobile Root,簡(jiǎn)稱 AMR）研究的開(kāi)端。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新材料的層出不從、傳感器芯片信息處理的能力越來(lái)越強(qiáng)、研究出來(lái)了越來(lái)越多的控制算法，移動(dòng)機(jī)器人的研究得到了快速而廣泛的發(fā)展。其中美國(guó)國(guó)家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制的“勇氣號(hào)”火星車最為著名[15]，如圖 1-1 所示，它擁有柔性的機(jī)械手臂，配備多個(gè)攝像頭，能夠完成各種復(fù)雜的任務(wù)。2012年 Google X 實(shí)驗(yàn)室研發(fā)中的全自動(dòng)駕駛汽車，如圖 1-2 所示，它不需要駕駛?cè)藛T就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)、行駛、簡(jiǎn)單的避碰等任務(wù)，它的出現(xiàn)使得人們對(duì)無(wú)人駕駛技術(shù)產(chǎn)生了無(wú)限的向往[16]。

1.2.1 移動(dòng)機(jī)器人研究現(xiàn)狀移動(dòng)機(jī)器人的研究范圍涉及多個(gè)學(xué)科,例如：電子電路、自動(dòng)控制、信息處理、人工智能等，各個(gè)學(xué)科聯(lián)合緊密，它往往代表著一個(gè)國(guó)家科研實(shí)力的綜合體現(xiàn)。對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究國(guó)外起步較早，20 世紀(jì) 60 年代末，美國(guó)斯坦福研究所的 NilsNilssen 和 Charles Rosen 等人研制出了 Shakey 移動(dòng)機(jī)器人[14],從而開(kāi)創(chuàng)了移動(dòng)機(jī)器人（Autonomous Mobile Root,簡(jiǎn)稱 AMR）研究的開(kāi)端。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新材料的層出不從、傳感器芯片信息處理的能力越來(lái)越強(qiáng)、研究出來(lái)了越來(lái)越多的控制算法，移動(dòng)機(jī)器人的研究得到了快速而廣泛的發(fā)展。其中美國(guó)國(guó)家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制的“勇氣號(hào)”火星車最為著名[15]，如圖 1-1 所示，它擁有柔性的機(jī)械手臂，配備多個(gè)攝像頭，能夠完成各種復(fù)雜的任務(wù)。2012年 Google X 實(shí)驗(yàn)室研發(fā)中的全自動(dòng)駕駛汽車，如圖 1-2 所示，它不需要駕駛?cè)藛T就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)、行駛、簡(jiǎn)單的避碰等任務(wù)，它的出現(xiàn)使得人們對(duì)無(wú)人駕駛技術(shù)產(chǎn)生了無(wú)限的向往[16]。

推出的新一代無(wú)人駕駛自主車紅旗 HQ3，在可靠性和小型化方面取得了較大的進(jìn)展[18]。上海交通大學(xué)自動(dòng)化研究所采用 ActivMedi 公司的開(kāi)發(fā)的 Ponoeer2/DX型輪式移動(dòng)機(jī)器人位開(kāi)發(fā)平臺(tái)，建立了一個(gè)開(kāi)放性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)的通用多移動(dòng)機(jī)器人分布式協(xié)調(diào)平臺(tái)，并對(duì)多機(jī)器人之間的協(xié)作系統(tǒng)展開(kāi)了一系列的研究[19]。中科院自動(dòng)化研究所也成功研制出一款移動(dòng)機(jī)器人 CASIA-I，如圖 1-3 所示,它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部環(huán)境信息和自身的狀態(tài)進(jìn)行感知，從而實(shí)時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制決策、路徑規(guī)劃決策等，可以廣泛應(yīng)用于公共場(chǎng)合和服務(wù)娛樂(lè)場(chǎng)合[20]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)和海爾公司聯(lián)合研制的導(dǎo)游服務(wù)機(jī)器人，如圖 1-4 所示，它裝備的語(yǔ)音識(shí)別模塊可以實(shí)現(xiàn)與人進(jìn)行簡(jiǎn)單的對(duì)話，可以對(duì)室內(nèi)的景點(diǎn)進(jìn)行語(yǔ)音講解[21]。在物流運(yùn)輸方面，京東的送貨機(jī)器人已經(jīng)處于應(yīng)用試驗(yàn)階段[22]，它可以實(shí)現(xiàn)自主無(wú)人配送快遞，菜鳥(niǎo)網(wǎng)絡(luò)的物流機(jī)器人，如圖 1-5 所示，它可以實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)復(fù)雜的倉(cāng)庫(kù)中進(jìn)行貨物的搬運(yùn)分揀，百度的無(wú)人駕駛汽車，如圖 1-6 所示，在 2017 年已經(jīng)開(kāi)始上路試驗(yàn)[23]。近些年的科技技術(shù)的發(fā)展，極大的推動(dòng)了移動(dòng)機(jī)器人滲透到社會(huì)的各個(gè)行業(yè)，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。
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本文編號(hào)：2870933