發(fā)布時間：2021-01-27 18:50

　　本課題以智能無人系統(tǒng)為基礎(chǔ),研究多機(jī)器人的協(xié)同地圖構(gòu)建。在未知環(huán)境中利用機(jī)器人搭載的視覺傳感器迅速構(gòu)建局部地圖,并實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人地圖融合,以滿足復(fù)雜環(huán)境下對精度、實(shí)時性、可靠性及環(huán)境適應(yīng)性的要求。本文設(shè)計了一種基于字典模型的地圖融合算法,在復(fù)雜環(huán)境中完成多機(jī)器人協(xié)同建圖任務(wù)。采用無人平臺作為前端采集地圖信息,中控單元作為后端完成建圖,并利用tag算法優(yōu)化位姿和建圖,并進(jìn)行基于重疊區(qū)域的地圖匹配融合,使多個子端地圖合并為一張全局地圖。無人系統(tǒng)協(xié)同建圖的相關(guān)研究方法如下:首先,本文設(shè)計了多機(jī)系統(tǒng)的整體框架,采用集中式的機(jī)器人體系,將系統(tǒng)劃分為子端無人平臺和中控單元的服務(wù)端。子端采用單目相機(jī)作為傳感器,執(zhí)行視覺里程計,本文在此基礎(chǔ)上對局部地圖部分進(jìn)行了設(shè)計,設(shè)計刪除機(jī)制和緩存機(jī)制,保證子端建圖實(shí)時性。其次,設(shè)計了基于tag的無人機(jī)位姿解算及優(yōu)化算法,采用Apriltag檢測原理解算相機(jī)位姿,利用相機(jī)與無人機(jī)以及世界坐標(biāo)系的位姿關(guān)系,計算無人機(jī)位姿,并采用地圖偏移優(yōu)化設(shè)計對無人機(jī)位姿及進(jìn)行優(yōu)化。再次,設(shè)計了基于字典模型的地圖融合匹配算法,采用orb特征提取特征點(diǎn),構(gòu)建圖片的字典庫,利用相似性計算... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：80 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

無人機(jī)空中協(xié)同作戰(zhàn)體系

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文8要求。無人平臺通信時交換彼此的局部地圖，將其他無人平臺的地圖轉(zhuǎn)換到自己的地圖下，形成各個機(jī)器人端的“全局地圖”。各個機(jī)器人按照自己所獲取的環(huán)境信息獨(dú)立決策，單個機(jī)器人故障不影響其他機(jī)器人的運(yùn)行，但機(jī)器人之間沒有較好的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，各自執(zhí)行各自的指令，而且由于機(jī)器人之間是通過廣播的方式通信，長時間會形成大量冗余信息。（3）混合式混合式具備主控單元，同時各個無人平臺之間能夠完成信息傳遞，它具有前兩者的優(yōu)勢，能夠在機(jī)器人與中央服務(wù)器間傳遞信息，互相傳遞指令，各個子端平臺能夠獨(dú)自運(yùn)行，能夠適應(yīng)較為復(fù)雜的環(huán)境。但信息傳遞和指令執(zhí)行優(yōu)先級比較復(fù)雜，決策起來較為復(fù)雜，且執(zhí)行起來系統(tǒng)龐大。在本項(xiàng)目中，每個無人機(jī)采集地圖信息，同時將地圖信息傳輸?shù)揭粋�計算性能較高的處理器上進(jìn)行集中處理，考慮到往往無人機(jī)所攜帶的處理器性能有限，不能作為地圖融合的單元�？紤]將地圖融合、后端優(yōu)化等功能移植到中控單元上進(jìn)行處理，而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不宜過復(fù)雜，不利于統(tǒng)一調(diào)度。因此采用集中式的機(jī)器人結(jié)構(gòu)作為協(xié)同建圖的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2-1所示。中控單元的作用在于匯總各個無人平臺的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析、處理，將匯總后的信息進(jìn)行存儲，同時反饋給各個無人平臺，做進(jìn)一步的決策[30]。圖2-1集中式機(jī)器人體系多機(jī)器人系統(tǒng)是執(zhí)行協(xié)同建圖等功能的基礎(chǔ)，多機(jī)器人系統(tǒng)主要包含前端以及后端。前端系統(tǒng)集中在各個無人平臺上，每個無人平臺代表一臺機(jī)器人，每個機(jī)器人平臺攜帶一臺相機(jī)、一個通信單元和一個處理器，前端主要負(fù)責(zé)視覺里程計并

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文9建立相應(yīng)的局部地圖。后端則集中在中控單元，主要包含服務(wù)地圖、子端處理器等模塊，后端負(fù)責(zé)將子端的局部地圖存儲在相應(yīng)的局部地圖，并建立服務(wù)地圖字典庫，進(jìn)行一些非實(shí)時、計算量大的進(jìn)程，如：回環(huán)檢測、地圖匹配、地圖融合和全局優(yōu)化等等，最后由RViz可視化界面顯示協(xié)同建圖效果。前端與后端依靠ROS平臺進(jìn)行通信交換地圖信息，通過通信模塊進(jìn)行協(xié)同調(diào)度，完成建圖任務(wù)。整體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。圖2-2系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)2.3多機(jī)系統(tǒng)子端研究與設(shè)計多機(jī)器人系統(tǒng)的子端不包含中控單元的部分，子端以無人機(jī)、無人車等承載視覺傳感元件，作為系統(tǒng)獲取圖像信息的途徑。而不同的機(jī)器人系統(tǒng)對于子端分配的功能不一致，有的考慮將完整的功能分配給無人機(jī)，讓無人機(jī)執(zhí)行全部前端以及后端優(yōu)化功能，而有的系統(tǒng)考慮將部分功能作為無人機(jī)的功能，這樣減小無人機(jī)的計算載荷[31]。綜合考慮，本文采取后一種方法，將前端的視覺里程計以及局部建圖功能作為系統(tǒng)子端的模塊，而建圖、閉環(huán)反愧地圖匹配融合、位姿變換等模塊則在系統(tǒng)的中控單元進(jìn)行處理。2.3.1傳感器選取傳感器對于SLAM系統(tǒng)獲取環(huán)境信息至關(guān)重要，常用的SLAM傳感器有視覺傳感器、激光雷達(dá)、慣性測量元件和聲納等等。超聲波雷達(dá)是人們早期用的傳感器，它具有能量消耗緩慢、傳播距離遠(yuǎn)、穿透性強(qiáng)、測距方法簡單的優(yōu)點(diǎn)，但傳輸速度容易受到天氣影響，且傳輸速度較慢，不宜對快速變化的物體進(jìn)行跟蹤[32]。激光雷

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]協(xié)作多機(jī)器人系統(tǒng)研究進(jìn)展綜述[J]. 吳軍,徐昕,連傳強(qiáng),賀漢根.  智能系統(tǒng)學(xué)報. 2011(01)
[2]多Agent系統(tǒng)研究綜述[J]. 李海剛,吳啟迪.  同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2003(06)

博士論文
[1]基于視覺的多機(jī)器人協(xié)作SLAM研究[D]. 苑全德.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2016
[2]多機(jī)器人協(xié)作定位及系統(tǒng)架構(gòu)研究[D]. 蔡云飛.南京理工大學(xué) 2011
[3]多移動機(jī)器人地圖構(gòu)建的方法研究[D]. 潘薇.中南大學(xué) 2009

碩士論文
[1]未知環(huán)境下無人機(jī)自主導(dǎo)航的SLAM方法研究[D]. 叢楚瀅.南京航空航天大學(xué) 2016



本文編號：3003554