本文關(guān)鍵詞：面向空-地機(jī)器人協(xié)作的環(huán)境感知與閉環(huán)檢測

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【摘要】：近年來,以空中和地面機(jī)器人為代表的移動機(jī)器人系統(tǒng)得到了廣泛的關(guān)注,并逐步在災(zāi)難救援、軍事偵察等領(lǐng)域發(fā)揮越來越關(guān)鍵的作用。但是,二者自身存在明顯的能力局限性。地面移動機(jī)器人由于其自身工作范圍的限制,存在運(yùn)行速度慢、監(jiān)控范圍小、受地形地質(zhì)條件影響大等缺點(diǎn)。與地面移動機(jī)器人相比,多旋翼飛行器可以在一定高度上對地面環(huán)境進(jìn)行大范圍的觀測,但是其負(fù)載/續(xù)航能力有限,并且氣流干擾十分敏感。本文以自主研發(fā)的空地多機(jī)器人系統(tǒng)為基礎(chǔ),開展了面向空-地機(jī)器人協(xié)作的環(huán)境感知與閉環(huán)檢測研究。為了實現(xiàn)三維環(huán)境感知,本文在自主研發(fā)的地面移動機(jī)器人與多旋翼飛行器平臺上,利用平臺搭載的激光傳感器以動態(tài)連續(xù)方式獲取序列二維激光數(shù)據(jù)。與靜態(tài)定點(diǎn)掃描方式相比,這種數(shù)據(jù)獲取方式工作效率高,但數(shù)據(jù)質(zhì)量稍差。因此,對算法性能提出了更高要求。為了適用于動態(tài)連續(xù)方式獲取的三維激光數(shù)據(jù),本文提出了基于增量式滑動窗口的ISW-NDT(Incremental Sliding-Window based NDT)算法實現(xiàn)高效率閉環(huán)檢測。該算法在現(xiàn)有NDT(Normal Distributions Transform)算法的基礎(chǔ)上引入固定尺寸的滑動窗口,對機(jī)器人連續(xù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行場景劃分,并采用增量式處理方式保證算法效率。同時,針對多旋翼飛行器抖動所帶來的激光掃描線無法對齊的問題,本文引入了基于環(huán)境建模的三維重構(gòu)算法對飛機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,根據(jù)測量位姿建立概率模型并優(yōu)化求解。為了證明算法的有效性,本文在地面機(jī)器人平臺、多旋翼飛行器平臺分別采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行實驗驗證。與3D-NDT算法相比,本文提出的ISW-NDT算法可以實現(xiàn)更高的召回率并能保證在線操作效率。此外,本文還對空-地機(jī)器人協(xié)作閉環(huán)檢測問題進(jìn)行了探索性的研究,實現(xiàn)了空-地機(jī)器人在數(shù)據(jù)獲取、模型建立以及語義層面的一致性環(huán)境表述。為了對空-地地圖進(jìn)行集成,本文引入了基于場景匹配的空-地機(jī)器人相對位姿估計,實現(xiàn)空-地機(jī)器人協(xié)作地圖構(gòu)建。同時,本文分析了空-地機(jī)器人的觀測視角和觀測范圍的差異,并探究了多旋翼飛行器不同飛行高度和不同滑動步長對閉環(huán)檢測效果影響,在空-地機(jī)器人協(xié)作平臺驗證了閉環(huán)檢測算法的有效性。
【關(guān)鍵詞】：多機(jī)器人系統(tǒng) 空-地協(xié)作 三維環(huán)境感知 閉環(huán)檢測
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP242
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 緒論8-13
• 1.1 研究背景與意義8
• 1.2 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢8-11
• 1.3 本文的主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)11-13
• 2 基于激光測距的三維環(huán)境數(shù)據(jù)獲取13-20
• 2.1 地面移動機(jī)器人三維環(huán)境數(shù)據(jù)獲取13-15
• 2.2 多旋翼飛行器三維環(huán)境數(shù)據(jù)獲取15-16
• 2.3 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建16-20
• 2.3.1 DUT-UGV數(shù)據(jù)庫構(gòu)建16-18
• 2.3.2 DUT-UAV數(shù)據(jù)庫構(gòu)建18-20
• 3 基于ISW-NDT算法的在線閉環(huán)檢測20-39
• 3.1 ISW-NDT算法框架20-21
• 3.2 多旋翼飛行器基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維環(huán)境建模21-23
• 3.2.1 多旋翼飛行器模型21-23
• 3.2.2 優(yōu)化求解23
• 3.3 ISW-NDT算法原理23-31
• 3.3.1 基于NDT算法的特征描述符提取23-26
• 3.3.2 基于增量式滑動窗口的場景生成26-27
• 3.3.3 在線閉環(huán)檢測27-28
• 3.3.4 參數(shù)選取28-30
• 3.3.5 算法實現(xiàn)30-31
• 3.4 實驗結(jié)果及分析31-39
• 3.4.1 三維環(huán)境建模實驗結(jié)果與耗時分析31-33
• 3.4.2 地面移動機(jī)器人閉環(huán)檢測結(jié)果與耗時分析33-35
• 3.4.3 多旋翼飛行器閉環(huán)檢測結(jié)果與耗時分析35-39
• 4 空-地機(jī)器人協(xié)作中的閉環(huán)檢測39-49
• 4.1 空-地機(jī)器人協(xié)作地圖構(gòu)建框架39-40
• 4.2 一致性環(huán)境表述40-41
• 4.3 相對位姿估計與協(xié)作地圖構(gòu)建41-44
• 4.3.1 基于場景匹配的相對位姿估計41-43
• 4.3.2 實驗結(jié)果及分析43-44
• 4.4 基于ISW-NDT算法的閉環(huán)檢測44-49
• 4.4.1 視角差異45-46
• 4.4.2 視野范圍差異46
• 4.4.3 實驗結(jié)果及分析46-49
• 結(jié)論49-50
• 參考文獻(xiàn)50-53
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況53
• 課題資助情況53-54
• 致謝54-55

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 谷豐;王爭;宋琦;陳盛福;何玉慶;韓建達(dá);;空地機(jī)器人協(xié)作導(dǎo)航方法與實驗研究[J];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報;2012年05期

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本文編號：614943