基于地形特征的移動(dòng)機(jī)器人定位制圖及可穿越性的研究.pdf

1、戶外移動(dòng)機(jī)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(dá)或者有一定危險(xiǎn)性的場(chǎng)合。由于這些戶外環(huán)境都要求移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)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(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃成為移動(dòng)機(jī)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(duì)戶外移動(dòng)機(jī)器人的自主定位、環(huán)境地圖的創(chuàng)建及地形可穿越性進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。
　　傳統(tǒng)的

2、戶外移動(dòng)機(jī)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(cè)環(huán)境的特征進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)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(duì)這個(gè)問題，論文提出了一種基于地形傾斜度特征的移動(dòng)機(jī)器人定位的新方法，該方法僅僅利用機(jī)器人本體傳感器的數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)GPS信號(hào)減弱或者中斷時(shí)的戶外移動(dòng)機(jī)器人沿途自主定位。假設(shè)可以事先獲取到移動(dòng)機(jī)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(jī)器人-地形傾斜度模型（Robot-Ter

3、rain Inclination model，簡(jiǎn)稱RT I模型），該模型描述了移動(dòng)機(jī)器人在已知路徑上移動(dòng)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(cè)量模型，通過粒子濾波算法融合機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)與觀測(cè)信息，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的沿途定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)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(qiáng)的魯棒性并且在較長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)距離下能夠達(dá)到理想的定位效果。
　　針對(duì)戶外未知環(huán)境，即機(jī)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(diǎn)匹配算法（ICP matching）相結(jié)合，提出了一種既能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人準(zhǔn)確的位置估計(jì)和地圖創(chuàng)建，又能節(jié)省時(shí)間的新型戶外移動(dòng)機(jī)器人的定位與制圖方法（Terrain Inclination Aided3D Localization and Mapping，簡(jiǎn)稱TILAM）。當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人在兩個(gè)掃描點(diǎn)間移動(dòng)時(shí)，利用在第一個(gè)掃描點(diǎn)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(shí)現(xiàn)在

5、兩個(gè)掃描點(diǎn)間的實(shí)時(shí)定位。當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人到達(dá)第二個(gè)掃描點(diǎn)時(shí)，將上一段末機(jī)器人的定位結(jié)果作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)掃描點(diǎn)時(shí)所處位置的初始估計(jì)。然后利用ICP匹配算法匹配前后兩次掃描到的非地面點(diǎn)云圖來更新機(jī)器人的位置，從而更新機(jī)器人的環(huán)境地圖。隨著機(jī)器人的移動(dòng)，最終創(chuàng)建出機(jī)器人整個(gè)工作區(qū)域的環(huán)境地圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠在減少時(shí)間損耗的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的機(jī)器人定位和環(huán)境地圖創(chuàng)建，對(duì)大范圍的戶外應(yīng)用有著重要的意義。
　　當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)在戶外

6、復(fù)雜的地形上時(shí)，機(jī)器人需要具備實(shí)時(shí)判斷穿越當(dāng)前地形的難易程度以便進(jìn)行有效的運(yùn)動(dòng)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(jì)移動(dòng)機(jī)器人所處地形可穿越性的方法。該方法通過機(jī)器人本體上的編碼器和慣性測(cè)量單元，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波準(zhǔn)確估計(jì)出機(jī)器人行走時(shí)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(gè)因素，利用貝葉斯分類器估計(jì)出當(dāng)前地形的可穿越指數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地形可穿越性的定量估計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠在線獲取機(jī)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(jì)地形的可穿越指數(shù)。
　　論文最后通過戶外環(huán)境的綜合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在同一框架下，所提出的移動(dòng)機(jī)器人定位、環(huán)境地圖創(chuàng)建及地形可穿越性估計(jì)算法的準(zhǔn)確性及相互間的協(xié)作實(shí)現(xiàn)的可能性。綜上所述，論文為戶外移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)提供一種新的自主