面向機器人自主導(dǎo)航的仿真關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、機器人在國防、民用、科研等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景,在計算機技術(shù)里一直處于研究的前沿。機器人的自主導(dǎo)航系統(tǒng)龐大、技術(shù)復(fù)雜,在研究和實驗過程中迫切需要真實度高、實時性好的仿真系統(tǒng)以驗證各類算法的有效性,為智能感知,路徑規(guī)劃等模塊提供預(yù)研與技術(shù)驗證等支持。
　　 本文針對構(gòu)建面向機器人自主導(dǎo)航技術(shù)所需要的關(guān)鍵技術(shù)展開,以計算機圖形學和虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ),進行了如越野環(huán)境的渲染,傳感器仿真算法,以及虛擬實驗環(huán)境的構(gòu)造等研究,并取得一定

2、成果,其中包括:
　　 針對野外越野場景的地形渲染的需要,提出了利用GPU實現(xiàn)的四叉樹地形渲染算法,通過GPU提高四叉樹的構(gòu)建速度,在此基礎(chǔ)上提出了以GPU實現(xiàn)的四叉樹遍歷,場景分割,裂縫消除和多邊形化等技術(shù)。取得了較傳統(tǒng)算法更為精確的渲染效果和3-4倍渲染速度的提升。同時,通過將處理大尺寸場景常用的clipmap技術(shù)引入四叉樹構(gòu)造技術(shù)中,拓展了該技術(shù)在大尺寸場景上的應(yīng)用空間。并提出了一系列裂縫消除,數(shù)據(jù)調(diào)度和渲染優(yōu)化策略。實驗

3、證明該算法結(jié)合了動態(tài)算法和固定網(wǎng)格算法的優(yōu)點,沒有預(yù)處理的需求,因此運行期對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蕾嚭艿?同時幾乎沒有帶寬需求,在低CPU負載的情況下可以獲得很高的幀速率,是應(yīng)用前景很廣泛的地形渲染技術(shù)。
　　 針對傳感器仿真的需要,本文提出利用GPU硬件實現(xiàn)的激光雷達和光學攝像機仿真技術(shù)。通過引入環(huán)境紋理、bump map和位移紋理等技術(shù),實現(xiàn)這兩類自主機器人上普遍使用的傳感器的仿真。對激光雷達的實驗表明,該算法普適性好,針對各類雷達都

4、能很好地仿真,同時擁有滿意的仿真速度。對光學攝像機的實驗表明,仿真算法可以很好地建立虛擬攝像機和仿真攝像機之間的關(guān)系,真實度很好,同時算法還可以很好地模擬各類鏡頭的畸變。由于算法充分利用了GPU結(jié)構(gòu),本文的算法不僅在速度上有明顯優(yōu)勢、可運行于普通桌面系統(tǒng)而無須復(fù)雜的大型系統(tǒng),更重要的是這兩種算法充分考慮了現(xiàn)代渲染技術(shù)對GPU的依賴,通過GPU執(zhí)行的仿真算法不僅有效地節(jié)約了系統(tǒng)的帶寬需要,同時也降低了CPU的負擔。
　　 針對虛擬

5、環(huán)境搭建的需要,本文對利用自主機器人上所攜帶的傳感器進行虛擬場景搭建的技術(shù)進行了研究。其一是通過激光雷達實現(xiàn)對多邊形場景的構(gòu)建,通過對多邊形的篩選,獲得可靠的網(wǎng)格。并在此基礎(chǔ)上執(zhí)行網(wǎng)格的簡化算法,構(gòu)造可以滿足渲染器渲染需要的網(wǎng)格。實驗證明網(wǎng)格的簡化算法可以有效地保留模型的特征,大幅度減少冗余多邊形,停機策略良好。其二是通過激光雷達和光學傳感器所生成的體視數(shù)據(jù)進行的越野環(huán)境數(shù)字高程數(shù)據(jù)的構(gòu)建,以及平滑、填充等一系列操作,達到構(gòu)建越野環(huán)境的