多機(jī)器人探索環(huán)境下的分布式地圖融合研究.pdf

1、探索未知區(qū)域并構(gòu)建環(huán)境地圖是移動(dòng)機(jī)器人研究領(lǐng)域的經(jīng)典問題。從任務(wù)執(zhí)行者的角度來(lái)看，近年來(lái)的研究熱點(diǎn)正在從單機(jī)器人獨(dú)自探索轉(zhuǎn)向多機(jī)器人協(xié)同工作的方式上來(lái)。多機(jī)器人把未知區(qū)域劃分為多個(gè)子區(qū)域并行探索，提高了任務(wù)執(zhí)行的效率但卻帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)——地圖融合。在實(shí)際系統(tǒng)中大多缺乏有效的定位措施，使得子區(qū)域內(nèi)的地圖信息難于合并為一張正確完整的地圖，而地圖融合可以有效地解決地圖匹配，拼接等問題。因此研究地圖融合技術(shù)對(duì)多機(jī)器人協(xié)同探索環(huán)境任務(wù)有重要意義。

2、本課題來(lái)源于國(guó)家自然基金項(xiàng)目《網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下基于群體智能方法的虛擬機(jī)協(xié)同平臺(tái)研究》。該項(xiàng)目希望探索一種新的并行計(jì)算模式來(lái)適應(yīng)大規(guī)模的群體協(xié)作，并通過地圖構(gòu)建這一經(jīng)典場(chǎng)景對(duì)性能進(jìn)行驗(yàn)證。該項(xiàng)目的應(yīng)用場(chǎng)景希望機(jī)器人隨機(jī)地散落在環(huán)境中，并且硬件上不具備全局定位功能。為了解決在此種條件下的地圖融合問題，本課題實(shí)現(xiàn)了一種基于線段表示形式的地圖融合算法。算法的核心思想是提取公共區(qū)域內(nèi)的障礙物特征值作為地圖轉(zhuǎn)化的參照物，分布執(zhí)行地圖融合過程，把機(jī)器人群體

3、統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系下。由于機(jī)器人本身可以通過測(cè)程法記錄本地坐標(biāo)，通過地圖融合后，本地坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為全局坐標(biāo)，從而解決了全局定位問題。主要研究工作包括以下幾點(diǎn)：1.基于線段表示形式的地圖融合算法：采用線段作為描述障礙物信息的基本單位。提取交集區(qū)域的線段幾何關(guān)系作為地圖轉(zhuǎn)化的參照物，通過多次轉(zhuǎn)化地圖，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的坐標(biāo)統(tǒng)一，子地圖的合并。在原有算法的基礎(chǔ)上，加入障礙物之間的相對(duì)距離這一空間特性，豐富了參照物特征信息，減少了地圖轉(zhuǎn)化匹配次數(shù)，提高了融

4、合執(zhí)行效率。2.分布式融合策略：利用擴(kuò)散法，實(shí)現(xiàn)了分布式融合策略，使機(jī)器人群體可以脫離中央控制，自行完成統(tǒng)一坐標(biāo)，合并地圖。研究還加入了可信度概念以提高分布式地圖融合的正確率。3.算法驗(yàn)證仿真器：本課題為驗(yàn)證算法設(shè)計(jì)開發(fā)了仿真器。模擬了無(wú)定位情況下機(jī)器人探索得到的地圖信息以及分布式地圖融合過程，為項(xiàng)目研究提供幫助。本論文通過測(cè)試多種結(jié)構(gòu)化地形下的地圖融合效果，證明了該算法在無(wú)全局定位情況下能夠有效地解決地圖合并問題。另外，相同地形下的實(shí)