移动机器人自主导航与定位技术

河北工业大学硕士学位论文移动机器人自主导航与定位技术姓名：董彩玉申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：张明路20071201河北工业大学硕士学位论文i移动机器人自主导航与定位技术摘要移动机器人研究是机器人学中的一个重要分支。目前，随着机器人技术的不断进步，移动机器人的应用领域越来越广泛，其重要发展方向是全自主化，即自主导航、自主避障和自主定位。而其前提是机器人视觉技术的发展，因此机器人视觉技术己成为机器人领域一个重要的研究课题。本文的主要工作和创新点包括：首先，研究自行研制的HEBUT-Ⅱ型移动机器人的车体结构及其视觉系统，并对视觉系统的硬件结构和软件结构做了简单介绍。其次建立了移动机器人的摄像机模型，根据摄像机透视映射原理，进行逆换算从而得到逆透视映射，在此基础上研究了图像处理技术，主要包括图像预处理、图像分割、图像匹配。昀后，深入研究了视觉导航系统体系结构，提出一种给定环境模型下移动机器人全局自定位算法,通过融合声纳传感器和视觉传感器的异质传感信息把具有多模态、鲁棒性强的Markov方法和单模态、高效准确的EKF方法组合应用并加以改进,来实现准确和快速的全局定位,同时提高位姿跟踪的准确性。实验结果验证了本方法的有效性。关键词：移动机器人，视觉导航定位，逆透视映射，图像处理，信息融合移动机器人自主导航与定位技术iiMOBILEROBOTAUTONOMOUSNAVIGATIONANDLOCALIZATIONTECHNOLOGYABSTRACTTheresearchofmobilerobotisanimportantembranchmentofRobotics.Atpresent,alongwiththecontinuousadvancementofrobottechnology,theapplyfieldofmobilerobothasbeenmoreandmoreabroad,andit’smaindevelopmentaspectisallindependence，thatisnavigation,avoidingbarriersandorientationself-determinatively.Andthepremiseisthedevelopmentofrobotvisiontechniques,sorobotvisiontechniqueshasreceivedconsiderableattentioninrobotfields.Themainworkandinnovativeideasinclude:Firstly,thebodyworkconfigurationandvisionsystemofHEBUT-Ⅱmobilerobotareintroduced.,andthehardwareandsoftwareconfigurationofvisionsestemaresimplyintroduced.Secondly,themodelingofcameraissetup.Accordingtotheperspectivemappingprincipleofcamera，inverseperspectivemappingisgettedbyoperatinginversetransformation.Atthebasisofit,imageprocessingtechniquesarestressedresearched.Inthissystem,thereferringimageprocessingmainlyincludeimagepretreatment,imagesegmentation,imageregistration.Finally,theconfigurationofvisionnavigationsystemisstressedresearched,andtheinnovatingpointisputforword.Acomputationmethodisproposedforgloblelocalizationwhichutilizesinformationfrombothsonarandvisionsensors.Themethodcombinesmultimodal,robustMarkovandunimodal,efficientextendedKalmanfilter(EKF)localizationwithsignificantimprovementsforgloballocalizationandpositiontracking.Sensorupdateisaccomplishedthroughresultsdemonstratethevalidityoftheapproach.KEYWORDS：mobilerobot,visionnavigationlocalization,inverseperspectivemapping,imageprocessing;informationfusion原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：导师签名：日期：河北工业大学硕士学位论文1第一章绪论§1-1引言机器人越来越广泛地应用于工业、农业、国防、科学实验以及服务业等人类社会的各个方面。其中移动机器人是机器人学的一个重要分支，其研究始于20世纪60年代。移动机器人由于具有更大的使用灵活性已成为目前机器人技术研究的一个热点[1,2]。我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。”在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合[1-4]。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器人，如移动机器人、微机器人、水下机器人[1,5,6]、医疗机器人[1,5,7]、军用机器人、空中空间机器人[1,5,6]、娱乐机器人等。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。这些机器人从外观上已远远脱离了昀初仿人形机器人和工业机器人所具有的形状，更加符合各种不同应用领域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增强，从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间[1,2]。机器人技术是融合了机械、电子、传感器、计算机、人工智能等许多学科的知识，涉及到当今许多前沿领域的技术。移动机器人要想走向实用，必需拥有能胜任的运动系统、可靠的导航系统[7]、精确的感知能力和具有既安全而又友好地与人一起工作的能力。随着移动机器人应用领域的日益扩大，对移动机器人各种问题的研究不断提出了新的课题，这将使移动机器人的研究不断深入和发展，也将使移动机器人具有更加美好的应用前景。§1-2国内外移动机器人研究现状1.国外移动机器人的发展概况国外机器人的初期研究，主要从学术角度研究机器人的体系结构和信息处理，并建立实验系统进行验证。由于80年代对机器人的智能行为期望过高，导致室外机器人的研究未达到预期的效果，但却带动了相关技术的发展。进入90年代，随着技术的进步，移动机器人开始在更现实的基础上，开拓各个领域，向实用化进军。由美国NASA资助研制的“丹蒂Ⅱ”八足行走机器人[8]，是一个能提供对高移动性机器人运动的了解和远程机器人探险的行走机器人。丹蒂计划的主要目标是为实现在充满碎片的月球或其它星球的表面进行探索而提供一种机器人解决方案。美国NASA研制的火星探测机器人索杰那于1997年登上火星，这一事件向全世界进行了报道。为了在火星上进行长距离探险，又开始了新一代样机的研制，命名为移动机器人自主导航与定位技术2Rocky7，并在Lavic湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的实验。德国研制了一种轮椅机器人，并在乌尔姆市中心车站的客流高峰期的环境和1998年汉诺工业商品博览会的展览大厅中进行了实地现场表演。该轮椅机器人在公共场所拥挤的、有大量乘客的环境中，进行了36个小时的考验，所表现出的性能是其它现存的轮椅机器人无法比拟的[8,9]。另外国外还研究了一种独轮机器人，它与具有静态稳定性的多轮机器人相比，具有很好的动态稳定性，对姿态干扰的不敏感性，可操作性，低的液压阻力，跌倒的恢复能力和水陆两用性[10]。这是运动性的一种新概念。2.国内移动机器人的发展概况国内在移动机器人的研究起步较晚，大多数研究尚处于某个单项研究阶段，1994年通过鉴定的清华大学智能移动机器人，涉及到基于地图的全局路径规划[11,12]、基于传感器信息的局部路径规划、路径规划的仿真、传感数据信息融合等技术、智能移动机器人的设计与实现；哈尔滨工业大学研制的轮式智能服务机器人能无缆行走、自动避障、识别语音并能与人对话、用于服务场合的导游导购等；用于瓷砖及玻璃壁面清洗作业的壁面清洗爬壁机器人也在哈尔滨工业大学研制成功，实现了高层建筑清洗作业的自动化。目前我国有10多所高校和科研单位开展机器人足球研究，首届全国机器人足球比赛也于1999年在哈尔滨工业大学成功举行，这标志着我国的多机器人系统技术正在迅速发展。§1-3移动机器人的关键技术移动机器人要想走向实用，必需拥有能胜任的运动系统、可靠的导航系统、精确的感知能力和具有既安全而又友好地与人一起工作的能力。移动机器人的智能指标为自主性、适应性和交互性。移动机器人的导航系统的研究涉及控制、传感器、电子通信、人工智能等技术，但主要集中在相关的关键技术的研究与突破中，这些关键技术主要包括：车体定位技术、多传感器信息融合的障碍识别与定位技术、路径规划技术、基于地理信息系统的导航技术、多体协作与交互技术等[13-17]。下面简述这些技术：1.定位技术在移动机器人的应用中，精确的位置信息是一个基本要求，移动机器人的准确定位是保证其正确完成导航、控制任务的关键之一。位置的测量，可以分为两类：相对位置测量和绝对位置测量。常用的定位实现方法有：里程计、惯性导航、磁罗盘、主动灯塔、全球定位系统、视觉导航、路标导航和地图模型匹配和仿生导航技术等。每种定位技术都有各自的优点和局限性，一般在实际应用中都是综合使用其中的几种，实现优缺点互补以提高定位的精度和可靠性。视觉方法是近年发展起来的一种先进导航方法，其和非视觉类传感器相比，视觉传感器具有无噪声、无有害影响、信息量大等特点。在实际应用中，只需在路面上画出路径引导线，机器人就可以通过视觉导航系统来控制自身行走。相对于在环境中埋设导线、磁条，安装发光带等方法而言，这种方法进一步增强了系统的灵活性，降低了成本。全球定位系统（GPS）是近来由通信技术发展起来的一个革命性技术，现在随着全球通移动通信网络（GSM）的逐渐无缝隙铺设，GPS、GSM组合技术导航系统正越来越多的得到应用，定位精度也不断提高。路标导航是机器人根据其移动过程中传感输入所能认出的不同