室内未知环境下几何地图构建及机器人定位方法研究

天津大学

硕士学位论文

室内未知环境下几何地图构建及机器人定位方法研究

姓名：鲍菁丹

申请学位级别：硕士

专业：检测技术与自动化装置

指导教师：孟庆浩

20070601

摘要

自主移动机器人是具有独立的记忆、推理、决策和行动能力的机器人。在自

主机器人的相关技术研究中，导航技术是核心技术，也是实现机器人真正智能化

和完全自主移动的关键技术。在导航的三个基本问题中，机器人在未知环境中的

定位和地图创建问题（ＳｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓＬｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎＡｎｄＭａｐｐｉｎｇ，ＳＬＡＭ）是解决另

外两个问题的先决条件。本文就ＳＬＡＭ问题展开研究，目的在于使机器人在未

知结构化环境下具有自主的地图开发能力和自身位置识别能力。

首先，本文介绍了机器人的发展史和ＳＬＡＭ研究历史的三个阶段，阐明了研

究ＳＬＡＭ问题的现实意义和学术价值。

其次，本文回顾了常用的ＳＬＡＭ方法，并指出了ＳＬ舢订问题的难点和关键

问题。在此基础上，提出了地图构建二步分解法：①通过密度聚类对激光数据进

行区域划分，将地图创建问题分解为若干个确定区域内的线段提取问题；②在每

个小聚类区域内，利用最小二乘法提取出局部线段特征，并在双重匹配原则下进

行线段的匹配和更新。利用扩展卡尔曼滤波器（ＥＫＦ）实现了机器人自定位。

最后，通过仿真实验和实际实验数据证明本文研究的ＳＬＡＭ方法能够实现机

器人的定位和地图创建，满足设计要求。

关键词：自主移动机器人定位地图创建扩展卡尔曼滤波聚类最小二乘法霍夫变换

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

ＴｈｅＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓＭｏｂｉｌｅＲｏｂｏｔｈａｓｔｈｅａｂｉｌｉｔｙ

ｄｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｔａｋｅａｃｔｉｏｎ．Ａｓ

ｗｈｉｃｈｏｎｅａｔｏｍｅｍｏｒｉｚｅｒｅａｓｏｎ，ｍａｋｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｒｏｂｏｔｉｃｓ，ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ‘ｉｓｔｈｅｋｅｙｐｏｉｎｔｍａｋｅｓａｒｏｂｏｔｂｅｃｏｍｅｔｒｕｌｙｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔａｎｄａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｒｏｂｏｔ．Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎｉｓ

ｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｔｈｒｅｅｂａｓｉｃｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｔｈｅＳｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓＬｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄＭａｐｐｉｎｇ

ｏｎ（ＳＬＡＭ）ｉｓｔｈｅｐｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｔｈｅｒｓ．ＴｈｉｓｔｈｅｓｉｓｍａｉｎｌｙｆｏｃｕｓｅｓｔｈｅＳＬＡＭ

ｒｏｂｏｔ

ｉｎｐｒｏｂｌｅｍｂａｓｅｄｏｎｕｎｃｅｒｔａｉｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｈａｖｅｔｈｅａｂｉｌｉｔｙｏｆａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｍａｐａｉｍｉｓｔｏｍａｋｅｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｌｏｃａｔｉｏｎｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ

ｕｎｋｌｌｏｗｎｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｉｎｄｏｏｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ．

ａｎｄａｃａｄｅｍｉｃｖａｌｕｅｏｆＦｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｈｉｓｔｏｒｙｏｆｒｏｂｏｔａｎｄｔｈｅｔｈｒｅｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｇｅｓｏｆＳＬＡＭ，ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔｙＳＬＡＭ．

ｏｕｔＳｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅ也ｅｓｉｓｒｅｖｉｅｗｓｔｈｅｍａｉｎｓｏｌｕｔｉｏｎｓｏｆＳＬＡＭａｎｄｐｏｉｎｔｓ

ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓａｎｄｋｅｙｐｏｉｎｔｓｏｆｔｈｅＳＬＡＭ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ

ｍａｐ：①Ｔｈｅ

ａｎｄＳＯｔｈｅｓｉｓｐｒｏｐｏｓｅｓａｔｗｏ－ｓｔｅｐｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｂｕｉｌｄｉｎｇｆｉｅｌｄｓｕｓｉｎｇｄｅｎｓｉｔｙｃｌｕｓｔｅｒｍｅｔｈｏｄ

ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｐｒｏｂｌｅｍｉｎｅａｃｈ

ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｌａｓｅｒｄａｔａｉｓｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｓｅｖｅｒａｌｔｈｅｍａｐｂｕｉｌｄｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｂｅｃｏｍｅｓｌｉｎｅｆｉｅｌｄ；②Ｌｉｎｅｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｉｓｒｅａｌｉｚｅｄｗｉｔｈｌｅａｓｔｓｑｕａｒｅａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｏｕｂｌｅ－ｍａｔｃｈｒｕｌｅ．ａｎｄｌｉｎｅｓａｒｅｍａｔｃｈｅｄａｎｄｒｅｎｅｗｅｄ

ＰｒｅｃｉｓｅｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎｕｓｍｇＥｘｔｅｎｄｅｄＫａｌｍａｎＦｉｌｔｅｒｆｅｒｒｉｃ）ｉｓｒｅａｌｉｚｅｄ．

Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｅｔｈａｔｔｈｅＳＬＡＭｓｙｓｔｅｍｆｕｌｆｉｌｌｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎ

ｒｅｑｕｉｒｅｓｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ．

ＫＥＹＷＯＲＤＳ：ＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓＭｏｂｉｌｅＲｏｂｏｔ，Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ，ｍａｐｂｕｉｌｄｉｎｇ，Ｅｘｔｅｎｄｅｄ

ＫａｌｍａｎＦｉｌｔｅｒ，ｃｌｕｓｔｅｒ，ｌｅａｓｔｓｑｕａｒｅｐｒｏｃｅｄｕｒｅ，Ｈｏｕｇｈｔｒａｎｓｆｏｒｍ

独创性声明

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学位论文作者签名：蝎０导师签名：签字日期：≯呷年石月７夕日签字日期：

第一章绪论

Ｉ．Ｉ引言

机器人最早是以科幻的形象出现的【ｌ】，所以它在人们的意识中总是带着神秘

的色彩。其实机器人并不神秘，它就出现在日常生活中，极大的方便着我们的生

活。银行里的自动存取款机、指挥交通的红绿灯、街头的自动售货机、甚至于我

们家庭中用的空调都属于机器人的范畴。．机器人并不全是外表酷似人类的机器，

而是“具有与高等生物类似的智能，能够自动活动的机器”。 ．

机器人除了服务于在人们的日常生活外，在矿藏勘探、灾难抢险、油气泄露

以及星际探险中也发挥着越来越大的作用，具有广阔的发展前景，所以研究机器

人和机器人学具有一定的现实意义和社会价值。

１．２研究背景

１．２．１机器人的发展史

二战中，美国阿贡国家实验室（ＡｒｇｏｎｎｅＮａｔｉｏｎａｌＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，简称ＡＮＬ）承

担了原子弹建造的任务【２】，为了处理和加工核辐射材料，科学家们研制出了将人

和核物质完全隔离的机械装置—远程机械手，这可以算作最早的机器人。由于这

种机械手臂无法将操作者的手和手臂的动作映射到机械臂上，并且缺乏力反馈，

所以人们对机械臂的操作缺乏灵活性，而且效率不高。与此同时，应用数学家诺 …… 此处隐藏：11518字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……