分類(lèi)號(hào) 密級(jí) U D C 編號(hào) 士學(xué)位論文 論 文 題 目 基于聲納的室內(nèi)環(huán)境柵格地圖創(chuàng)建 方法的研究 學(xué)科、專(zhuān)業(yè) 計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù) 研究生姓名 李 潤(rùn) 偉 導(dǎo)師姓名及 專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù) 蔡 自 興 教授 2008 年 5 月 I 摘 要 機(jī)器人地圖創(chuàng)建是為了解決如何通過(guò)移動(dòng)機(jī)器人獲得自然環(huán)境空間模型的問(wèn)題， 而地圖創(chuàng)建通常被認(rèn)為是自主機(jī)器人構(gòu)造真實(shí)環(huán)境問(wèn)題中的重中之重，盡管在這塊領(lǐng)域已經(jīng)取得意義重大的成績(jī)，但仍然存在著巨大的挑戰(zhàn)。 本文作者在基于聲納傳感器的基礎(chǔ)上，以 南移動(dòng) 2號(hào))為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要研究了室內(nèi)環(huán)境 柵格地圖創(chuàng)建的相關(guān)技術(shù)。相關(guān)內(nèi)容如下： 1、通過(guò)機(jī)器人自帶的聲納、里程計(jì)獲取障礙物數(shù)據(jù)與機(jī)器人位姿數(shù)據(jù)，在機(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)部建立了機(jī)器人位姿模型、運(yùn)動(dòng)模型、控制模型，利用三個(gè)模型對(duì)里程計(jì)所獲得位姿數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，使得機(jī)器人在地圖創(chuàng)建的過(guò)程中對(duì)位姿進(jìn)行了修正。 2、在引入貝葉斯法則基本思想的同時(shí)，采用均勻分布傳感器模型作為聲納傳感器的工作模型，以柵格地圖為外部環(huán)境的描述對(duì)象，提出了一種基于 率柵格的創(chuàng)建方法， 并將其應(yīng)用于實(shí)際實(shí)驗(yàn)中；同時(shí)在局部地圖向全局地圖轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，由于一般常用的局部地圖向全局地圖的貝葉斯變換方法需要龐大的計(jì)算量， 而本文作者所提出的地圖創(chuàng)建方法只需基于 0種柵格狀態(tài)， 那么對(duì)局部地圖的信息只要進(jìn)行簡(jiǎn)單的二維變換，保 證了一定的柵格地圖精確度，降低了噪音的影響。 3、雖然聲納傳感器探測(cè)目標(biāo)體的距離有很高的準(zhǔn)確度，但聲納對(duì)目標(biāo)的方位判斷卻存在一定的誤差，針對(duì)室內(nèi)環(huán)境，在基于聲納傳感器的移動(dòng)機(jī)器人對(duì)狹窄環(huán)境的探測(cè)方 法上提出了一種改進(jìn) 法，在 法思想基礎(chǔ)上，設(shè)定了切線的角度變化范圍并引入了權(quán)值，對(duì)目標(biāo)的方位進(jìn)行了誤差修正，使得在地圖創(chuàng)建的精度上有一定的提升。 關(guān)鍵詞 移動(dòng)機(jī)器人；聲納；柵格地圖創(chuàng)建；切線 ap of of of is as of in of in it on on of of It as is of as 1 of to be in of be by so we of s in of 2 it as a of in in of to s of -1 so to of It of it of 3 in to on of to a of So we of s 目 錄 第一章 緒論 .題來(lái)源 .題研究背景和意義 .內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的相關(guān)介紹 .器人地圖創(chuàng)建現(xiàn)存問(wèn)題 .論文的研究?jī)?nèi)容與組織結(jié)構(gòu) .章小結(jié) .二章 圖創(chuàng)建的相關(guān)模型 .位姿模型 .運(yùn)動(dòng)模型 .程計(jì)與改進(jìn)的控制命令模型 .圖模型 . 拓?fù)涞貓D . 特征地圖 . 直接表征法 . 柵格地圖 .據(jù)關(guān)聯(lián) .章小結(jié) .三章 基于聲納傳感器的概率柵格地圖創(chuàng)建 .納傳感器及其特性 .納模型 . 高斯分布傳感器模型 . 中軸線傳感器模型 . 均勻分布傳感器模型 .格地圖 . 為什么采用柵格 . 基于聲納傳感器測(cè)距的柵格化方法 .于 概率柵格創(chuàng)建方法 . 貝葉斯概率方法的介紹 . 基于 率柵格問(wèn)題具體描述 . 基于 概率柵格方法 .章小結(jié) .四章 基于改進(jìn) 地圖創(chuàng)建 .據(jù)結(jié)構(gòu)的定義 . 柵格地圖存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的定義 . 機(jī)器人狀態(tài)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的定義 .納模型 .法 .法的改進(jìn) .于改進(jìn) 實(shí)時(shí)地圖創(chuàng)建 .V 時(shí)地圖創(chuàng)建過(guò)程 . 改進(jìn) 算法性能分析 .于 0局部地圖轉(zhuǎn)換全局地圖的算法思想 .于改進(jìn) 柵格地圖的更新策略 .章小結(jié) .五章 地圖創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 .于 率柵格的地圖創(chuàng)建的結(jié)果與分析 . 簡(jiǎn)單環(huán)境 . 較復(fù)雜環(huán)境 . 兩種算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 .進(jìn) 法的地圖創(chuàng)建的結(jié)果與分析 .章小結(jié) .六章 總結(jié)與展望 .結(jié) .望 .考文獻(xiàn) .謝 .讀學(xué)位期間主要研究成果 .士學(xué)位論文 第一章 緒論 1 第一章 緒論 題來(lái)源 國(guó)家基礎(chǔ)研究項(xiàng)目“異質(zhì)多移動(dòng)體的協(xié)同工作與重構(gòu)技術(shù)的基礎(chǔ)研究”。編號(hào)： 題研究背景和意義 近二十年來(lái)的機(jī)器人1和 器人地圖創(chuàng)建已經(jīng)占據(jù)較為廣闊的研究領(lǐng)域。 機(jī)器人地圖創(chuàng)建是為了解決如何通過(guò)移動(dòng)機(jī)器人獲得自然環(huán)境空間模型的問(wèn)題， 而地圖創(chuàng)建通常被認(rèn)為是自主移動(dòng)機(jī)器人構(gòu)造真實(shí)環(huán)境問(wèn)題中的核心所在，盡管在這塊領(lǐng)域已經(jīng)取得意義重大的成績(jī)，但仍然存在很多需要解決的問(wèn)題。目前，現(xiàn)階段有著創(chuàng)建教好魯棒性的、靜態(tài)環(huán)境的、結(jié)構(gòu)化的以及小區(qū)域限制的地圖的方法，但在創(chuàng)建非結(jié)構(gòu)的、動(dòng)態(tài)的以及大范圍環(huán)境的地圖的方法存在著很多值得繼續(xù)研究的難題。隨著社會(huì)的進(jìn)步，機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，幾乎滲透到所有領(lǐng)域，而移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要分支。早在 60年代，就已經(jīng)開(kāi)始了關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的研究。關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的研究涉及許多方面，首先，要考慮移動(dòng)方式，可以是輪式的、履帶式、腿式的，對(duì)于水下機(jī)器人，則是推有式。斯坦福研究院 ( 1966年至 1972年中研造出了取名 的是研究應(yīng)用人工智能技術(shù)，在復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。與此同時(shí)，最早的步行機(jī)器人也研制成功，從而開(kāi)始了機(jī)器人步行機(jī)構(gòu)方面的研究，以解決機(jī)器人在不平整地域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，設(shè)計(jì)并研制出了多足步行機(jī) 器人。其中最著名是名為 70年代末，隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和傳感技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人研究又出現(xiàn)了新的高潮。特別是在 80年代中期，設(shè)計(jì)和制造機(jī)器人2的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司開(kāi)始研制移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，這些移動(dòng)機(jī)器人主要作為大學(xué)實(shí)驗(yàn)室及研究機(jī)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)， 從而促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人學(xué)多種研究方向的出現(xiàn)。 90年代以來(lái)，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息融合技術(shù)3，高適應(yīng)性的移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)，真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開(kāi)展了移動(dòng)機(jī)器人更高層次的研究。 本論文嘗試去提供一個(gè)機(jī)器人地圖創(chuàng)建研究現(xiàn)狀的綜合性的觀點(diǎn)， 通過(guò)室內(nèi)環(huán)境的某個(gè)焦點(diǎn)。事實(shí)上，現(xiàn)在所有的機(jī)器人地圖創(chuàng)建算法的研究現(xiàn)狀都是基于概率的。一些算法是增量漸進(jìn)式的，因此能夠?qū)崟r(shí)運(yùn)行，而有些方法則需要大量的已經(jīng)采集好的數(shù)據(jù)。一些算法需要確切的位姿信息去地圖創(chuàng)建，而有些方法則利用里程計(jì)測(cè)量來(lái)地圖創(chuàng)建。 一些算法能夠及時(shí)地處理兩個(gè)不同點(diǎn)的被記錄的數(shù)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 2 據(jù)通信問(wèn)題，而有些算法則需要標(biāo)志符來(lái)進(jìn)行通信以使他們的唯一性。攥寫(xiě)本文時(shí)，力求控制在數(shù)學(xué)方面上要求的水平，通過(guò)自身的理解對(duì)其后的一些方法進(jìn)行闡述和解釋?zhuān)瑸榱烁鞔_地交流和理解某些基礎(chǔ)觀念引用了一些數(shù)學(xué)符號(hào)。 內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的相關(guān)介紹 目前對(duì)移動(dòng)機(jī)器人4的初步定義為：移動(dòng)機(jī)器人是一種半自主或全自主工作的機(jī)器人，它能完成有益于人類(lèi)健康的服務(wù)工作，但不包括從事生產(chǎn)的設(shè)備。移動(dòng)機(jī)器人往往是可以移動(dòng)的，在某些情況下，移動(dòng)機(jī)器人可以由一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成，在它上面裝有一只或幾只手臂，其控制方式與工業(yè)機(jī)器人手臂的控制方式相同。這里所指的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人是在室內(nèi)工作環(huán)境能夠自主移動(dòng)的智能機(jī)器人。 在移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展歷程中，人們首先是以室內(nèi)環(huán)境為背景，開(kāi)始了移動(dòng)機(jī)器人的探索性研究。此時(shí)并沒(méi)有針對(duì)具體的任務(wù)或應(yīng)用背景，而是面向室內(nèi)結(jié)構(gòu)化環(huán)境的基本技術(shù)的初步研究，包括機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，控制技術(shù)，傳感器技術(shù)，信息融合，路徑規(guī)劃和不確定性處理等。一些國(guó)外大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的早期研究得到很多重要的結(jié)論。此外，對(duì)多傳感器信息融合在機(jī)器人上的運(yùn)用，積累了大量寶貴經(jīng)驗(yàn)。進(jìn)入八十年代后，人們根據(jù)前一階段的研究技術(shù)基礎(chǔ)，開(kāi)始了對(duì)室內(nèi)自主式移動(dòng)機(jī)器人的研究。室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人最常見(jiàn)的工作環(huán)境是結(jié)構(gòu)化環(huán)境，如辦公室、超級(jí)市場(chǎng)、家庭居室等等。這些場(chǎng)所的共同特征是平整的地板、垂直的墻壁、規(guī)范的門(mén)廳和走廊。在這種環(huán)境中，機(jī)器人可能和人類(lèi)經(jīng)常要發(fā)生互動(dòng)作用。機(jī)器人必須設(shè)法使它自己穿梭于各種事物之中。同時(shí)，在這種環(huán)境中，機(jī)器人設(shè)計(jì)者可以通過(guò)假設(shè)有關(guān)環(huán)境的約束來(lái)平衡目前環(huán)境感知技術(shù)的缺陷。 從使用上與工業(yè)機(jī)器人相比， 室內(nèi)移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人一般體積較小， 靈活性高，需要自備電源，智能化程度更高。其特點(diǎn)如下： 1、可移動(dòng)性，為了能在某一區(qū)域進(jìn)行作業(yè)或者執(zhí)行某項(xiàng)特殊的任務(wù)，這種機(jī)器人一般都具有一定的行走功能。它的運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)行走機(jī)構(gòu) （主要是輪子或推進(jìn)裝置等） 實(shí)現(xiàn)。 為了能自由運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人一般有多個(gè)控制輪，并且配有自備電源； 2、輕便性，由于移動(dòng)機(jī)器人功能較全、機(jī)構(gòu)較多，這就要求盡可能減輕其自重和體積，以減少對(duì)能量的消耗和增加機(jī)動(dòng)靈活性。移動(dòng)機(jī)器人的傳動(dòng)裝置和控制裝置也趨向輕型化，并盡量減少中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以提高機(jī)械傳動(dòng)效率； 3、易操作性，室內(nèi)移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人與人的關(guān)系十分密切，有時(shí)人與機(jī)器人之間還需進(jìn)行合作與協(xié)調(diào)。因此，使用者和機(jī)器人之間的相互聯(lián)系必須快捷、方便； 4、適應(yīng)性，為了對(duì)執(zhí)行作業(yè)的未知環(huán)境進(jìn)行反應(yīng)，如發(fā)現(xiàn)障礙物并自行回避等，有些服務(wù)機(jī)器人具有學(xué)習(xí)、感覺(jué)和判斷功能，并廣泛采用高性能的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多種傳感器，使其具有感知能力和自主能力。 碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 3 不同與應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)上的機(jī)器人， 室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人主要應(yīng)用在一種結(jié)構(gòu)化的工作大環(huán)境下，如家庭，醫(yī)院等。它作為家務(wù)和辦公室助手正逐漸走進(jìn)人們的生活。而這種機(jī)器人的研制也正成為今后機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。地圖創(chuàng)建一直是移動(dòng)機(jī)器人中不可缺少的重要部分，它要解決的重要問(wèn)題是： 1、機(jī)器人在空間的位置、方向、環(huán)境信息的精確檢測(cè)； 2、所獲信息的分析及環(huán)境模型的建立； 3、噪音的控制，在未知和不確定環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人必須通過(guò)傳感器收集數(shù)據(jù)，并通過(guò)一定的算法把傳感器收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，減低噪音出現(xiàn)的幾率，排除一定的噪音，融合用來(lái)建立外部環(huán)境的模型，正確、全面的反映出外部環(huán)境的特征，為導(dǎo)航?jīng)Q策提供正確的依據(jù)。移動(dòng)機(jī)器人的地圖創(chuàng)建主要依靠傳感器的選擇 ,信息的融合及規(guī)劃算法等。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、 人工智能技術(shù)和傳感技術(shù)的迅速發(fā)展以及地圖創(chuàng)建算法的不斷改進(jìn)和新算法的提出，移動(dòng)機(jī)器人地圖創(chuàng)建技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。但是對(duì)于應(yīng)用比較復(fù)雜或通用性較高的地圖創(chuàng)建方法還沒(méi)有取得重大的突破。 根據(jù)機(jī)器人的工作環(huán)境和執(zhí)行任務(wù)可以采用不同的地圖創(chuàng)建方法。 室內(nèi)移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人自主執(zhí)行任務(wù)時(shí)，應(yīng)以最大的人員安全性及功能可靠性為條件，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人室內(nèi)移動(dòng)過(guò)程中的障礙物的自動(dòng)檢測(cè)和規(guī)避，并作出動(dòng)作決策，能夠按照規(guī)則自動(dòng)完成指定的任務(wù)，如遍歷工作空間等。使用傳感器探測(cè)環(huán)境、分析信號(hào)，根據(jù)精度需要可以通過(guò)適當(dāng)?shù)慕７绞絹?lái)理解環(huán)境。 由于單個(gè)非視覺(jué)傳感器獲取的信息比較少，可以采用多個(gè)或多種傳感器來(lái)獲取環(huán)境信息，再采用合理的算法分離出有用的信息。過(guò)去幾十年里，機(jī)器視覺(jué)的進(jìn)展非常緩慢。但近幾年隨著硬件設(shè)備的飛速發(fā)展，使得當(dāng)前機(jī)器人視覺(jué)地圖創(chuàng)建的研究非?；钴S。使用視覺(jué)傳感器5能夠獲取的信息量大，而且視覺(jué)導(dǎo)航比較接近人的導(dǎo)航機(jī)理。 室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人地圖創(chuàng)建的基本任務(wù)主要有以下三個(gè)方面。 1、基于環(huán)境理解的全局定位：既通過(guò)對(duì)環(huán)境中景物的理解，識(shí)別人為路標(biāo)或具體的實(shí)物，以完成對(duì)機(jī)器人的定位，為路徑規(guī)劃提供素材； 2、目標(biāo)識(shí)別和障礙物檢測(cè)：實(shí)時(shí)對(duì)室內(nèi)地面上障礙物進(jìn)行檢測(cè)或?qū)μ囟繕?biāo)進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別， 提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性； 3、安全保護(hù)：能對(duì)室內(nèi)地面上出現(xiàn)的凹陷或移動(dòng)物體等進(jìn)行分析，以避免對(duì)機(jī)器人造成損傷。 器人地圖創(chuàng)建現(xiàn)存問(wèn)題 如何獲得機(jī)器人所處環(huán)境的空間模型是機(jī)器人地圖創(chuàng)建的第一個(gè)問(wèn)題。 所創(chuàng)建的地圖一般用來(lái)機(jī)器人漫游（定位） 。為了獲得地圖，機(jī)器人必須擁有傳感器以便能夠感知外部世界。傳感器通常用來(lái)完成以下任務(wù)：視覺(jué)6，聲納7、激光、紅外技術(shù)、雷達(dá)、嗅探器、圓規(guī)以及 而，所有傳感器都存在碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 4 著誤差，并且經(jīng)常受限于測(cè)量噪音，更重要的是，大多數(shù)的機(jī)器人的傳感器都有著嚴(yán)格的探測(cè)距離瓶頸。例如，光線與聲音是不能穿透墻壁的。這些瓶頸使得機(jī)器人在探測(cè)未知環(huán)境的同時(shí)創(chuàng)建地圖顯得更為重要。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，通過(guò)環(huán)境探測(cè)采集、處理重要數(shù)據(jù)從而創(chuàng)建地圖，這些數(shù)據(jù)的采集則需要機(jī)器人所攜帶的不同傳感器來(lái)獲取。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)也存在著誤差，而獨(dú)立的控制單個(gè)機(jī)器人也使得沒(méi)有足夠的時(shí)間來(lái)對(duì)某個(gè)機(jī)器人的位姿（坐標(biāo)與方向角）與它所處的環(huán)境進(jìn)行判斷。 機(jī)器人地圖創(chuàng)建一個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題就是如何處理所探測(cè)環(huán)境中測(cè)量噪音。環(huán)境建模中機(jī)器人地圖創(chuàng)建通常被簡(jiǎn)單應(yīng)用于解決：采用不同的測(cè)量方法，噪音是否會(huì)在統(tǒng)計(jì)概率中不受約束。如果這個(gè)是事實(shí)的話，那么一個(gè)機(jī)器人只需要配備盡可能多的測(cè)量技術(shù)以消除噪音，但不幸的是，在地圖創(chuàng)建的過(guò)程中，測(cè)量技術(shù)所固有的誤差他們之間是互相關(guān)聯(lián)的。這就是 因?yàn)榭刂浦碌恼`差隨著時(shí)間的流逝不斷累積， 他們影響到了未來(lái)的傳感器測(cè)量技術(shù)研究方向。 因此， 機(jī)器人所創(chuàng)建出它所處環(huán)境的地圖都會(huì)受到體系式的、相互關(guān)聯(lián)誤差的影響。如何減少這種體系式的誤差是成功創(chuàng)建地圖的關(guān)鍵，并且也是在復(fù)雜環(huán)境下的地圖創(chuàng)建的關(guān)鍵。 很多現(xiàn)有的地圖創(chuàng)建算法融合了數(shù)學(xué)與觀察執(zhí)行點(diǎn)的思想。 第二個(gè)問(wèn)題來(lái)自于高維度實(shí)體的描繪。為了較好的理解高維度問(wèn)題，可以這樣認(rèn)為： 你們可以用多少數(shù)字描繪出你們的家園？如果對(duì)拓?fù)鋵?shí)體的描述限定了范圍，那么用走廊、交叉線、房間、門(mén)以及一些數(shù)字就可以滿足要求了。在機(jī)器人地圖創(chuàng)建中通常用一條直線表示某個(gè)詳盡的二維地面平面圖經(jīng)常需要成千上萬(wàn)的數(shù)字來(lái)描繪，那么某個(gè) 3D 的可視化地圖創(chuàng)建僅僅需要更多的數(shù)字來(lái)描繪就行了。從一個(gè)觀察統(tǒng)計(jì)點(diǎn)來(lái)看，每個(gè)數(shù)字都是一個(gè)潛在的預(yù)算誤差的維度。 第三個(gè)問(wèn)題可能是機(jī)器人地圖創(chuàng)建中最難解決的問(wèn)題：協(xié)調(diào)問(wèn)題，其中包括了數(shù)據(jù)融合問(wèn)題。協(xié)調(diào)問(wèn)題屬于決策性質(zhì)問(wèn)題，它決定了所具備的傳感器測(cè)量技術(shù)能否及時(shí)地把不同的觀測(cè)點(diǎn)協(xié)調(diào)到環(huán)境中同一個(gè)實(shí)體目標(biāo)中去。 因?yàn)橐粋€(gè)機(jī)器人嘗試著去創(chuàng)建一個(gè)閉合的環(huán)型地圖，當(dāng)?shù)竭_(dá)這個(gè)環(huán)的終點(diǎn)時(shí)，機(jī)器人必須找出它最開(kāi)始的起點(diǎn)位置。到達(dá)環(huán)的終點(diǎn)的時(shí)刻機(jī)器人所處的狀態(tài)是個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題，因?yàn)闄C(jī)器人所有積累的位姿誤差已經(jīng)非常大了。協(xié)調(diào)問(wèn)題難就難在可能存在的假設(shè)推斷會(huì)隨著時(shí)間的推移成指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。 大過(guò)數(shù)關(guān)于協(xié)調(diào)問(wèn)題取得成就都出現(xiàn)在過(guò)去 5 年里， 在很長(zhǎng)的一段時(shí)間里這個(gè)問(wèn)題在機(jī)器人地圖創(chuàng)建中基本上是被忽略不記的。 第四個(gè)問(wèn)題就是環(huán)境在變化，也就是我們所說(shuō)的動(dòng)態(tài)環(huán)境。環(huán)境的一些變化可能會(huì)很慢，例如樹(shù)木會(huì)隨著四季交替而變化自己的形態(tài)，辦公大樓會(huì)因?yàn)闀r(shí)間碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 5 的侵蝕而變得陳舊。而有些環(huán)境卻變化得很快，一扇門(mén)的狀態(tài)，它可能在一段時(shí)間內(nèi)不停開(kāi)關(guān)；房間內(nèi)某張凳子的擺放的位置也會(huì)時(shí)刻變化，甚至有更快的環(huán)境變化， 例如街道上飛馳的汽車(chē)與行走的人們。 機(jī)器人所處環(huán)境中存在動(dòng)態(tài)的目標(biāo)，這樣很容易讓機(jī)器人的傳感器采集矛盾的數(shù)據(jù)。試想，在前一時(shí)刻，機(jī)器人探測(cè)到一扇開(kāi)著的門(mén)，而現(xiàn)在門(mén)的狀態(tài)已經(jīng)變了，門(mén)已經(jīng)關(guān)閉了，這讓機(jī)器人很難做出正確的判斷，當(dāng)機(jī)器人再次遇到這扇門(mén)的時(shí)候，它會(huì)認(rèn)為門(mén)還是開(kāi)著的。非常遺憾的是， 現(xiàn)如今還沒(méi)有出現(xiàn)一個(gè)較好的能夠讓機(jī)器人自主認(rèn)知?jiǎng)討B(tài)環(huán)境的地圖創(chuàng)建算法，現(xiàn)在較為突出的地圖創(chuàng)建算法也是建立在靜態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)上的，所有動(dòng)態(tài)因素都被視為噪音。因此，大多數(shù)的技術(shù)僅僅應(yīng)用于短時(shí)間地圖創(chuàng)建過(guò)程，因?yàn)榫瓦@樣可以假設(shè)環(huán)境是不存在動(dòng)態(tài)因素。 最后一個(gè)問(wèn)題就是機(jī)器人在地圖創(chuàng)建的過(guò)程中應(yīng)該選擇一條什么樣的行走路徑。為了創(chuàng)建一張較為詳盡的地圖，機(jī)器人的行走路徑涉及到了機(jī)器人漫游的研究。在已知環(huán)境中機(jī)器人能夠計(jì)算出最優(yōu)路徑，而漫游機(jī)器人則必須先處理局部的、未知環(huán)境，因此，在機(jī)器人創(chuàng)建地圖的同時(shí)，任何可用的探測(cè)策略必須能夠應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)各種不同的情況和意外?；谝陨线@個(gè)原因，探測(cè)涉及到了通過(guò)啟發(fā)式的次最優(yōu)路徑算法進(jìn)行探測(cè)規(guī)劃的問(wèn)題。一旦選擇移動(dòng)到哪里，所獲取的數(shù)據(jù)量與所消耗的時(shí)間和精力是成正比的， 同樣的機(jī)器人位姿信息可能性的丟失量也會(huì)增加。此外，基本地圖評(píng)估技術(shù)必須能夠?qū)崟r(shí)地生成地圖，這種技術(shù)擁有一項(xiàng)重要的約束條件，能夠排除掉許多現(xiàn)有的行走路徑。 綜上所述，參考文獻(xiàn)中所提及的地圖創(chuàng)建牽涉到了機(jī)器人定位的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題中的關(guān)鍵是如何修正機(jī)器人的位姿。 當(dāng)我們基于現(xiàn)有的技術(shù)提出一種地圖創(chuàng)建方法時(shí)，環(huán)境中障礙物的坐標(biāo)的確定與機(jī)器人自身的定位必須聯(lián)系地考慮。實(shí)質(zhì)上，機(jī)器人的定位與地圖都是不確定的，而且這兩者的精度都受到某種體系式的噪音的影響。因此，與探測(cè)技術(shù)和噪音控制技術(shù)相關(guān)的被評(píng)估的探測(cè)精度是相互獨(dú)立的，那么同時(shí)對(duì)機(jī)器人定位和地圖 進(jìn)行評(píng)估能夠獲得較好的探測(cè)精度 (機(jī)器人當(dāng)時(shí)的狀態(tài) )。我們?cè)傧蚋讓拥姆较蛩伎紗?wèn)題 ，機(jī)器人的地圖創(chuàng)建就是像是 “先有雞還是先有蛋的問(wèn)題 ”。如果機(jī)器人的位姿始終確定，那么地圖的創(chuàng)建將是非常簡(jiǎn)單的工作，同理，如果我們有一張?jiān)敱M的環(huán)境地圖，那么我們將有非常行之有效的算法來(lái)確定任何時(shí)刻任何地點(diǎn)的機(jī)器人位姿8。 論文的研究?jī)?nèi)容與組織結(jié)構(gòu) 本文以移動(dòng)機(jī)器人 主載體，基于聲納傳感器對(duì)室內(nèi)環(huán)境的柵格地圖創(chuàng)建問(wèn)題進(jìn)行研究。 首先介紹地圖創(chuàng)建的基礎(chǔ)問(wèn)題： 動(dòng)模型、里程計(jì)與碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 6 命令控制模型，這三個(gè)模型構(gòu)成了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集、信息處理等一系列功能模塊的主體，其中控制命令模型是在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中最難編碼實(shí)現(xiàn)與測(cè)試的，但它又是機(jī)器人位姿估計(jì)、修正以及確定的核心。 出了一種基于 概率柵格創(chuàng)建方法。 于聲納傳感器的柵格地圖創(chuàng)建的方法，根據(jù) 硬件特性，主要是介紹了柵格、 聲納、 概率等相關(guān)技術(shù)， 并對(duì)一些基本思想理論進(jìn)行了改進(jìn)，以更適合 運(yùn)作，同時(shí)在此基礎(chǔ)上提出了基于 納弧橫切線交點(diǎn)算法）9的改進(jìn)算法，使得地圖創(chuàng)建在一些特定環(huán)境上的精度有了很大提高， 對(duì)噪音的控制也有著較明顯的效果。 4、最后通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)分析算法的性能與可行性，并對(duì)以后的工作進(jìn)行計(jì)劃、展望。 章小結(jié) 本章主要是介紹了室內(nèi)機(jī)器人地圖創(chuàng)建的研究背景與意義， 簡(jiǎn)單描繪了移動(dòng)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)，并提出了移動(dòng)機(jī)器人地圖創(chuàng)建的基本任務(wù)與一些現(xiàn)存問(wèn)題，最后對(duì)整篇論文進(jìn)行了一個(gè)整體規(guī)劃與介紹。 碩士學(xué)位論文 第二章 圖創(chuàng)建的相關(guān)模型 7 第二章 圖創(chuàng)建的相關(guān)模型 本文是以 南移動(dòng) 2 號(hào)）機(jī)器人為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)理論的研究與實(shí)驗(yàn)建模的，創(chuàng)建了機(jī)器人內(nèi)部系統(tǒng)的三種模型，根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)，對(duì)三種模型進(jìn)行了函數(shù)描述與相關(guān)的參數(shù)修改，以符合實(shí)際應(yīng)用的探測(cè)精度與要求，提高了機(jī)器人的位姿信息準(zhǔn)確性，而且為后面的地圖創(chuàng)建提供了良好的定位機(jī)制。 本文采用的機(jī)器人為項(xiàng)目組自主改裝的 器人，最大直徑為33 28 克，具備能夠滿足課程教學(xué)、科技創(chuàng)新和研究服務(wù)等要求的智能移動(dòng)機(jī)器人，機(jī)器人外觀如圖 2示： 圖 2器人 位姿模型 機(jī)器人在探測(cè)環(huán)境時(shí)需要時(shí)刻知道自己位姿情況， 也就是為了時(shí)刻明確機(jī)器人在局部坐標(biāo)系與全局坐標(biāo)系下的位置10， 以及機(jī)器人的朝向角。 假設(shè)在部坐標(biāo)系中機(jī)器人的位姿表示為,( = ， ),(機(jī)器人的局部坐標(biāo)，局部坐標(biāo)系中機(jī)器人與 X 軸正向的夾角，在本文中，朝向角順時(shí)針為負(fù)，逆時(shí)針為正，如圖 2示。 運(yùn)動(dòng)模型 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型與位置模型其實(shí)是相輔相成的， 機(jī)器人的位置模型表示為一個(gè)三維向量,( = ， 而機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型就表示為狀態(tài)向量一個(gè)矢量函數(shù)，如圖 2示，其中 碩士學(xué)位論文 第二章 圖創(chuàng)建的相關(guān)模型 8 圖 2器人位姿模型圖 圖 2器人運(yùn)動(dòng)模型圖 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型用于描述在一個(gè)輸 入控制命令下，機(jī)器人前一時(shí)刻1態(tài)與當(dāng)前狀態(tài)間的關(guān)系。運(yùn)動(dòng)模型的離散時(shí)間的差分方程形式為： 11,1)(+= （ 2 其中1示在 刻下輸入的控制命令或者是里程計(jì)輸出數(shù)據(jù)，1于表示系統(tǒng)噪音數(shù)據(jù)與系統(tǒng)建模的不確定。理想情況下，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型應(yīng)該準(zhǔn)確地描述機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)信息，進(jìn)而得到機(jī)器人狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。但在實(shí)際應(yīng)用中卻是不可能達(dá)到的， 因?yàn)橛糜邢薜膮?shù)進(jìn)行系統(tǒng)建模是不可能完全的描述系,(111 O ),(,(o 第二章 圖創(chuàng)建的相關(guān)模型 9 統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，再有就是噪音與客觀環(huán)境下的不同條件，這些都給機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型帶來(lái)了不確定性。完整的描述機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，需要一個(gè)高度復(fù)雜的非線性函數(shù)，通常用一個(gè)簡(jiǎn)化的運(yùn)動(dòng)模型來(lái)近似模擬。在這里，完全可以采用同時(shí)定位與地圖創(chuàng)建 (的運(yùn)動(dòng)模型1112，因?yàn)樵?有兩個(gè)系統(tǒng)模型：觀測(cè)模型和動(dòng)態(tài)模型。觀測(cè)模型的具體形式和機(jī)器人所采用的傳感模型有關(guān)，具體形式將在以后的章節(jié)詳細(xì)介紹；再由于本文中的實(shí)驗(yàn)環(huán)境為靜態(tài)的，因此 的運(yùn)動(dòng)模型就可以作為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型。 假設(shè)機(jī)器人在 t 時(shí)刻下，它的運(yùn)動(dòng)模型用 ),|(1 示，機(jī)器人在 t 時(shí)刻的位姿用 ),(= 這個(gè)三維變量表示， ),(= 表示 t 時(shí)刻里程計(jì)的數(shù)據(jù)，示 t 時(shí)刻機(jī)器人的位移量，示機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)角度。通常在實(shí)際應(yīng)用中，采用了以下的運(yùn)動(dòng)模型： )1+= (2)1+= (2 21(2其中 表示機(jī)器人的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度，基于器人探測(cè)特性，在平移的時(shí)候不能旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的時(shí)候不能移動(dòng)，并且考慮到實(shí)際環(huán)境中的噪音與系統(tǒng)的不確定性，因此將式進(jìn)行修改，以符合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用： 1111)2)(2)(+= (21111)2)(2)(+= (2112+= (2該模型設(shè)定機(jī)器人在 刻到 t 時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)速度恒定，所以 D 必呈正態(tài)分布，考慮到機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)的朝向角為 2)(1 +t，以及運(yùn)動(dòng)軌跡的切向角 2)(1+t，同時(shí)噪音與環(huán)境的不確定性由1示，那么在機(jī)器人探測(cè)環(huán)境同時(shí)，無(wú)論機(jī)器人是做平移還是旋轉(zhuǎn)，該模型均能很好描繪出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息。 碩士學(xué)位論文 第二章 圖創(chuàng)建的相關(guān)模型 10 程計(jì)與改進(jìn)的控制命令模型 里程計(jì)在 對(duì)定位中得到充分應(yīng)用，在 運(yùn)動(dòng)信息也是通過(guò)里程計(jì)獲取的。主要原理是通過(guò)裝在機(jī)器人車(chē)輪上的碼盤(pán)和編碼器進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度換算來(lái)計(jì)量機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的情況。使用碼盤(pán)的 據(jù)安