基于定位能力的移动机器人路径规划研究

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随着《中国制造2025》行动纲领的提出,“智能制造”的发展得到了国家的高度重视和重点支持。移动机器人(以下简称为“机器人”)作为该背景下的重要研究课题,具有广泛的应用前景,可应用至各种生活服务、智能物流、灾难救援等领域。自主定位始终是机器人相关技术中最基础、最核心的技术之一,且保证机器人在自主导航阶段中具有可靠的定位性能是其能完成设定任务的前提条件。在机器人自主导航过程中,不同地点的环境信息和地图噪声会对机器人的定位过程造成不同的影响。这意味着机器人在一个给定的已知地图中各处的定位能力——使用激光雷达在环境中进行自定位的能力,是不相同的。因此,有必要在路径规划阶段将定位能力纳入考虑,以避免机器人在导航过程中出现较大的定位误差并降低机器人自定位失败的风险。本文以机器人路径规划技术和定位技术中的定位能力的结合和实现方法为研究目标,围绕配备激光雷达的机器人在室内外环境下的全局路径规划展开研究,并提出一种基于二维和三维定位能力约束的路径规划方法。借此提高机器人在无可靠GPS信号的情况下,在存在特征匮乏、特征相似或建图噪声较大的区域的环境中进行自主导航时的定位精度。本文的主要内容如下:1.二维和三维定位能力矩阵和指标计算:本文基于Fisher信息矩阵、Cramer-Rao Bound定理和前人基于二维激光雷达及概率栅格地图完成的定位能力相关工作,结合路径规划的需要及移动机器人的特性,分别给出基于概率栅格地图和不同二维激光雷达观测模型的二维定位能力矩阵和指标计算方法,以及基于八叉树地图和不同三维激光雷达观测模型的三维定位能力矩阵和指标计算方法。该定位能力指标可以综合地反映机器人在地图中各位姿下的定位不确定性。2.基于定位能力的移动机器人路径规划方法:本文通过将定位能力指标作为一种约束与路径规划相结合,提出基于定位能力(指标)的移动机器人路径规划方法。其中分别基于二维和三维定位能力指标图,给出概率栅格地图和八叉树地图中的局部和全局可通行区域的提取方法,并通过在约束条件中过滤低定位能力区域,保证机器人沿着规划路径导航时的定位性能。3.实验验证:本文基于智能轮椅开展一系列真实场景下的二维实验,及基于Gazebo仿真环境下的四旋翼无人机模型完成三维仿真,并对实验和仿真结果进行分析。同时通过实验和仿真的结果验证本文算法的可行性和有效性。综上,针对移动机器人的自主导航任务,本文提出一种基于二维和三维定位能力的全局路径规划方法。本文方法的优点之一是,其在求解路径阶段中不限定于任何特定的路径规划算法,且可容易地将定位能力指标约束与传统的路径规划方法相结合。通过一系列的实验和仿真表明,本文方法可以有效地降低机器人在导航过程中的定位误差,进而提高机器人整体的定位性能。
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