石窟寺是中华民族传承脉络清晰、关系密切、系统完备的历史遗存,它在世界非物质文化遗产中具有重要地位,也是富有我国民族特色的非物质文化遗产种类。但是它们经历人与自然的长期循环作用,存在风化侵蚀和失稳破坏的风险,需要进行保护处理。传统的病害损伤探测方法在石窟寺洞窟环境中具有一定的局限性,为此开发一款石窟寺探测机器人对石窟寺洞窟岩壁损伤信息进行精细化探测。该机器人具备在复杂环境下自主导航的功能,而同步定位与地图构建技术则是实现机器人自主导航的关键技术之一。同步定位与地图构建是指机器人利用携带的各种传感器来收集所处位置的周围环境信息,构建增量型地图,同时完成自身位置的定位。由此可见同步定位与地图构建技术对石窟寺探测机器人来说至关重要,有了它就相当于给机器人安装了一双“智慧之眼”。本文以实现复杂环境下移动机器人自主导航技术为研究目标。结合石窟寺探测机器人样机,基于二维激光雷达、IMU及三维激光雷达,设计石窟寺探测机器人在石窟寺洞窟复杂环境下的同步定位与地图构建方案,完成高质量建图和高精度定位的任务,进而实现石窟寺探测机器人自主导航的功能。本文从以下几个方面展开研究分析。首先研究了石窟寺探测机器人的SLAM系统与软硬件平台。先建立了探测机器人SLAM系统的各个模型包括机器人坐标系模型、航迹推演模型、环境地图模型及激光雷达测距模型;然后设计了机器人SLAM系统的软硬件平台。其次研究了石窟寺探测机器人的SLAM算法。先分析了SLAM问题的概率模型及图优化SLAM算法;然后对石窟寺探测机器人SLAM技术的实际功能需求进行分析,设计了一套适用于石窟寺洞窟复杂环境的SLAM技术;随后选择cartographer SLAM算法作为本文的核心算法,并详细阐述cartographer SLAM算法的原理;最后在前面工作的基础上检验算法的适应性。然后进行了石窟寺探测机器人SLAM技术实验。先基于Gazebo对SLAM技术进行仿真,搭建物理仿真平台,设计仿真流程图;然后基于cartographer借助石窟寺探测机器人样机,利用二维激光雷达和三维激光雷达及IMU,设计了室内二维环境建图和三维环境建图实验,最后利用石窟寺探测机器人进行了石窟寺洞窟现场环境建图实验。实验结果表明,二维建图实验达到了理想效果,构建出石窟寺特定洞窟二维环境地图并成功应用在路径规划模块,实现了机器人移动底盘的自主导航功能,但是三维建图实验效果与预期目标尚存在一定差距,还有待进一步研究。