基于旋转超声信号的室内环境建模研究

摘要

近年来随着服务机器人的快速发展，智能化已成为必然趋势，自主导航作为机器人智能化的重要指标，要求机器人拥有识别周围环境并定位的能力。但是实际生活中机器人所面对的环境大部分无法预先知晓，所以自主识别周围环境并进行地图绘制成为必然需求。基于超声信号的环境建模技术，因其传感器发展最早、最为成熟，小范围测量精度高，对人体没有伤害，价格便宜，转化产品成本低廉等优点，在室内服务机器人上有广阔的应用前景。因此，本文根据室内环境特点，设计数据稳定性强，可以提取多种特征的旋转超声平台，进行环境特征地图构建的研究。
　　在环境特征提取方面，需要面对温度变化、传感器间串扰、超声传感器定向性差、测量误差等影响。本文通过温度补偿抵消不同环境温度导致的测量值偏差。使用4个超声传感器，以正方形结构搭建旋转平台，完成对环境的360°扫描，在保证效率的同时获取更多的环境特征信息，并抑制传感器间的串扰影响。为了优化数据结构剔除误差点，本文提出了基于距离差值的孤立点检测滤波算法，另外针对超声传感器定向性差的问题，提出了相似距离值超声弧聚类算法与以中心线超声模型为基础的Minimum Distance of Point（MDP）特征提取算法，将每个超声弧特征点位置提取出来，并通过MDP几何弧线模型进行特征类型的区分。针对分体式超声传感器环境分辨能力差的问题，提出了模糊MDP特征提取算法，实现了分体式传感器旋转测距情况下的环境特征提取。
　　在地图构建方面，针对收发一体超声传感器，实现了利用MDP算法与最小二乘拟合构建环境地图的仿真实验。针对收发分体超声传感器，提出了切线法，解决了高偏差、极少特征点情况下的直线特征拟合问题，并拥有较高的精度。而对于较大环境的直线拟合，提出了分段切线法，解决了大环境下因估计直线角度偏差造成的误差累计问题。通过模糊MDP算法与切线法拟合完成了环境地图构建，实验结果有较高的精确性。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景与研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3国内外现状总结

1.4 本文贡献及组织结构

第2章 超声建模平台设计

2.1 总体设计

2.2 超声阵列设计

2.3 超声传感器选型与控制

2.4 电机选型与控制

2.5 超声平台控制方法与实物展示

2.6 测量数据稳定性实验

2.7 本章小结

第3章 超声特征提取算法分析与改进

3.1 等区域法超声特征提取算法分析

3.2 MDP特征提取算法建立

3.3 本章小结

第4章 一体式超声MDP环境建模

4.1 特征地图环境建模

4.2 一体式超声传感器几何特征模型验证

4.3 本章小结

第5章 分体式超声MDP环境建模

5.1 分体式超声数据模型分析

5.2 模糊MDP算法

5.3 高偏差下的直线特征点拟合

5.4 简单特征环境建模

5.5 复杂特征环境建模

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

声明

致谢