废墟辅助救援机器人环境建模与避障策略研究

摘要

世界各地地震灾害频发，使受灾地区的人民生命和财产安全受到严重威胁。灾害发生后的救援工作中，为了提高救援效率和保障救援人员生命安全，非常有必要对废墟环境辅助救援机器人进行研究。同时，移动机器人环境建模和自主避障策略也是机器人研究领域的关键技术。本文结合国家863计划项目“地震灾害辅助救援机器人示范系统研究”，以双节履带式救援机器人为平台，以激光雷达为主要传感器，围绕废墟复杂环境中机器人的环境建模和自主避障问题，分别从理论和实践上开展了研究和探讨。
　　首先，建立了救援机器人系统以及激光雷达坐标模型，并推导了坐标系之间的坐标变换关系，根据激光雷达及其转台机构的特点建立了新型的坐标系，降低数据处理量。对激光雷达的误差进行了分析讨论，并就如何降低误差以及激光雷达数据的预处理方法进行了研究。在此基础上研究了基于二维激光雷达的三维空间特征提取算法，将相邻的多个二维平面内的特征进行整合得出三维空间的环境特征。
　　其次，对救援机器人环境建模进行了研究，提出了改进的ICP点云配准算法将激光雷达多次扫描数据进行拼接。传统ICP配准算法在处理带有较多误差点的配准问题时极不稳定，常造成配准结果的失败。通过对传统ICP算法的研究，提出一种稳定性更好的改进配准算法，通过增加权重函数削弱离散点对配准结果的影响。进行了含有干扰点的点云配准实验，对比实验结果验证了改进算法在处理含有干扰点的配准问题中具有较好的稳定性。
　　然后，在环境特征提取的基础上提出了基于行为的救援机器人自主避障策略，搭建了包含空闲状态、行为决策状态、行为实现状态、数据反馈状态、特征提取状态以及停机保护状态的控制系统状态机。行为决策状态根据数据反馈状态返回的环境特征以及其他传感器参数，采用T-S模糊神经网络与逻辑判断结合的方式进行融合决策。行为实现状态根据决策结果切换并执行相应的行为。状态之间按照规则不断切换完成自主避障。
　　最后，针对本文研究的环境建模以及自主避障策略搭建了救援机器人实验平台，并在模拟实验环境下进行了实验。结果表明，救援机器人环境建模算法能够可靠地对多次扫描的结果进行拼接，并较为准确地表达出复杂环境的全貌。救援机器人可以在黑暗未知环境中完成自主避障行走。

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第1章绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2国内外研究现状

1.3主要研究内容

第2章基于激光雷达的机器人局部环境特征提取

2.1引言

2.2激光雷达坐标模型及坐标变换

2.3误差分析及数据预处理

2.4二维环境特征提取

2.5三维环境特征提取

2.6本章小结

第3章基于激光雷达点云配准的作业环境建模

3.1引言

3.2点云数据类型

3.3配准数学模型

3.4 ICP点云配准算法

3.5改进的ICP点云配准算法

3.6基于点云配准的环境建模

3.7本章小结

第4章基于多行为状态机的救援机器人避障策略研究

4.1引言

4.2基于行为的控制系统状态机

4.3救援机器人行为决策

4.4救援机器人行为实现

4.5本章小结

第5章救援机器人系统实验

5.1引言

5.2救援机器人实验平台搭建

5.3救援机器人控制系统软件设计

5.4救援机器人环境建模实验

5.5救援机器人避障实验

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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