基于激光扫描测距的室内飞行定位与避障技术研究

摘要

本文以微小型四旋翼飞行器完成未知室内环境探索为应用背景，针对同步定位与建图（SLAM）算法计算复杂度大的问题，以能够在微小型四旋翼飞行器ARM嵌入式飞行控制系统上实现为目标，研究了基于激光扫描测距的室内定位与避障技术。
　　本文采用迭代最近点（ICP）匹配算法实现室内定位，为了降低匹配过程的计算复杂度，对标准ICP算法进行了改进。首先，用环境中的真实特征点代替激光测距扫描仪采集的扫描点完成匹配过程。其次，限定了对应点的搜索范围。为了获取环境中的真实特征点，对扫描数据进行了数据滤波、区域分割、特征线段提取、特征点提取，并给出了一种真实特征点筛选机制。考虑到两次扫描间微小型四旋翼飞行器的偏航角变化范围，在搜索一个点的对应点时，无需搜索点集中所有点，只要搜索一定角度范围的点。
　　为了使微小型四旋翼飞行器能够在未知环境完成避障飞行，本文给出了一种基于滚动窗口规划的室内避障策略，使用快速扩展随机树（RRT）算法实现未知室内环境下的避障与路径规划。由于全局环境信息未知，将全局避障规划视作局部避障规划，通过反复多次的局部避障规划来模拟一次完成的全局避障规划。给出了局部子目标点的确立方法，利用区域分割获得的区域边界点信息计算得出两个区域间相邻边界点的连线长度，以最长的边界点连线的中点作为局部子目标点。
　　最后，本文搭建了用于验证室内定位与避障算法的实验数据采集系统，并进行了室内定位与避障的离线实验。离线实验结果表明本文给出的算法可以完成在未知环境下的室内定位和障碍躲避。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1课题研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3微小型四旋翼飞行器室内导航的关键技术

1.4本文的主要内容与结构安排

第二章 激光扫描数据的处理与特征提取

2.1激光测距扫描仪

2.2坐标系定义

2.3激光扫描数据滤波

2.4特征线段提取

2.5特征点提取与筛选

2.6本章小结

第三章 室内地图构建与定位算法

3.1基于激光扫描测距的匹配问题

3.2标准ICP匹配算法分析

3.3本文对ICP匹配算法的改进

3.4改进ICP匹配算法的验证

3.5室内全局定位与地图构建

3.6本章小结

第四章 室内飞行避障规划策略研究

4.1避障方法研究

4.2 RRT算法分析

4.3基于滚动窗口规划的RRT算法

4.4室内避障策略

4.5本章小结

第五章 实验分析

5.1实验数据采集系统搭建

5.2实验场景构建

5.3改进ICP匹配算法的性能分析

5.4室内全局定位与建图实验

5.5基于滚动窗口规划RRT算法的室内局部避障离线实验

5.6基于RRT算法的室内全局路径规划离线实验

5.7本章小结

第六章 总结与展望

6.1工作总结

6.2展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文