基于ROS的移动机器人未知区域探索与环境建模

摘要

在火灾、矿难、地震等灾害救援任务中，往往会形成高温、浓烟、毒气、坍塌等危险环境，使得救援人员难以进入。移动机器人能够代替救援人员执行任务，减少人员伤亡，受到了广泛的关注，具有积极的科学价值和现实意义。 本课题将以移动机器人探索未知环境为背景展开。使用机载激光雷达探索环境，并构建地图，然后部署传感器网络节点，构成实时的环境监测系统。 为增强移动机器人的运动控制能力，本文引入ROS机器人操作系统设计和构建了移动机器人平台，硬件采用了iRobot差分驱动底盘和UTM30LX激光雷达。通过建立数学模型并进行分析，仅依托里程计的航迹推算方法具有较大的误差，而且随时间单调递增。因此，本文使用环境特征点对其进行矫正，通过扩展卡尔曼滤波的不断迭代，使得系统趋于稳定，误差协方差不随时间变化。在此基础上，针对室内环境，提出了基于Hector SLAM的同步定位与构图算法，使用激光雷达的数据匹配实现定位和局部地图到全局地图的连接。实验结果表明，所构建的移动机器人平台具有很好的鲁棒性，能够准确地构建室内环境的二维平面图，对于存在干扰的地面也能达到较高的精度。 在移动机器人的路径规划方面，本文提出了在A*算法基础上改进遗传算法的路径规划算法，利用A*算法可以快速搜索出一条最短路径，再使用遗传算法对该初始路径进行优化，两者结合可以得到机器人移动的最优或次优路径。仿真结果表明改进后的算法所规划出的路径长度比A*算法规划出的路径长度明显缩短。 针对传统遥控和无线控制作用距离有限的问题，本文设计并实现了无线传感器网络(WSN)多跳通信链路，由移动机器人在行进过程中部署WSN节点，形成远大于传统方式的机器人控制链路，能够很好地满足复杂环境灾难救援的需求。同时，由无线传感器网络节点携带温度、湿度、气体浓度等传感器，实时感知周围环境的信息。本文将机器人的机动性与无线传感器网络的分布式环境感知相结合，能够显著地提高救援任务的执行效率。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景、目的与意义

1．1．1课题研究背景

1．1．2课题研究目的与意义

1．2国内外研究现状

1．2．1国外研究现状

1．2．2国内研究现状

1．3论文的组织结构

第2章移动机器人建图与定位算法研究

2．1建图与定位算法概述

2．1．1环境模型的选取

2．1．2常见的环境建模与定位方法

2．2基于激光雷达的Monte Carlo定位

2．2．1算法实现过程

2．2．2仿真实验与数据分析

2．3基于扩展卡尔曼滤波的建图算法

2．3．1特征点位置获取与地图创建

2．3．2同步定位与建图

2．3．3仿真实验与数据分析

2．4基于Hector SLAM的自主建图算法

2．4．1 Hector系统框架

2．4．2地图获取与扫描匹配

2．4．3基于Hector SLAM的仿真实验

2．5本章小结

第3章移动机器人路径规划与避障算法研究

3．1路径规划研究概述

3．2全局路径规划

3．2．1 Dijkstra算法

3．2．2 A*路径规划算法

3．2．3基于A*算法的改进遗传算法

3．2．4实验结果与分析

3．3局部避障路径规划

3．3．1机器人局部避障算法

3．3．2动态窗口避障算法

3．3．3实验结果与分析

3．4本章小结

第4章基于移动机器人实时探索的传感器网络部署

4．1无线传感器网络概述

4．1．1 WSN节点部署关键问题

4．1．2 WSN节点部署算法

4．2基于Voronoi图的节点部署算法

4．2．1 Voronoi图

4．2．2算法实现过程

4．3仿真实验与数据分析

4．4本章小结

第5章机器人总体设计与实验

5．1基于ROS的移动机器人平台

5．1．1 ROS操作系统

5．1．2 ROS系统总体框架

5．1．3移动机器人平台

5．2 ROS移动机器人导航系统

5．2．1系统坐标变换

5．2．2 Navigation栈构架

5．2．3 Costmap代价地图

5．3移动机器人部署节点系统总体设计

5．3．1无线传感器网络节点

5．3．2 Arduino开源硬件平台

5．3．3节点投掷装置的设计

5．4实验与结果

5．4．1移动机器人自主建图实验

5．4．2移动机器人定点导航实验

5．4．3节点部署与温度感知实验

5．5本章小结

6．1总结

6．2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间科研任务及主要成果

作者简介