基于激光雷达的栅格-拓扑地图构建算法研究与实现

摘要

目前，移动机器人在安防巡逻、医疗保健和生活服务等领域得到了广泛应用。在其执行任务之前，需要通过安装在本体上的传感器获取外界环境信息，从而创建所在环境的地图。但是目前主流的环境地图即几何特征地图、栅格地图和拓扑地图都存在较大缺陷，无法满足移动机器人在大规模环境下建图和导航的需求。为此本文提出了一种基于激光雷达传感器构建栅格-拓扑地图的方法，具体研究如下： （1）提出了改进移动机器人位姿估计精度的算法。由于GMapping算法构建栅格地图时机器人位姿估计不够精确，本文利用高频率的激光雷达来实现移动机器人的位姿估计。首先利用粒子滤波方法在里程计位姿估计的基础上进行采样，实现移动机器人位姿初始估计。在此估计的基础上，通过相邻两帧激光雷达扫描数据使用快速ICP算法配准，从而获得移动机器人位姿的精确估计。最后利用改进的精确位姿估计创建栅格地图。本文在真实环境中验证了快速ICP算法相比于其他方法的优势，同时证明了基于位姿估计改进后的GMapping算法创建的栅格地图具有更高的精度。 （2）设计了构建栅格-拓扑地图的方法。本文首先研究了基于栅格地图提取角点特征的算法，以及基于激光雷达扫描数据提取角点和直线段特征的算法。然后利用蒙特卡罗定位获得此刻移动机器人在栅格地图中的位姿。最后融合基于栅格地图和扫描数据的特征提取，识别出通道信息，提取拓扑节点，从而创建栅格-拓扑地图。 （3）设计并实现了基于激光雷达的栅格-拓扑地图构建系统GT_Mapping。给出了GT_Mapping系统的整体架构，详细介绍了各个主要功能模块。该系统在机器人操作系统下开发，通过系统测试实验证明，本系统能够准确的生成栅格-拓扑地图。

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