基于路标的家庭服务机器人室内定位系统的设计与实现

摘要

家庭服务机器人作为服务型机器人中重要的一类，开始逐渐走入我们的日常生活。定位功能是家庭服务机器人的基础与关键技术。针对家庭室内环境下移动机器人定位的复杂性与低成本性的要求，迫切需要一种简单易用的家庭服务机器人室内定位系统。
　　本论文通过对已有定位方法的调研与研究，针对移动机器人依靠里程计通过航迹推算位姿中的误差累积问题，提出一种基于路标的家庭服务机器人室内定位系统解决方案。方案中，首先在对室内地面二维码路标进行设计与部署，然后使用安装于移动机器人本体的高速读码器对二维码路标进行读取操作，获取位姿信息实现定位。
　　为了降低在室内地面部署路标的成本，寻找最少路标数量的部署方案，本文首先对室内环境中无障碍物情况下的路标部署拓扑结构进行研究。根据移动机器人在运动过程中的约束条件，建立路标部署模型，利用Voronoi多边形模型实现在无障碍物室内环境中路标的渐进最优部署。其次，在固定障碍物室内环境中，基于无障碍物条件下的渐进最优部署方案，设计虚拟弹簧模型对其进行调整，实现路标的有效部署。
　　传统二维码识别算法无法满足室内定位系统的实时性要求以及无法给出二维码路标位姿信息，特别是无法给出精度较高的姿态信息，针对以上两个问题，本文首先提出了基于二维码候选区域检测的二维码路标快速检测算法，实现了对二维码路标的快速识别。其次，针对单码识别姿态角度不够稳定，精度低的问题，提出多码融合姿态识别算法，实现了姿态信息的稳定高精度。
　　最后，给出了利用路标计算位姿的方法并进行实验测试。通过与传统算法以及单码位姿识别算法进行对比，验证了二维码快速识别算法与多码融合姿态识别算法的有效性。通过实验验证了室内定位系统算法的有效性。

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第一章绪论

第一节研究背景和意义

第二节室内移动机器人定位介绍

第三节路标定位及二维码路标定位技术介绍

第四节本论文主要内容

第二章室内移动机器人定位系统的结构

第一节室内定位系统结构组成与工作流程

第二节路标设计

第三节高速读码器

第四节本章小结

第三章路标部署的拓扑结构设计

第一节引言

第二节路标拓扑模型分析

第三节路标的渐进最优部署

第四节固定障碍物室内环境路标部署

第五节本章小结

第四章路标的检测与识别算法

第一节引言

第二节检测识别算法总体流程

第三节二维码快速识别算法

第四节二维码多码融合算法

第五节本章小结

第五章定位系统位姿计算方法及实验测试

第一节引言

第二节摄像机模型及机器人位姿计算方法

第三节室内定位系统的实验测试

第四节本章小结

第六章总结与展望

第一节总结

第二节展望

参考文献

致谢

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