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多机器人协作探索环境和地图构建系统设计与实现

2020-12-02阅读(278)

多机器人协作探索环境和地图构建系统设计与实现

论文摘要

未知环境下多机器人协作探索和地图构建是移动机器人领域的研究热点之一。在外太空间探索、灾区危险区域救援、家庭服务机器人等领域有着巨大的研究价值和应用潜力。本文针对室内移动机器人的工作环境,设计了多机器人协作探索环境和地图构建的系统框架,对其中涉及的相关技术进行了深入研究,并针对系统各个模块进行了软件设计与实现。论文综述了多机器人协作探索环境和地图构建及相关技术的研究现状,分析了系统涉及的相关问题与难点,并对此进行了需求分析。基于机器人操作系统ROS设计了具有灵活性与稳定性的多机器人协作探索环境和地图构建系统,并详细论述了系统工作原理。首先围绕基于图优化理论的移动机器人同步定位与地图构建技术进行了研究;采用基于粒子滤波的蒙特卡洛定位算法实现了多机器人在全局坐标系下的互定位,确定了多机器人的初始相对位姿;然后围绕全局地图融合问题的需求,在详细论述多机器人系统中坐标系变换关系与地图融合方法的基础上,设计了全局地图融合模块,实现了对多张局部地图的融合拼接。接着围绕多机器人协作探索环境的探索目标需求,采用基于行为策略的探索方式,在未知边界单元的搜索中引入了基于改进快速探索随机树算法,进行了实验测试分析,开发了基于改进快速探索随机树算法的边界单元搜索模块,实现了对地图中未知边界单元的快速搜索;接着详细论述了基于密度的聚类算法,进行了实验测试对比分析,开发了未知边界单元集聚类更新模块,实现了对未知边界单元集的聚类与更新。然后围绕多机器人协作探索任务分配问题进行了详细分析,设计了基于市场法的动态任务分配策略,开发了机器人任务管控模块,实现了对多机器人与目标点任务的动态重分配;围绕多机器人系统状态监控需求,基于Qt设计并实现了人机交互界面。最后结合室内移动机器人工作环境,通过搭建仿真室内环境与真实室内环境对多机器人协作探索环境和地图构建系统进行了测试评估以及整体运行演示,验证了系统整体架构设计以及各功能模块开发的合理性与有效性。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 课题研究背景及意义
  •   1.2 相关技术研究综述
  •     1.2.1 多机器人系统
  •     1.2.2 多机器人协作探索环境策略
  •     1.2.3 地图创建的研究现状
  •   1.3 存在的问题与主要研究内容
  •   1.4 论文结构安排
  • 第二章 多机器人协作探索环境和地图构建系统总体框架设计
  •   2.1 系统需求分析
  •   2.2 系统开发与运行平台
  •     2.2.1 软件平台资源
  •     2.2.2 硬件平台资源
  •   2.3 总体框架与工作原理
  •     2.3.1 总体框架设计
  •     2.3.2 系统运行原理
  •   2.4 本章小结
  • 第三章 多机器人初始定位与全局地图融合方法
  •   3.1 基于图优化的同步定位与地图构建（SLAM）
  •     3.1.1 基于图优化的SLAM介绍
  •     3.1.2 基于图优化的SLAM框架
  •     3.1.3 帧间扫描匹配与闭环检测
  •     3.1.4 位姿图优化
  •     3.1.5 地图表示形式
  •   3.2 多机器人初始相对位姿确定方法
  •     3.2.1 粒子滤波蒙特卡洛定位算法原理
  •     3.2.2 移动机器人TF系统
  •     3.2.3 多机器人的初始相对位姿确定方法
  •   3.3 全局地图融合方法
  •     3.3.1 地图坐标系变换关系
  •     3.3.2 全局地图融合流程
  •     3.3.3 地图融合方法
  •   3.4 本章小结
  • 第四章 基于边界单元的探索方法
  •   4.1 基本探索方法
  •     4.1.1 沿墙探索法
  •     4.1.2 基于边界的探索方法
  •   4.2 基于改进快速探索随机树算法的边界单元搜索模块
  •     4.2.1 快速探索随机树算法
  •     4.2.2 基于改进快速探索随机树算法的边界单元搜索
  •     4.2.3 边界单元搜索方式改进
  •     4.2.4 多机器人系统中的未知边界单元搜索模块
  •   4.3 未知边界单元集聚类更新模块
  •     4.3.1 未知边界单元集聚类
  •     4.3.2 未知边界单元集更新
  •   4.4 本章小结
  • 第五章 多机器人协作探索任务分配与执行
  •   5.1 多机器人协作探索架构
  •     5.1.1 分布式网络架构
  •     5.1.2 混合式多机器人协作探索架构
  •   5.2 机器人任务管控模块设计与实现
  •     5.2.1 多机器人协作探索任务分配问题分析
  •     5.2.2 基于市场法的动态任务分配策略
  •   5.3 目标点任务执行模块
  •     5.3.1 全局路径规划
  •     5.3.2 局部路径规划
  •   5.4 人机交互模块
  •   5.5 本章小结
  • 第六章 系统实验
  •   6.1 实验环境介绍
  •     6.1.1 仿真实验环境搭建
  •     6.1.2 真实实验环境搭建
  •   6.2 系统初始阶段实验
  •     6.2.1 多机器人AMCL定位实验
  •     6.2.2 全局地图融合
  •   6.3 系统整体运行
  •     6.3.1 仿真室内环境下单个机器人探索环境与地图构建
  •     6.3.2 仿真室内环境下多机器人协作探索环境与地图构建
  •     6.3.3 真实室内环境下单个机器人探索环境与地图构建
  •     6.3.4 真实室内环境下多机器人协作探索与地图构建
  •   6.4 本章小结
  • 第七章 总结与展望
  •   7.1 总结
  •   7.2 展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 作者在攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 梁璨

    导师: 房芳

    关键词: 多机器人,地图构建,定位,地图融合,边界单元,协作探索,任务分配

    来源: 东南大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 自然地理学和测绘学,自动化技术

    单位: 东南大学

    基金: 国家自然基金项目“构件化机器人系统动态任务规划与执行机制研究”(No.61573100)和“欠明确表达任务下基于非受限交互的机器人模仿学习方法研究”(No.61573101)

    分类号: P283;TP242

    DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.002081

    总页数: 103

    文件大小: 12400K

    下载量: 184

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