未知环境下移动机器人路径规划方法的研究

论文摘要

近年来，随着移动机器人越来越多被应用于未知、复杂的恶劣环境中代替人类从事危险、人类不能胜任的工作，未知环境下移动机器人的自主性和智能化技术有待进一步改进和提高。未知环境下移动机器人的自主路径规划技术是实现移动机器人自主性和智能化的基础性问题，同时也是难点问题。为此，本文研究了未知环境下移动机器人自主路径规划的方法。对移动机器人路径规划系统的各个部分进行了针对性分析和设计。对比分析了基于立体视觉、激光测距仪和3D相机的信息获取方案，结合各个方案的优缺点，选定采用3D相机和激光测距仪相结合作为环境信息获取传感器，并介绍了相应的运用3D相机描述地形属性信息的算法；介绍了通过惯性测量系统对机器人的位姿进行推算的方法；为了便于分析机器人运动过程中的轨迹，建立了机器人的运动模型。针对未知环境的复杂性和障碍物位置不确定性的特点，提出了基于激光测距仪进行远程路径规划和基于3D相机进行近程路径规划的方法，运用激光测距仪进行远程路径规划，可以避免移动机器人过早驶向不可通行的区域。在近距离范围内的路径规划是基于3D相机获取的场景的三维信息展开的，这也是本文的研究重点。对场景中的障碍物进行了分类和建模，将场景中的障碍物划分为石块、斜坡、壕沟；对位于各个障碍物上的可能成为移动机器人规划路径上的约束点进行归纳和分类，分为跨越点和绕行点，在出发点和各个约束点之间运用A*算法的评价函数进行路径搜索，得到最佳的约束点，此约束点成为所规划路径上的一个中途点；在移动机器人到达中途点后，再根据该点是跨越点还是绕行点采取相应的跨越或绕行策略，针对三种障碍物设计了相应的跨越和绕行策略；针对移动机器人可能陷入死区的情况，提出了死区的判定方法和从死区回溯到原出发点的路径回溯策略。最后通过仿真分析建立了三维场景模型，并验证了算法有效性和实用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 移动机器人的研究和应用领域
• 1.2.1 工业用移动机器人
• 1.2.2 深空探测移动机器人
• 1.2.3 服务型移动机器人
• 1.2.4 自主驾驶车辆
• 1.3 移动机器人路径规划技术的研究进展
• 1.4 移动机器人的路径规划策略
• 1.4.1 基于地图的路径规划策略
• 1.4.2 无地图的路径规划策略
• 1.5 论文的主要研究内容
• 第2章 移动机器人的感知
• 2.1 三维环境信息获取方法
• 2.2 基于 3D 相机和激光测距仪的环境信息获取
• 2.2.1 硬件介绍
• 2.2.2 环境信息获取算法
• 2.2.3 实验分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 移动机器人的运动模型和位姿计算
• 3.1 单轮滚动约束
• 3.2 移动机器人的运动模型
• 3.3 移动机器人的位姿计算方法
• 3.4 本章小结
• 第4章 远近程相结合的路径规划方法
• 4.1 远近程相结合的路径规划方法架构
• 4.2 远程路径规划
• 4.3 基于约束点的近程路径规划
• 4.3.1 约束点的选取准则
• 4.3.2 基于 A*算法的启发式子目标点搜索方法
• 4.3.3 对障碍物的定性避障方法
• 4.3.4 路径回溯方法
• 4.3.5 基于约束点的近程路径规划算法流程
• 4.4 仿真验证
• 4.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录