廢墟輔助救援機器人環(huán)境建模與避障策略研究.pdf

1、世界各地地震災(zāi)害頻發(fā)，使受災(zāi)地區(qū)的人民生命和財產(chǎn)安全受到嚴重威脅。災(zāi)害發(fā)生后的救援工作中，為了提高救援效率和保障救援人員生命安全，非常有必要對廢墟環(huán)境輔助救援機器人進行研究。同時，移動機器人環(huán)境建模和自主避障策略也是機器人研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。本文結(jié)合國家863計劃項目“地震災(zāi)害輔助救援機器人示范系統(tǒng)研究”，以雙節(jié)履帶式救援機器人為平臺，以激光雷達為主要傳感器，圍繞廢墟復(fù)雜環(huán)境中機器人的環(huán)境建模和自主避障問題，分別從理論和實踐上開展了研究

2、和探討。
　　首先，建立了救援機器人系統(tǒng)以及激光雷達坐標模型，并推導(dǎo)了坐標系之間的坐標變換關(guān)系，根據(jù)激光雷達及其轉(zhuǎn)臺機構(gòu)的特點建立了新型的坐標系，降低數(shù)據(jù)處理量。對激光雷達的誤差進行了分析討論，并就如何降低誤差以及激光雷達數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法進行了研究。在此基礎(chǔ)上研究了基于二維激光雷達的三維空間特征提取算法，將相鄰的多個二維平面內(nèi)的特征進行整合得出三維空間的環(huán)境特征。
　　其次，對救援機器人環(huán)境建模進行了研究，提出了改進的ICP

3、點云配準算法將激光雷達多次掃描數(shù)據(jù)進行拼接。傳統(tǒng)ICP配準算法在處理帶有較多誤差點的配準問題時極不穩(wěn)定，常造成配準結(jié)果的失敗。通過對傳統(tǒng)ICP算法的研究，提出一種穩(wěn)定性更好的改進配準算法，通過增加權(quán)重函數(shù)削弱離散點對配準結(jié)果的影響。進行了含有干擾點的點云配準實驗，對比實驗結(jié)果驗證了改進算法在處理含有干擾點的配準問題中具有較好的穩(wěn)定性。
　　然后，在環(huán)境特征提取的基礎(chǔ)上提出了基于行為的救援機器人自主避障策略，搭建了包含空閑狀態(tài)、行為

4、決策狀態(tài)、行為實現(xiàn)狀態(tài)、數(shù)據(jù)反饋狀態(tài)、特征提取狀態(tài)以及停機保護狀態(tài)的控制系統(tǒng)狀態(tài)機。行為決策狀態(tài)根據(jù)數(shù)據(jù)反饋狀態(tài)返回的環(huán)境特征以及其他傳感器參數(shù)，采用T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與邏輯判斷結(jié)合的方式進行融合決策。行為實現(xiàn)狀態(tài)根據(jù)決策結(jié)果切換并執(zhí)行相應(yīng)的行為。狀態(tài)之間按照規(guī)則不斷切換完成自主避障。
　　最后，針對本文研究的環(huán)境建模以及自主避障策略搭建了救援機器人實驗平臺，并在模擬實驗環(huán)境下進行了實驗。結(jié)果表明，救援機器人環(huán)境建模算法能夠可靠地