基于不確定信息處理的移動(dòng)機(jī)器人定位與地圖構(gòu)建研究.pdf

1、定位、地圖構(gòu)建、路徑規(guī)劃，一直是研究未知環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)所涉及的三個(gè)主要內(nèi)容。它們之間并非相互獨(dú)立，在考慮到所有傳感器信息都具有不確定性的情況下，單獨(dú)考慮其中一個(gè)問題是不符合實(shí)際情況的。本文圍繞這三個(gè)問題展開研究，主要包括以下五部分內(nèi)容： 1.對(duì)移動(dòng)機(jī)器人蒙特卡羅定位(Monte Carlo Localization，MCL)算法從兩個(gè)方面進(jìn)行了擴(kuò)展。一是針對(duì)其在含有對(duì)稱和自相似結(jié)構(gòu)的環(huán)境中容易失敗的問題，提出了一種基于

2、多假設(shè)跟蹤的自適應(yīng)蒙特卡羅定位改進(jìn)算法。該算法根據(jù)粒子間空間相似性采用核密度樹聚類算法對(duì)粒子群進(jìn)行聚類，每簇粒子代表一個(gè)位姿假設(shè)并用一個(gè)獨(dú)立的MCL算法進(jìn)行跟蹤，總體上形成了一組非等權(quán)的粒子濾波器，很好地克服了普通粒子濾波器由于粒子貧乏而引起的過度收斂問題。同時(shí)運(yùn)用該核密度樹實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)采樣來提高算法的性能。另外，該算法可以較好地解決機(jī)器人“綁架”問題。二是研究了不完整地圖情況下移動(dòng)機(jī)器人定位問題，將定位過程中機(jī)器人的位姿分為6種狀態(tài)，

3、每一種狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)粒子簇。在計(jì)算狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了不完整地圖中蒙特卡羅定位算法，突破了MCL算法只能應(yīng)用于完整地圖情況的限制。 2.從點(diǎn)一點(diǎn)對(duì)應(yīng)方法出發(fā)，研究了雷達(dá)掃描匹配問題。提出了一種基于曲線質(zhì)心點(diǎn)對(duì)應(yīng)的雷達(dá)掃描匹配算法，并將其應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人位差估計(jì)。該算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且比迭代最近點(diǎn)(Iterative Closest Point，ICP)算法收斂快。不足之處是其精度不高，如果在ICP算法的基礎(chǔ)上引入該算法，可以在提

4、高匹配速度的同時(shí)保證估計(jì)精度。 3.深入研究了單機(jī)器人未知環(huán)境下同步定位與地圖構(gòu)建(Simultaneous Localization and Mapping，SLAM)問題。在分析采樣和重采樣操作對(duì)地圖估計(jì)一致性影響的基礎(chǔ)上，針對(duì)采用柵格地圖的Rao-Blackwellized粒子濾波移動(dòng)機(jī)器人同步定位與地圖構(gòu)建(RBPF-SLAM)算法設(shè)計(jì)了兩種新的采樣策略：固定滯后Gibbs采樣和固定滯后平滑采樣。它們的共同點(diǎn)是都能夠利用

5、當(dāng)前新獲取的信息來改善濾波器對(duì)先前路徑的估計(jì)，從而降低了粒子退化的可能性。另外，提出了一種基于優(yōu)化組合的重采樣方法，通過對(duì)選取粒子和被拋棄粒子的適當(dāng)線性組合而產(chǎn)生新的粒子，增加了粒子多樣性，從而提高粒子濾波器的精度。這些改進(jìn)策略能改善RBPF-SLAM算法的綜合性能：在采用相同粒子數(shù)目的情況下，重采樣次數(shù)顯著減少，地圖估計(jì)一致性也顯著提高。 4.研究了多機(jī)器人SLAM中地圖合成問題，提出了一種基于虛擬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的地圖相對(duì)位姿估計(jì)

6、方法。首先，利用細(xì)化算法分別構(gòu)建不完整地圖A與B空閑區(qū)域的骨架，然后在A(或B)中模擬一機(jī)器人沿著該地圖的骨架運(yùn)動(dòng)并不斷觀測(cè)，同時(shí)，將這些模擬的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源在B(或A)中做非完整地圖蒙特卡羅定位，如果定位成功，則能方便地得到兩地圖間的相對(duì)位姿假設(shè)。通過控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)使它們盡量相遇，可以對(duì)這些位姿假設(shè)進(jìn)行檢驗(yàn)，如果假設(shè)為真，則以此為初值采用一啟發(fā)式隨機(jī)搜索算法對(duì)估計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化。 5.研究了移動(dòng)機(jī)器人主動(dòng)環(huán)境探測(cè)問題，重點(diǎn)研究了基