面向虛擬現(xiàn)實和遙操作的移動機器人同步定位與地圖創(chuàng)建技術研究.pdf

1、近年來，隨著機器人、計算機、宇航等技術的飛速發(fā)展和交叉融合，機器人被越來越廣泛的應用在對未知環(huán)境的探索工作中。要探測未知環(huán)境，機器人應具有自主導航、自主建立電子地圖、傳送地圖的能力，如果要完成某些特定任務，機器人還應該具有遙操作的能力。經(jīng)過多年的發(fā)展，機器人的地圖自主創(chuàng)建和遙操作技術在國際上已取得了諸多成果，但是在這些成果中地圖創(chuàng)建和遙操作往往是脫鉤的，地圖通常只具有顯示功能，遙操作也大多是在遠程視頻的幫助下完成的，這就形成一個問題：操

2、作員在遙控機器人的時候不知道此時機器人在地圖中的具體位置，很難對機器人的運動有一個整體規(guī)劃。 本文在國家863 計劃項目“危險化學反應器控制與修補移動機械手系統(tǒng)（2003AA421040）”的支持下，對上述問題展開了深入研究，建立了一套面向虛擬現(xiàn)實和遙操作的移動機器人同步定位與地圖創(chuàng)建系統(tǒng)方案，該方案能夠以虛擬現(xiàn)實的方式對未知環(huán)境進行三維建模和立體圖形交互顯示，并以虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)為遙操作終端以無線網(wǎng)絡為傳輸媒介控制機器人的運行。充

3、分發(fā)揮了虛擬現(xiàn)實的沉浸感和交互性，借助于立體顯示設備，給操作員帶來了身臨其境的效果。 本文的研究平臺采用HEBUT-II 型移動機器人，主要研究了三個問題：機器人的同步定位和三維地圖自主生成；由三維地圖到虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)建；基于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)對機器人的遙操作。這三個問題緊密銜接在一起，從理論和實踐上構(gòu)造了一個機器人對未知環(huán)境的導航平臺。 論文的創(chuàng)新性工作如下： 1. 提出了機器人利用GPS 和里程計進行粗略定位的具

4、體方法，通過分析機器人的輪式結(jié)構(gòu)建立機器人車體部分的運動控制命令模型。針對HEBUT-II 型機器人的超聲波傳感器的位置分布和消除串擾回波問題，建立了超聲波傳感器的測量模型。在深入研究五自由度機械手的運動學問題的基礎上，用D-H 法建立了五自由度機械手運動學模型并分析了機械手的關節(jié)速度與雅可比矩陣。研制成功了機械手的控制系統(tǒng)。 2. 提出了一種以超聲波傳感器為探測手段的移動機器人自主建立三維電子地圖的方案，深入研究了FastSL

5、AM 算法，利用粒子濾波和卡爾曼濾波確定各路標位置的誤差橢圓。在此基礎上，采用噪聲模糊聚類的方法分段把誤差橢圓的中心點進行曲線擬合，再以機械手末端執(zhí)行器上安裝的聲納測量環(huán)境中各路標高度，建立了環(huán)境的三維模型。 3. 建立了以虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)為終端顯示界面的具有立體顯示功能和遙操作功能三維電子地圖。該地圖的幾何模型來源于機器人建立的環(huán)境模型。研究了立體顯示算法，并將其應用到電子地圖中，通過立體顯示外設，實現(xiàn)了具有沉浸感的場景再現(xiàn)功能。

6、采用OBB（Oriented Bounding Boxes,有向包圍盒）的碰撞檢測算法提高了機器人的安全性。以數(shù)據(jù)手套作為人機交互設備，設計了用于機器人遙操作的手勢集合，實現(xiàn)了地圖中的虛擬機器人和真實機器人的同步運動，整個交互過程直觀、自然，符合人在自然環(huán)境中的表達方式。 4. 提出了基于WLAN 和基于GPRS 的兩套獨立運行的無線通信方法，分別負責傳送地圖模型信息、遙操作命令和遠程視頻。WLAN 作為主要的傳輸方式，采用了B

7、SS 的拓撲結(jié)構(gòu)連接，通過增加高增益天線改善了普通的WLAN 通信距離短的缺點，把通信距離成功拓展到數(shù)公里之外。針對視頻傳輸對帶寬要求較大的問題，研究并設計了多線程的傳輸方式，進一步提高了傳輸速率。GPRS 作為輔助方式，以AT 命令的方式發(fā)送指令遙控機器人運行，或啟動機器人控制器來完成建圖或者遙操作工作。 5. 本文分別在操場、辦公室、走廊等環(huán)境進行了一系列地圖自主創(chuàng)建實驗。實驗表明機器人能夠?qū)崟r地完成三維模型的創(chuàng)建并具有較高