基于激光雷达的室内移动机器人自主导航与行人跟踪研究

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所属分类:AGV设计资料
摘要

21世纪以来,人工智能逐渐走上科技前沿的舞台,人类对机器人的研究逐渐趋向智能化。室内移动机器人是智能机器人的一个重要研究方向,而机器人的自主导航和行人检测跟踪是室内移动机器人的重要功能体现,是其执行其他任务的前提。研究室内移动机器人的自主导航和行人检测跟踪具有重要的意义。本文以室内移动机器人为应用背景,首先给出了室内移动机器人的整体设计方案。通过对SLAM问题的描述,分析常见的SLAM问题解决方法,提出基于改进的RBPF的SLAM算法gmapping作为本课题的建图和定位方法,对算法的扫描匹配评分和粒子数进行仿真实验,得出了适应本课题环境的参数。第二,研究了室内移动机器人的自主导航技术,通过对比多种机器人路径规划算法的优缺点,对启发式的全局路径规划算法进行分析,根据传统Dijkstra和A*算法的优缺点,提出基于改进的估价方法的A*算法作为全局路径规划算法,并在MATLAB中进行仿真,改善了传统A*算法规划的路径转折点多的缺点。根据室内环境复杂、障碍物多的特点,提出了基于DWA动态窗口算法的局部路径规划方法,并对DWA算法的评价函数的参数选择进行仿真实验。第三,对基于激光雷达的行人检测跟踪进行研究,提出了基于层次聚类算法的数据聚类和环境分割方法,并对该方法进行仿真,确定最佳参数。根据基于激光雷达的2D数据的信息少的缺点,提出了一种基于行人双腿模型的行人检测特征,实现在室内复杂环境下的行人检测。利用卡尔曼滤波器对行人检测结果进行了跟踪,并根据机器人对行人跟随的要求,锁定跟踪的目标,实现了机器人对行人的自动跟随。最后,根据本文提出的方法,在双轮移动机器人平台上进行实验,在ROS机器人操作系统当中实现了本文提出的方法,并进行了相应实验,验证本文提出的方法的可行性。实验结果表明,机器人实现了对未知环境的建图,并实现了在室内环境下的自主导航和避障,实现了对行人的检测和跟踪,本文提出的方法,达到了预期的效果,具有一定的实际应用价值。

论文目录

基于激光雷达的室内移动机器人自主导航与行人跟踪研究
摘要
Abstract

第一章绪论

1.1课题研究背景和意义
1.2室内移动机器人国内外研究现状
1.3室内移动机器人自主导航和行人跟踪技术研究现状
1.4本课题的研究内容与拟解决的关键问题
1.5论文工作内容安排

第二章室内移动机器人系统

2.1室内移动机器人整体设计方案
2.1.1室内移动机器人硬件结构
2.2传感器
2.2.1里程计
2.2.2激光雷达
2.3机器人控制系统
2.3.1ROS机器人操作系统
2.3.2JetsonTK1开发板
2.4室内移动机器人运动学分析
2.4.1机器人运动学分析
2.4.2系统坐标系变换
2.5本章小结

第三章基于激光雷达的SLAM建图

3.1SLAM基础理论
3.1.1SLAM问题的概率模型
3.1.2SLAM关键技术
3.2基于Rao-Blackwellized粒子滤波的SLAM解决方法
3.2.1基于粒子滤波的机器人位姿估计
3.2.2基于扩展卡尔曼滤波器的路标位姿估计
3.3基于改进Rao-Blackwellized粒子滤波的gmapping算法
3.3.1扫描匹配
3.3.2融合测量结果的建议分布
3.3.3自适应重采样
3.4基于室内环境的gmapping算法仿真
3.5本章小结

第四章室内移动机器人自主导航研究

4.1室内移动机器人自主导航概述
4.1.1室内移动机器人自主导航系统
4.1.2基于启发式算法的机器人路径规划
4.2基于改进A*算法的室内移动机器人全局路径规划
4.2.1基于曼哈顿估价法的A*算法
4.2.2基于改进的估价方法的A*算法
4.3基于DWA算法的室内移动机器人局部路径规划
4.3.1DWA动态窗口算法
4.3.2基于室内环境的DWA动态窗口算法仿真
4.4本章小结

第五章基于激光雷达的行人检测和跟踪

5.1行人检测跟踪概述
5.2数据聚类和环境分割
5.2.1激光雷达数据预处理
5.2.2基于层次聚类算法的数据聚类和环境分割
5.2.3聚类与环境分割仿真
5.3基于行人双腿模型的行人检测
5.3.1行人双腿模型
5.3.2基于行人双腿模型的行人检测算法
5.4行人跟踪
5.4.1基于卡尔曼滤波的行人跟踪
5.4.2机器人自动跟随目标的锁定
5.5本章小结

第六章实验结果与分析

6.1机器人建图实验
6.1.1SLAM建图实现
6.1.2建图实验
6.2机器人导航和避障实验
6.2.1自导航实现
6.2.2导航与避障实验
6.3行人检测和跟踪实验
6.3.1行人检测实验
6.3.2行人跟踪实验
6.4本章小结
总结与展望
工作总结
未来工作展望
参考文献
攻读硕士学位期间取得的研究成果
致谢
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