基于激光扫描测距的室内飞行定位与避障技术研究

发布时间：2017-07-16 22:22

  本文关键词：基于激光扫描测距的室内飞行定位与避障技术研究

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【摘要】：本文以微小型四旋翼飞行器完成未知室内环境探索为应用背景,针对同步定位与建图(SLAM)算法计算复杂度大的问题,以能够在微小型四旋翼飞行器ARM嵌入式飞行控制系统上实现为目标,研究了基于激光扫描测距的室内定位与避障技术。本文采用迭代最近点(ICP)匹配算法实现室内定位,为了降低匹配过程的计算复杂度,对标准ICP算法进行了改进。首先,用环境中的真实特征点代替激光测距扫描仪采集的扫描点完成匹配过程。其次,限定了对应点的搜索范围。为了获取环境中的真实特征点,对扫描数据进行了数据滤波、区域分割、特征线段提取、特征点提取,并给出了一种真实特征点筛选机制。考虑到两次扫描间微小型四旋翼飞行器的偏航角变化范围,在搜索一个点的对应点时,无需搜索点集中所有点,只要搜索一定角度范围的点。为了使微小型四旋翼飞行器能够在未知环境完成避障飞行,本文给出了一种基于滚动窗口规划的室内避障策略,使用快速扩展随机树(RRT)算法实现未知室内环境下的避障与路径规划。由于全局环境信息未知,将全局避障规划视作局部避障规划,通过反复多次的局部避障规划来模拟一次完成的全局避障规划。给出了局部子目标点的确立方法,利用区域分割获得的区域边界点信息计算得出两个区域间相邻边界点的连线长度,以最长的边界点连线的中点作为局部子目标点。最后,本文搭建了用于验证室内定位与避障算法的实验数据采集系统,并进行了室内定位与避障的离线实验。离线实验结果表明本文给出的算法可以完成在未知环境下的室内定位和障碍躲避。
【关键词】：室内定位导航 激光测距扫描 同步定位与建图 特征点提取 ICP匹配 避障 RRT算法
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 注释表10-11
• 缩略词11-12
• 第一章 绪论12-21
• 1.1 课题研究背景和意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-18
• 1.2.1 室内飞行定位技术研究现状13-17
• 1.2.2 室内避障技术研究现状17-18
• 1.3 微小型四旋翼飞行器室内导航的关键技术18-19
• 1.3.1 特征检测与提取18
• 1.3.2 地图构建与定位18-19
• 1.3.3 避障与航迹规划19
• 1.4 本文的主要内容与结构安排19-21
• 第二章 激光扫描数据的处理与特征提取21-39
• 2.1 激光测距扫描仪21-22
• 2.2 坐标系定义22-23
• 2.2.1 局部扫描坐标系22-23
• 2.2.2 全局定位坐标系23
• 2.3 激光扫描数据滤波23-24
• 2.4 特征线段提取24-35
• 2.4.1 基于动态阈值的区域分割25-31
• 2.4.2 线段特征提取31-35
• 2.5 特征点提取与筛选35-38
• 2.6 本章小结38-39
• 第三章 室内地图构建与定位算法39-55
• 3.1 基于激光扫描测距的匹配问题39-42
• 3.1.1 激光扫描测距匹配问题的描述39-40
• 3.1.2 位姿变换参数解析40-42
• 3.2 标准ICP匹配算法分析42-47
• 3.2.1 标准ICP算法简述43-45
• 3.2.2 标准ICP匹配算法的发展45-47
• 3.3 本文对ICP匹配算法的改进47-49
• 3.3.1 在控制点选取上的改进48
• 3.3.2 在特征度量上的改进48-49
• 3.4 改进ICP匹配算法的验证49-51
• 3.5 室内全局定位与地图构建51-54
• 3.6 本章小结54-55
• 第四章 室内飞行避障规划策略研究55-64
• 4.1 避障方法研究55-57
• 4.2 RRT算法分析57-59
• 4.3 基于滚动窗口规划的RRT算法59-60
• 4.4 室内避障策略60-63
• 4.5 本章小结63-64
• 第五章 实验分析64-75
• 5.1 实验数据采集系统搭建64-68
• 5.1.1 实验数据采集系统构成64-65
• 5.1.2 激光测距扫描仪选型与性能65-67
• 5.1.3 飞行控制电路板67-68
• 5.2 实验场景构建68-69
• 5.3 改进ICP匹配算法的性能分析69-70
• 5.4 室内全局定位与建图实验70-72
• 5.5 基于滚动窗口规划RRT算法的室内局部避障离线实验72-74
• 5.6 基于RRT算法的室内全局路径规划离线实验74
• 5.7 本章小结74-75
• 第六章 总结与展望75-77
• 6.1 工作总结75-76
• 6.2 展望76-77
• 参考文献77-83
• 致谢83-84
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文84

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 肖支才;姜鹏;戴洪德;康宇航;;室内四旋翼无人飞行器定位导航的研究现状与关键技术[J];飞航导弹;2014年08期

2 杭义军;刘建业;李荣冰;孙永荣;;基于混合特征匹配的微惯性/激光雷达组合导航方法[J];航空学报;2014年09期

3 汪绍华;杨莹;;基于卡尔曼滤波的四旋翼飞行器姿态估计和控制算法研究(英文)[J];控制理论与应用;2013年09期

4 倪磊;曾庆化;庄f，

本文编号：550859