基于ROS系统的简易服务机器人关键技术的研究
发布时间：2022-12-04 06:17
服务机器人是一种服务于人类但不从事生产工作的机器人。近年来,由于机器人技术的迅速发展、人们生活水平的提高、人口老龄化带来的社会问题等原因,人们对于服务机器人的需求日益增加。导航问题是服务机器人领域中的一个重要问题,具体涉及到环境感知、地图构建、自定位和路径规划等关键技术。本文通过对服务机器人的导航问题中的各项关键技术进行理论研究和实验验证,针对现有方法的不足之处提出可行的意见。本文具体做了以下工作：首先,选择了较为廉价的RGB-D传感器Kinect作为服务机器人感知环境的方式,介绍了Kinect的硬件结构和工作原理,并对Kinect相机进行了内外参数的标定和深度误差补偿,经过补偿后Kinect的误差可以控制在10mm以内：接着,分析了基于Kinect深度信息虚拟2D激光传感器的传统方法的不足,提出了改进方法并将其应用于服务机器人的栅格地图的构建中。再次,采用蒙特卡罗定位作为机器人的自定位方法,并引入了自适应机制减少重采样的次数并实时改变重采样的粒子数目,并在Matlab中进行了仿真,在仿真实验中可以减少50%以上的采样粒子数;然后,针对传统DWA算法固定权值的缺点,提出了基于模糊算法的...
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题背景及意义
1.2 课题研究对象及相关研究现状
1.2.1 服务机器人导航问题研究现状
1.2.2 机器人操作系统研究现状
1.3 论文主要内容及安排
第二章 Kinect的相机标定和深度误差补偿
2.1 Kinect传感器
2.1.1 Kinect简介
2.1.2 Kinect的深度测量原理
2.1.3 Kinect的坐标变换
2.2 Kinect的相机标定
2.2.1 标定方法
2.2.2 标定结果
2.3 Kinect深度测量的误差及补偿方法
2.3.1 图像空洞和深度数据的时域跳变
2.3.2 Kinect的系统误差
2.4 基于数学统计的系统误差补偿方法
2.4.1 系统误差模型
2.4.2 深度测量值和参考值的采集
2.4.3 关系曲线的拟合
2.4.4 系统误差补偿的效果
2.5 本章小结
第三章 地图构建与定位
3.1 基于Kinect的虚拟2D激光传感器
3.1.1 Kinect与机器人的坐标变换
3.1.2 虚拟2D激光传感器的实现方法
3.1.3 基于虚拟2D激光传感器的测距实验
3.2 基于栅格法的地图构建
3.2.1 栅格法的基本设定
3.2.3 基于虚拟激光数据建立栅格地图
3.3 蒙特卡罗定位方法
3.3.1 贝叶斯滤波原理
3.3.2 标准蒙特卡罗定位
3.3.3 自适应蒙特卡罗定位
3.3.4 自适应蒙特卡罗仿真实验
3.4 本章小结
第四章 路径规划技术
4.1 基于A~*算法的全局路径规划
4.1.1 A~*算法简介
4.1.2 A~*算法的仿真实验
4.2 基于DWA算法的局部路径规划
4.2.1 双轮差动机器人的运动模型
4.2.2 DWA算法简介
4.2.3 DWA算法的不足
4.3 改进的DWA算法
4.3.1 模糊理论简介
4.3.2 改进的DWA算法
4.3.3 改进的DWA算法的仿真实验
4.4 基于A~*算法和改进DWA算法的混合路径规划方法
4.4.1 混合路径规划方法介绍
4.4.2 混合路径规划方法的仿真实验
4.5 本章小结
第五章 基于ROS的导航实验
5.1 导航实验设计
5.1.1 实验平台Turtlebot
5.1.2 导航系统架构
5.1.3 基于ROS的导航系统程序设计
5.1.4 实验环境设计
5.2 实验过程及分析
5.2.1 完整实验过程及分析
5.2.2 某一时刻的机器人导航分析
5.3 本章小结
主要结论与展望
主要结论
展望
致谢
参考文献
附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]模糊系统建模综述[J]. 孙富春,罗敏楠. 杭州电子科技大学学报(自然科学版). 2015(05)
[2]未知环境中移动机器人环境感知技术研究综述[J]. 王东署,王佳. 机床与液压. 2013(15)
[3]基于ROS户外移动机器人软件系统构建[J]. 黄开宏,杨兴锐,曾志文,卢惠民,郑志强. 机器人技术与应用. 2013(04)
[4]基于Kinect的服务机器人任务操控学习方法的研究[J]. 陈楠,胡颖,张俊,夏泽洋. 集成技术. 2013(02)
[5]Kinect深度图像快速修复算法[J]. 王奎,安平,张兆杨,程浩,李贺建. 上海大学学报(自然科学版). 2012(05)
[6]服务机器人技术研究现状与发展趋势[J]. 王田苗,陶永,陈阳. 中国科学:信息科学. 2012(09)
[7]一种考虑机器人尺寸约束的动态窗避障方法[J]. 梁山,刘娟,鲜晓东. 控制工程. 2011(06)
[8]我国人口老龄化的发展趋势及其战略应对[J]. 穆光宗,张团. 华中师范大学学报(人文社会科学版). 2011(05)
[9]TSP问题的禁忌模拟退火求解[J]. 刘毅,熊盛武. 计算机工程与应用. 2009(31)
[10]基于激光数据配准的移动机器人自定位[J]. 牛君,李贻斌,宋锐. 系统仿真学报. 2008(14)
博士论文
[1]旋转弹光电成像制导图像处理关键算法研究[D]. 刘忠领.北京理工大学 2014
[2]基于激光雷达的智能车辆目标识别与跟踪关键技术研究[D]. 周俊静.北京工业大学 2014
硕士论文
[1]基于激光雷达的服务机器人室内动态导航方法研究[D]. 张振东.哈尔滨工业大学 2014
[2]基于立体视觉的同时定位与地图创建研究[D]. 李国.哈尔滨工业大学 2014
[3]臂—手系统的运动控制及稳定抓取研究[D]. 宋彩霞.湖南大学 2013
[4]Kinect深度图像增强算法研究[D]. 陈理.湖南大学 2013
[5]基于Kinect深度信息的实时三维重建和滤波算法研究[D]. 陈晓明.上海交通大学 2013
[6]基于激光雷达三维点云数据曲面重构技术的研究[D]. 梁群仙.北京交通大学 2012
[7]基于激光雷达的移动机器人自主导航研究[D]. 聂鑫.湖南大学 2011
本文编号：3707746
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题背景及意义
1.2 课题研究对象及相关研究现状
1.2.1 服务机器人导航问题研究现状
1.2.2 机器人操作系统研究现状
1.3 论文主要内容及安排
第二章 Kinect的相机标定和深度误差补偿
2.1 Kinect传感器
2.1.1 Kinect简介
2.1.2 Kinect的深度测量原理
2.1.3 Kinect的坐标变换
2.2 Kinect的相机标定
2.2.1 标定方法
2.2.2 标定结果
2.3 Kinect深度测量的误差及补偿方法
2.3.1 图像空洞和深度数据的时域跳变
2.3.2 Kinect的系统误差
2.4 基于数学统计的系统误差补偿方法
2.4.1 系统误差模型
2.4.2 深度测量值和参考值的采集
2.4.3 关系曲线的拟合
2.4.4 系统误差补偿的效果
2.5 本章小结
第三章 地图构建与定位
3.1 基于Kinect的虚拟2D激光传感器
3.1.1 Kinect与机器人的坐标变换
3.1.2 虚拟2D激光传感器的实现方法
3.1.3 基于虚拟2D激光传感器的测距实验
3.2 基于栅格法的地图构建
3.2.1 栅格法的基本设定
3.2.3 基于虚拟激光数据建立栅格地图
3.3 蒙特卡罗定位方法
3.3.1 贝叶斯滤波原理
3.3.2 标准蒙特卡罗定位
3.3.3 自适应蒙特卡罗定位
3.3.4 自适应蒙特卡罗仿真实验
3.4 本章小结
第四章 路径规划技术
4.1 基于A~*算法的全局路径规划
4.1.1 A~*算法简介
4.1.2 A~*算法的仿真实验
4.2 基于DWA算法的局部路径规划
4.2.1 双轮差动机器人的运动模型
4.2.2 DWA算法简介
4.2.3 DWA算法的不足
4.3 改进的DWA算法
4.3.1 模糊理论简介
4.3.2 改进的DWA算法
4.3.3 改进的DWA算法的仿真实验
4.4 基于A~*算法和改进DWA算法的混合路径规划方法
4.4.1 混合路径规划方法介绍
4.4.2 混合路径规划方法的仿真实验
4.5 本章小结
第五章 基于ROS的导航实验
5.1 导航实验设计
5.1.1 实验平台Turtlebot
5.1.2 导航系统架构
5.1.3 基于ROS的导航系统程序设计
5.1.4 实验环境设计
5.2 实验过程及分析
5.2.1 完整实验过程及分析
5.2.2 某一时刻的机器人导航分析
5.3 本章小结
主要结论与展望
主要结论
展望
致谢
参考文献
附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]模糊系统建模综述[J]. 孙富春,罗敏楠. 杭州电子科技大学学报(自然科学版). 2015(05)
[2]未知环境中移动机器人环境感知技术研究综述[J]. 王东署,王佳. 机床与液压. 2013(15)
[3]基于ROS户外移动机器人软件系统构建[J]. 黄开宏,杨兴锐,曾志文,卢惠民,郑志强. 机器人技术与应用. 2013(04)
[4]基于Kinect的服务机器人任务操控学习方法的研究[J]. 陈楠,胡颖,张俊,夏泽洋. 集成技术. 2013(02)
[5]Kinect深度图像快速修复算法[J]. 王奎,安平,张兆杨,程浩,李贺建. 上海大学学报(自然科学版). 2012(05)
[6]服务机器人技术研究现状与发展趋势[J]. 王田苗,陶永,陈阳. 中国科学:信息科学. 2012(09)
[7]一种考虑机器人尺寸约束的动态窗避障方法[J]. 梁山,刘娟,鲜晓东. 控制工程. 2011(06)
[8]我国人口老龄化的发展趋势及其战略应对[J]. 穆光宗,张团. 华中师范大学学报(人文社会科学版). 2011(05)
[9]TSP问题的禁忌模拟退火求解[J]. 刘毅,熊盛武. 计算机工程与应用. 2009(31)
[10]基于激光数据配准的移动机器人自定位[J]. 牛君,李贻斌,宋锐. 系统仿真学报. 2008(14)
博士论文
[1]旋转弹光电成像制导图像处理关键算法研究[D]. 刘忠领.北京理工大学 2014
[2]基于激光雷达的智能车辆目标识别与跟踪关键技术研究[D]. 周俊静.北京工业大学 2014
硕士论文
[1]基于激光雷达的服务机器人室内动态导航方法研究[D]. 张振东.哈尔滨工业大学 2014
[2]基于立体视觉的同时定位与地图创建研究[D]. 李国.哈尔滨工业大学 2014
[3]臂—手系统的运动控制及稳定抓取研究[D]. 宋彩霞.湖南大学 2013
[4]Kinect深度图像增强算法研究[D]. 陈理.湖南大学 2013
[5]基于Kinect深度信息的实时三维重建和滤波算法研究[D]. 陈晓明.上海交通大学 2013
[6]基于激光雷达三维点云数据曲面重构技术的研究[D]. 梁群仙.北京交通大学 2012
[7]基于激光雷达的移动机器人自主导航研究[D]. 聂鑫.湖南大学 2011
本文编号：3707746
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