自主探测移动机器人系统设计与地图创建算法研究
能够在工作环境中不断移动并自主完成预定任务的移动机器人在工业、民用以及军事等领域具有广泛的应用前景。自主式移动机器人在未知环境下工作，必须具有对未知环境进行探测的能力。因此，为推动自主式移动机器人的实用化进程，应当对未知环境下的自主探测机器人相关技术进行研究。
地图创建是移动机器人在未知环境下进行自主探测所必须具备的能力，经过多年的发展，地图创建已经取得了相当的成果，但是现有的地图创建技术仍然在传感器信息处理、机器人定位、路径规划以及探测策略等环节存在诸多问题需要进一步完善和解决。此外，对未知环境下的自主探测机器人的研究，是一个长期而系统的过程，在这个过程中不仅要对相关的理论和算法进行研究，而且应当将研究结果应用于实际的移动机器人系统中，从而实现科技成果转化。因此，研究未知环境下的自主探测移动机器人，应当将移动机器人平台的研制与理论研究工作并行进行。
本文以实现在复杂未知环境下能够全自主执行各类探测任务的、具有实用性的自主式移动机器人系统为目标，在总结与分析已有工作的基础上，对移动机器人平台的研制和未知环境地图创建两个方面进行了研究，主要的研究工作和贡献如下：
1)设计了一个开放性的移动机器人控制器。从机器人控制器的体系结构和控制器的软硬件实现方式两方面入手，首先提出了一种基于多智能体的混合式体系结构，该结构能够融洽沟通慎思式模块和反应式模块，使整个结构既具有较强的应急反应能力，又具有远期规划能力，而且还具有很好的易扩展性；然后提出一种基于现场总线与实时操作系统的控制器实现方式，在硬件上利用CAN总线和蓝牙通讯技术实现了分布式结构和网络功能，软件则基于RTOS实现。这样的结构使得机器人控制器具有开放性、可靠性和计算实时性，从而确保了移动机器人系统的性能。采用上述结构，开发出了一个开放性移动机器人平台ATU-Ⅱ号，并且已经在日常研究中得到成功的应用。
2)对移动机器人地图创建的效率问题进行了研究，提出了一种拓扑结合几何的高效探测策略。在保证机器人安全性和算法完整性的前提下，该策略在拓扑和几何两个层面上对可能的下一步观测点进行考察，以选取能够实现探测效率整体优化的下一步观测点。为了验证算法的性能，利用仿真实验将该策略与其他常用策略进行了详细的比较分析，比较结果说明，与现有的探测策略相比，拓扑结合几何的探测策略在地图创建的效率上具有明显的优势，在室内环境中优势尤为突出。
3)对移动机器人地图创建过程中的路径规划问题进行了研究，提出了一种新颖的路径规划算法——CO算法。该算法采用栅格模型，以代价传播的形式进行路径规划，能够在一次规划中求得多个目标点的最优路径，非常适用于机器人的地图创建；CO算法在规划过程中考虑了机器人的运动学约束，可以规划出满足机器人运动学约束的最优路径，这是大多数现有的路径规划算法无法做到的；此外，CO算法还具有很好的计算实时性，可以在线使用。
4)对基于超声波传感器的移动机器人地图创建问题进行了研究。针对超声波传感器用于地图创建时存在的角分辨率低、易发生不良反射等固有缺陷，本文提出了一套准确而高效的解决办法。首先提出一种双重表示的环境模型，该模型结合了几何模型与栅格模型的优点，在利用超声波信息建立环境模型时既能实现准确建模，又方便建立及更新且容易进行智能决策；然后针对超声波的镜面反射现象，提出了一种主动探测策略，将拓扑结合几何的探测策略与环境建模过程相交互，不仅减小了镜面反射的不良影响，而且保证了地图创建的效率。
移动机器人;移动机器人控制器;自主探测;地图创建;探测策略;ATU-Ⅱ
中国科学技术大学
博士
模式识别与智能系统
陈宗海
2005
中文
TP242.6;TP273
89
2006-07-10（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）