机器人学及其智能控制第10章-移动机器人的定位与课件

机器人学及其智能控制

第十章移动机器人的定位与导航机器人学及其智能控制

第十章移动机器人的定位与导航移动机器人的定位与导航移动机器人的定位近年来，国内外学者利用多种传感器对移动机器人的定位与导航问题进行了有意义的探索。主要研究方法可以分为相对定位、绝对定位和混合定位。相对定位又分为测距法和惯性定位法。绝对定位法又可分为磁罗盘法、主动灯塔法、全球定位（GPS）法、路标定位和模型匹配法。混合定位法是结合相对定位法和绝对定位法来实现移动机器人定位的方法，包括：基于多传感器信息融合的定位和基于视觉的定位方法等。移动机器人的定位与导航移动机器人的定位移动机器人的定位与导航1.模型匹配定位机器人通过自身的各种传感器，探测周围环境，利用感知到的局部环境信息进行局部的地图构造，并与其内部事先存储的完整地图进行匹配。如果两模型相互匹配，机器人可确定自身的位置。几年前国外的科学家就开始从事这项技术的研究。如英国伦敦大学的ARNE机器人就采用的这种定位方式。移动机器人的定位与导航1.模型匹配定位移动机器人的定位与导航2.路标定位在事先知道路标在环境中的坐标、形状等特征的前提下，机器人通过对路标的探测来确定自身的位置，可分为人工路标定位和自然路标定位。人工路标定位，虽然比较容易实现，但它人为地改变了机器人工作的环境。自然路标定位不改变工作环境，是机器人通过对工作环境自然特征的识别完成定位，路标探测的稳定性和鲁棒性是研究的主要问题。沈阳新松机器人公司研制的激光导引叉车，通过车载的旋转激光头发射激光，在激光器扫描一周后，照到反射板，激光原路返回，可以得到一系列反射板的反射角,可算得激光旋转中心的坐标，从而得到运输车所在位置。移动机器人的定位与导航2.路标定位移动机器人的定位与导航3.GPS定位GPS全球定位系统是以距离作为基本的观测量，通过对四颗GPS卫星同时进行伪距离测量计算出用户（接收机）的位置。机器人通过安装卫星信号接收装置，无论是在室内还是在室外，都可以实现自身定位。由波音公司和科学应用国际公司开发的MDARS-E机器人，通过GPS接收机和陆地标志参考传感器对机器人进行定位，定位精度可达6cm，从而实现自由巡逻，估计障碍。移动机器人的定位与导航3.GPS定位移动机器人的定位与导航4.惯性定位利用机器人装配的光电编码器和陀螺仪，计算机器人航程，从而推知机器人当前的位置和下一步目的地。随着机器人航程的增长，定位的精度就会下降，而定位误差将会无限制地增加。移动机器人的定位与导航4.惯性定位移动机器人的定位与导航5.视觉定位完成障碍物的探测及识别。国内外应用最多的是在机器人上安装车载摄像机的基于局部视觉的定位方式。Stanley提出了基于神经网络的机器人视觉定位技术，该技术中估算逆雅可比矩阵，并将图像特征的变化与机器人的位置变化对应起来，通过神经网络训练来近似特征雅可比矩阵的逆阵。该技术，通过提取几何特征、平均压缩、向量量化和主成分提取来简化图像处理，实现实时视觉定位。移动机器人的定位与导航5.视觉定位移动机器人的定位与导航环境地图的表示1.几何地图几何地图是一种基于几何信息的地图表示方法，它由一组环境路标特征组成，每一个路标特征用一个几何原型来近似，这种地图只局限于表示可参数化的环境路标特征或者可建模的对象，如点、线、面等，如图10.1和10.2所示。几何地图的构建方法大都是基于对环境信息的相对观测，然后用这些观测到的环境路标特征来表示环境地图。几何建模方法着重于时空坐标上对对象的具体定量的描述，在简单环境下或者局部区域内计算量小而且可以获得较高的精度，但在全局或者复杂的环境中一般计算复杂度剧增难以维持精确的坐标信息，为此研究人员后来提出了启发式搜索的方法。移动机器人的定位与导航环境地图的表示移动机器人的定位与导航移动机器人的定位与导航移动机器人的定位与导航2.栅格法表示地图栅格法表示地图的主要思想是将环境离散化规则的基本单元——二维或三维的栅格，通过对栅格的描述实现环境的系统建模，如图10.3，10.4所示。栅格表示采用不依赖于物体形状的单元分解来表示环境。这类表示通常采用的是正则单元分解，可在此基础上利用图象处理或计算几何等知识来构造二维正则骨架图。移动机器人的定位与导航2.栅格法表示地图移动机器人的定位与导航移动机器人的定位与导航移动机器人的定位与导航3.拓扑地图拓扑图是一种紧凑的地图表示方法，特别在环境大而简单时，这种方法将环境表示为一张拓扑意义中的图，如图10.5，10.6所示。图中的节点对应于环境中的一个特征状态、地点（由感知决定），如节点间存在直接连接的路径相当于图中连接点的弧。但当环境中存在两个很相似的地方时，拓扑图的方法将很难确定这是否为同一节点（特别是机器人从不同的路径到达这些节点时）。基于拓扑的地图表示方法，允许机器人在难以获得精确定位信息的情形下能够较好的控制移动机器人的规划。但拓扑节点在空间上的离散使得机器人无法在非拓扑节点位置进行定位。目前广义Voronoi图（GVG）常用来表示路标之间的联系，见图10.7和10.8。移动机器人的定位与导航3.拓扑地图移动机器人的定位与导航移动机器人的定位与导航移动机器人的定位与导航移动机器人的路径规划在移动机器人相关技术研究中,导航技术是其核心,而路径规划是导航技术研究的一个重要环节和组成部分。移动机器人的路径规划问题是移动机器人研究领域的热点问题，可以描述为：移动机器人依据某个或某些优化准则（如工作代价小，行走路线最短，行走时间最短等），在运动空间中找到一条从起始状态到目标状态，可以避开障碍物的最优或者接近最优的路径。路径规划问题己有的研究方法可以分为全局型方法、局部型方法以及混合型方法三种。移动机器人的定位与导航移动机器人的路径规划移动机器人的定位与导航全局规划方法依照己获取的环境信息，给机器人规划出一条路径。规划路径的精确程度取决于获取环境信息的准确程度。全局方法通常可以寻找最优解，但是需要预先知道环境的准确信息，并且计算量很大。局部规划方法侧重于考虑机器人当前的局部环境信息，让机器人具有良好的避碰能力。很多机器人导航方法通常是局部的方法，因为它的信息获取仅仅依靠传感器系统获取的信息，并且随着环境的变化实时的发生变化。和全局规划方法向比较，局部规划方法更具有实时性和实用性。缺陷是仅仅依靠局部信息，有时会产生局部极点，无法保证机器人能顺利到达目的地。混合型方法试图结合全局和局部的优点，将全局规划的“粗”路径作为局部规划的子目标。从而引导机器人最终找到目标点。移动机器人的定位与导航全局规划方法依照己获取的环境信息，给机移动机器人的定位与导航移动机器人的导航方式移动机器人有多种导航方式,根据环境信息的完整程度、导航指示信号类型的不同,可以分为电磁导航、惯性导航、全球定位系统（GPS）导航、超声波导航、激光导航、射频识别（RFID）导航和基于视觉的导航等。电磁导航也称为地下埋线导航,其原理是在路径上连续埋设多条引导电缆,分别流过不同频率的电流,通过感应线圈对电流的检测来感知路径信息。移动机器人的定位与导航移动机器人的导航方式移动机器人的定位与导航基于多传感器信息融合的移动机器人导航多传感器信息融合是指将多个传感器或多源的信息通过一定的算法进行综合处理,从而得到更准确、可靠的结论。常用的信息融合方法有:D-S证据方法、航迹融合的分层法、贝叶斯方法、卡尔曼滤波法、模糊推理论法以及神经网络法等。移动机器人的定位与导航基于多传感器信息融合的移动机器人导航移动机器人的定位与导航基于混合方法的移动机器人导航近年来，有学者将两种或两种以上的智能算法结合，开展了基于混合方法的机器人导航研究。采用模糊神经网络方法对半自主移动机器人导航，用模糊描述对机器人行为进行编码，用神经网络进行学习。机器人的传感器系统提供局部的环境检测信息，由模糊神经网络进行环境预测，进而完成未知环境下的导航。移动机器人的定位与导航基于混合方法的移动机器人导航移动机器人的定位与导航导航技术的应用根据应用领域的不同,对移动机器人导航技术的研究提出了不同的要求,这就需要根据实际情况提出相适应的导航方式、定位方法,使移动机器人不仅能够满足工作要求,而且具有更高的智能,从而更好的为人类服务。移动机器人的定位与导航导航技术的应用机器人学及其智能控制

第十章移动机器人的定位与导航机器人学及其智能控制

第十章移动机器人的定位与导航移动机器人的定位与导航移动机器人的定位近年来，国内外学者利用多种传感器对移动机器人的定位与导航问题进行了有意义的探索。主要研究方法可以分为相对定位、绝对定位和混合定位。相对定位又分为测距法和惯性定位法。绝对定位法又可分为磁罗盘法、主动灯塔法、全球定位（GPS）法、路标定位和模型匹配法。混合定位法是结合相对定位法和绝对定位法来实现移动机器人定位的方法，包括：基于多传感器信息融合的定位和基于视觉的定位方法等。移动机器人的定位与导航移动机器人的定位移动机器人的定位与导航1.模型匹配定位机器人通过自身的各种传感器，探测周围环境，利用感知到的局部环境信息进行局部的地图构造，并与其内部事先存储的完整地图进行匹配。如果两模型相互匹配，机器人可确定自身的位置。几年前国外的科学家就开始从事这项技术的研究。如英国伦敦大学的ARNE机器人就采用的这种定位方式。移动机器人的定位与导航1.模型匹配定位移动机器人的定位与导航2.路标定位在事先知道路标在环境中的坐标、形状等特征的前提下，机器人通过对路标的探测来确定自身的位置，可分为人工路标定位和自然路标定位。人工路标定位，虽然比较容易实现，但它人为地改变了机器人工作的环境。自然路标定位不改变工作环境，是机器人通过对工作环境自然特征的识别完成定位，路标探测的稳定性和鲁棒性是研究的主要问题。沈阳新松机器人公司研制的激光导引叉车，通过车载的旋转激光头发射激光，在激光器扫描一周后，照到反射板，激光原路返回，可以得到一系列反射板的反射角,可算得激光旋转中心的坐标，从而得到运输车所在位置。移动机器人的定位与导航2.路标定位移动机器人的定位与导航3.GPS定位GPS全球定位系统是以距离作为基本的观测量，通过对四颗GPS卫星同时进行伪距离测量计算出用户（接收机）的位置。机器人通过安装卫星信号接收装置，无论是在室内还是在室外，都可以实现自身定位。由波音公司和科学应用国际公司开发的MDARS-E机器人，通过GPS接收机和陆地标志参考传感器对机器人进行定位，定位精度可达6cm，从而实现自由巡逻，估计障碍。移动机器人的定位与导航3.GPS定位移动机器人的定位与导航4.惯性定位利用机器人装配的光电编码器和陀螺仪，计算机器人航程，从而推知机器人当前的位置和下一步目的地。随着机器人航程的增长，定位的精度就会下降，而定位误差将会无限制地增加。移动机器人的定位与导航4.惯性定位移动机器人的定位与导航5.视觉定位完成障碍物的探测及识别。国内外应用最多的是在机器人上安装车载摄像机的基于局部视觉的定位方式。Stanley提出了基于神经网络的机器人视觉定位技术，该技术中估算逆雅可比矩阵，并将图像特征的变化与机器人的位置变化对应起来，通过神经网络训练来近似特征雅可比矩阵的逆阵。该技术，通过提取几何特征、平均压缩、向量量化和主成分提取来简化图像处理，实现实时视觉定位。移动机器人的定位与导航5.视觉定位移动机器人的定位与导航环境地图的表示1.几何地图几何地图是一种基于几何信息的地图表示方法，它由一组环境路标特征组成，每一个路标特征用一个几何原型来近似，这种地图只局限于表示可参数化的环境路标特征或者可建模的对象，如点、线、面等，如图10.1和10.2所示。几何地图的构建方法大都是基于对环境信息的相对观测，然后用这些观测到的环境路标特征来表示环境地图。几何建模方法着重于时空坐标上对对象的具体定量的描述，在简单环境下或者局部区域内计算量小而且可以获得较高的精度，但在全局或者复杂的环境中一般计算复杂度剧增难以维持精确的坐标信息，为此研究人员后来提出了启发式搜索的方法。移动机器人的定位与导航环境地图的表示移动机器人的定位与导航移动机器人的定位与导航移动机器人的定位与导航2.栅格法表示地图栅格法表示地图的主要思想是将环境离散化规则的基本单元——二维或三维的栅格，通过对栅格的描述实现环境的系统建模，如图10.3，10.4所示。栅格表示采用不依赖于物体形状的单元分解来表示环境。这类表示通常采用的是正则单元分解，可在此基础上利用图象处理或计算几何等知识来构造二维正则骨架图。移动机器人的定位与导航2.栅格法表示地图移动机器人的定位与导航移动机器人的定位与导航移动机器人的定位与导航3.拓扑地图拓扑图是一种紧凑的地图表示方法，特别在环境大而简单时，这种方法将环境表示为一张拓扑意义中的图，如图10.5，10.6所示。图中的节点对应于环境中的一个特征状态、地点（由感知决定），如节点间存在直接连接的路径相当于图中连接点的弧。但当环境中存在两个很相似的地方时，拓扑图的方法将很难确定这是否为同一节点（特别是机器人从不同的路径到达这些节点时）。基于拓扑的地图表示方法，允许机器人在难以获得精确定位信息的情形下能够较好的控制移动机器人的规划。但拓扑节点在空间上的离散使得机器人无法在非拓扑节点位置进行定位。目前广义Voronoi图（GVG）常用来表示路标之间的联系，见图10.7和10.8。移动机器人的定位与导航3.拓扑地图移动机器人的定位与导航移动机器人的定位与导航移动机器人的定位与导航移动机器人的路径规划在移动机器人相关技术研究中,导航技术是其核心,而路径规划是导航技术研究的一个重要环节和组成部分。移动机器人的路径规划问题是移动机器人研究领域的热点问题，可以描述为：移动机器人依据某个或某些优化准则（如工作代价小，行走路线最短，行走时间最短等），在运动空间中找到一条从起始状态到目标状态，可以避开障碍物的最优或者接近最优的路径。路径规划问题己有的研究方法可以分为全局型方法、局部型方法以及混合型方法三种。移动机器人的定位与导航移动机器人的路径规划移动机器人的定位与导航全局规划方法依照己获取的环境信息，给机器人规划出一条路径。规划路径的精确程度取决于获取环境信息的准确程度。全局方法通常可以寻找最优解，但是需要预先知道环境的准确信息，并且计算量很大。局部规划方法侧重于考虑机器人当前的局部环境信息，让机器人具有良好的避碰能力。很多机器人导航方法通常是局部的方法，因为它的信息获取仅仅依靠传感器系统获取的信息，并且随着环境的变化实时的发生变化。和全局规划方法向比较，局部规划方法更具有实时性和实用性。缺陷是仅仅依靠局部信息，有时会产生局部极点，无法保证机器人能顺利到达目的地。混合型方法试图结合全局和局部的优点，将全局规划的“粗”路径作为局部规划的子目标。从而引导机器人最终找到目标点。移动机器人的定位与导航全局规划方法依照己获取的环境信息，给机移动机器人的定位与导航移动机器人的导航方式移动