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面向室内场景的空地多机器人协作环境感知

作　者: 姜楠
导　师: 庄严
学　校: 大连理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 协作环境感知空地多机器人系统场景认知压缩跟踪相对位姿估计
分类号: TP391.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

地面自主移动机器人具有广泛的应用价值,其可在条件恶劣的场景中执行探索救援等多种任务。但由于其自身工作空间的限制,地面机器人只能获取自身周围的局部环境信息。四旋翼飞行器具有良好的灵活性和机动性,非常适合在近地面环境开展监视、侦察等任务。与地面移动机器人相比,它可以在特定高度上对地面环境进行大范围的观测,但是由于其续航能力有限,无法完成长时间的飞行任务。本文以自主研发的空地多机器人协作系统为基础,开展多机器人面向室内场景的空地协作环境感知研究。为完成地面三维环境的认知,本文提出了一种基于三维激光测距的场景认知方法,从而确保移动机器人在存在动态干扰(如运动人体目标)的大范围室内环境中具有自主场景认知的能力。将三维激光点云转换为二维的方向角图,并在其中提取ORB (Oriented FAST and Rotated BRIEF)特征作为场景的局部特征,同时结合从原始三维点云中提取的全局空间特征,从而完成自主场景认知的任务。利用包含30个房间(约1600m2)的大规模室内场景作为测试环境,采用配备有自主研发的三维激光测距系统的SmartROB2移动机器人平台进行实验验证。实验结果表明本文所提出的方法的有效性和对动态环境的适应性。为扩展地面移动机器人的感知范围,采用四旋翼飞行器与其协作来完成大范围、多视角的环境感知。通过对四旋翼飞行器进行硬件改造(配备视觉系统、机载计算机以及通信模块)和软件系统的构建,使其具有基于视觉的实时环境观测和远程监控能力。在此基础上,提出了飞行器针对地面起落标志的检测方法,并将该算法与压缩跟踪算法有效地结合起来,完成了地面起落标志的实时检测与跟踪,并能有效克服相似标志的出现和标志的部分遮挡带来的干扰。采用图像矩和圆形形变理论对起落标志进行分析,完成了四旋翼飞行器六自由度相对位姿的有效估计。一系列的标志干扰实验验证了四旋翼飞行器对地面标志检测与跟踪方法的有效性与实用性。此外进行了四旋翼飞行器与地面移动机器人之间的相对位姿估计实验。实验表明所提出的相对位姿估计算法可以满足目前应用的需求。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-13
  1.1 研究背景与意义  8
  1.2 国内外研究现状与发展趋势  8-11
  1.3 本文主要工作  11-13
2 地面移动机器人自主场景认知  13-29
  2.1 3-D激光点云数据的表述  13-15
    2.1.1 3-D数据表述方法概述  13-14
    2.1.2 3-D激光点云的2-D表述  14-15
  2.2 ORB特征提取  15-21
    2.2.1 Oriented FAST特征点提取  16-18
    2.2.2 Rotated BRIEF描述符建立  18-21
  2.3 机器人自主场景认知  21-24
    2.3.1 场景认知系统框架  21-22
    2.3.2 基于全局特征和局部特征的场景认知方法  22-24
  2.4 实验结果与分析  24-29
    2.4.1 ORB特征选取实验  24-25
    2.4.2 场景认知实验  25-27
    2.4.3 时间测试  27-29
3 四旋翼飞行器的地面目标检测与跟踪  29-44
  3.1 起落标志的检测  30-34
    3.1.1 自适应阈值化  30-31
    3.1.2 二值图像的拓扑结构分析  31-33
    3.1.3 起落标志识别方法  33-34
  3.2 压缩跟踪算法  34-41
    3.2.1 压缩感知  35-38
    3.2.2 特征提取  38-39
    3.2.3 朴素贝叶斯分类器  39-41
  3.3 实验结果与分析  41-44
    3.3.1 检测实验  41-42
    3.3.2 跟踪实验  42-44
4 多机器人空地协作环境感知  44-63
  4.1 六自由度相对位姿估计  44-53
    4.1.1 基于图像矩的相对偏航角估计  44-46
    4.1.2 椭圆参数的最小二乘拟合  46-47
    4.1.3 基于椭圆参数的五自由度相对位姿估计  47-53
  4.2 空地协作环境感知  53-58
    4.2.1 空地协作环境感知系统构建  53-55
    4.2.2 软硬件平台构建  55-58
  4.3 实验结果与分析  58-63
    4.3.1 相对偏航角估计实验  58-60
    4.3.2 五自由度相对位姿估计实验  60-63
结论  63-65
参考文献  65-69
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  69
课题资助情况  69-70
致谢  70-71

面向室内场景的空地多机器人协作环境感知

内容摘要

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