面向空-地機器人協(xié)作的環(huán)境感知與閉環(huán)檢測.pdf

1、近年來，以空中和地面機器人為代表的移動機器人系統(tǒng)得到了廣泛的關注，并逐步在災難救援、軍事偵察等領域發(fā)揮越來越關鍵的作用。但是，二者自身存在明顯的能力局限性。地面移動機器人由于其自身工作范圍的限制，存在運行速度慢、監(jiān)控范圍小、受地形地質(zhì)條件影響大等缺點。與地面移動機器人相比，多旋翼飛行器可以在一定高度上對地面環(huán)境進行大范圍的觀測，但是其負載/續(xù)航能力有限，并且氣流干擾十分敏感。本文以自主研發(fā)的空地多機器人系統(tǒng)為基礎，開展了面向空-地機器人

2、協(xié)作的環(huán)境感知與閉環(huán)檢測研究。
　　為了實現(xiàn)三維環(huán)境感知，本文在自主研發(fā)的地面移動機器人與多旋翼飛行器平臺上，利用平臺搭載的激光傳感器以動態(tài)連續(xù)方式獲取序列二維激光數(shù)據(jù)。與靜態(tài)定點掃描方式相比，這種數(shù)據(jù)獲取方式工作效率高，但數(shù)據(jù)質(zhì)量稍差。因此，對算法性能提出了更高要求。為了適用于動態(tài)連續(xù)方式獲取的三維激光數(shù)據(jù)，本文提出了基于增量式滑動窗口的ISW-NDT(Incremental Sliding-Window based NDT)算

3、法實現(xiàn)高效率閉環(huán)檢測。該算法在現(xiàn)有NDT(Normal Distributions Transform)算法的基礎上引入固定尺寸的滑動窗口，對機器人連續(xù)采集的數(shù)據(jù)進行場景劃分，并采用增量式處理方式保證算法效率。同時，針對多旋翼飛行器抖動所帶來的激光掃描線無法對齊的問題，本文引入了基于環(huán)境建模的三維重構算法對飛機數(shù)據(jù)進行預處理，根據(jù)測量位姿建立概率模型并優(yōu)化求解。為了證明算法的有效性，本文在地面機器人平臺、多旋翼飛行器平臺分別采集數(shù)據(jù)并進

4、行實驗驗證。與3D-NDT算法相比，本文提出的ISW-NDT算法可以實現(xiàn)更高的召回率并能保證在線操作效率。
　　此外，本文還對空-地機器人協(xié)作閉環(huán)檢測問題進行了探索性的研究，實現(xiàn)了空-地機器人在數(shù)據(jù)獲取、模型建立以及語義層面的一致性環(huán)境表述。為了對空-地地圖進行集成，本文引入了基于場景匹配的空-地機器人相對位姿估計，實現(xiàn)空-地機器人協(xié)作地圖構建。同時，本文分析了空-地機器人的觀測視角和觀測范圍的差異，并探究了多旋翼飛行器不同飛行高