机器人导航软件的设计与实现_论文

SLAM科学技术和移动机器人的导航在各个领域的应用有很好的发展前景。例如在服务机器人方面以及空间开发和制造业方面的应用都是有相当广阔的发展前景。但是实现这些应用时在导航技术方面有三个方面的问题必须解决：首先就是地图这一部分，即机器人的活动和工作的空间模型，因为地图是移动机器人行走路径规划的平台。其次就是移动机器人的路径规划方面，路径规划是实现移动机器人导航的主要技术，即令移动机器人可以按照设定的某一种性能指标，可以在地图中搜寻到一条从开始的状态一直到目标状态的最佳的没有碰撞的路线。在以上两个问题的基础上，还有第三个问题，就是定位，这是整个移动机器人导航技术中最基本的环节，因为它充当着保证一定机器人导航质量的重要功角色，定位就是确定移动机器人在二维空间中的位置相对于整个二维空间坐标位置还有它本身的姿态。精确的定位是完成移动机器人的自主导航重要前提，尤其是出现在一个未知的地图的时候，所以SLAM技术和同步定位从始至终都是移动机器人导航技术领域的关键同时也是最基础的问题。SLAM 问题所涉及到的 5 大问题：（ 1）地图的形成方式；（ 2）不确定性信息处理方式；（ 3）数据的关联；（ 4）自定位；（ 5）探索规划，这分开却并不孤立，甚至它们之间还有着非常密切的联系以及渗透的五大问题，基本上涵盖了在移动机器人导航研究的各大领域。虽然之前有很多学者在移动机器人导航技术的研究中，对地图、路线规划还有自动地位的三个问题提出了很多的理论知识以及解决方法，但是如果要从整体方面去把设计移动机器人导航实用的软件平台和各种技术相结合起来，这是当前研究领域很少涉及到的内容包括基于拓扑地图的全局规划、基于栅格地图局部的规划以及底层行为的控制功能，它实现了全局环境的一个简化的规划以及在局部环境方面十分精细的规划和避障这一功能相结合起来，令整体系统的计算效率得到了提高；在自定位这一模块中所采用的是里程计以及激光测距仪相混合定位的技术，这里充分利用和发挥了里程计的在短距离具有相对较高的精度，而激光测距仪在局部胎侧方面具有十分精准的特点，从而可以实现机器人在相对较大的范围内的导航过程中实现精准定位的功能。基于移动机器人在进入未知地图情况的自定位问题，本文设计并开发了以扫描匹配为基础的SLAM方法。此方法是用几何地图的方式来表示环境，这样不仅节省存储的空间，也利于使用激光传感器的创建；采取了沿墙走的这一策略，不仅仅可以降低探索路径时整体算法的复杂度和难度，也实现了实时性；再者是采用里程计以及激光测距仪相结合的定位方法，它克服了在SLAM的过程中由于单一的传感器所带来的不确定性问题；而通过比较线段之间的距离关系以及角度关系，可以利用线段合并算法可以十分便捷的将全局和局部的地图之间的线段进行合并，这样就能可以实现数据之间的关联。最终把该导航和SLAM系统结合在全自主移动的机器人身上，将激光测距仪和里程计作为传感器，分别进行大范围已知地图上的导航试验和未知地图上的SLAM实验。利用最终实验结果来验证文中提到的一系列方法所组成的系统的有效性。

关键词 移动机器人，导航，地图，定位， SLAM