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基于EKF-SLAM算法的室内移动机器人一致性研究

作　者: 魏绍清
导　师: 贾辉然
学　校: 河北科技大学
专　业: 电机与电器
关键词: SLAM EKF-SLAM 一致性 测量噪音 观测次数
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 36次
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内容摘要


机器人技术是多种先进技术的聚合体，同时也反映了一个国家的自动化科技水平，机器人技术在短短的十几年的时间里得到了飞速发展，成功并广泛应用在工业、军事、生活等各个领域。自主导航一直是移动机器人领域的研究热点，而能够使移动机器人具有更好的自主导航技术的是同时定位与地图创建(simultaneouslocalization and mapping SLAM)，因此对SLAM的研究成为了移动机器人领域的研究新的热点。本文对基于扩展卡尔曼滤波器的SLAM的算法（EKF-SLAM）进行了研究。文章首先介绍了SLAM系统的构建，然后主要分析讨论了EKF-SLAM算法的一致性问题，并介绍了硬件平台搭建以及实验结果。以往研究中提出一些算法提高了EKF-SLAM的一致性，然而并没有研究测量噪声和观察次数对不一致的影响。本文提出了测量噪音和观测次数是引起不一致的两个因素，对所用到EKF-SLAM算法的理论基础进行了介绍，并分析了不一致性的特征并对相关定理进行了论述和证明，然后对影响一致性的两个因素分别进行理论分析和仿真分析，最后对影响一致性的因素进行综合分析讨论。从理论上证明了测量噪音和观测次数是影响一致性的两个因素。本文最后对SLAM的硬件系统设计进行了介绍。长久以来SLAM技术由于受到硬件条件的制约，使得不能有更多的科学工作者投入研究。本课题提出一种基于单个超声波测距的室内移动机器人设计思路。并以非常低廉的成本搭建了室内移动机器人SLAM实验环境，分别讨论了硬件的选型，参数以及功能，并提供了相应的器件和电路设计。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-17
  1.1 课题研究背景  9
  1.2 移动机器人概述  9-13
    1.2.1 国外研究现状分析  11-12
    1.2.2 国内研究现状分析  12-13
  1.3 SLAM 问题  13-15
    1.3.1 SLAM 背景来源  13-14
    1.3.2 SLAM 国外研究现状  14-15
    1.3.3 SLAM 国内研究现状  15
  1.4 本课题研究目的及意义  15-16
  1.5 本文内容与结构  16-17
第2章 SLAM 的实现方法与算法  17-31
  2.1 移动机器人的地图创建问题  17-20
    2.1.1 几何特征地图  17
    2.1.2 栅格地图  17-18
    2.1.3 拓扑地图  18-19
    2.1.4 混合地图  19-20
    2.1.5 外观地图  20
  2.2 移动机器人定位问题  20-22
    2.2.1 相对定位  21
    2.2.2 绝对定位  21-22
  2.3 定位的几种算法  22-28
    2.3.1 粒子滤波器算法  22-23
    2.3.2 扩展卡尔曼滤波器算法  23-28
    2.3.3 扩展信息滤波器算法  28
  2.4 SLAM 技术的难点  28-29
    2.4.1 噪声处理  28
    2.4.2 环境建模  28
    2.4.3 数据关联  28-29
    2.4.4 不确定性信息的处理方法  29
    2.4.5 探索路径  29
  2.5 本章小结  29-31
第3章 EKF-SLAM 算法一致性研究  31-51
  3.1 EKF-SLAM 算法  32-35
    3.1.1 过程模型和观测模型  32-34
    3.1.2 EKF-SLAM 过程  34-35
  3.2 预备知识  35-42
    3.2.1 不一致特征  35-36
    3.2.2 特殊方案描述  36-37
    3.2.3 不一致理论分析  37-42
  3.3 一致性分析  42-48
    3.3.1 理论分析一致性  43-45
    3.3.2 仿真分析  45-48
  3.4 关于一致性的讨论  48-49
  3.5 本章小结  49-51
第4章 SLAM 系统硬件介绍  51-59
  4.1 系统结构  51-52
  4.2 机械结构  52
  4.3 主要器件及相关电路  52-56
    4.3.1 驱动电机  52-53
    4.3.2 环境信息采集  53-54
    4.3.3 主控制器设计  54-55
    4.3.4 其他部件  55-56
  4.4 实验  56-58
    4.4.1 实验环境  56-57
    4.4.2 实验结果  57-58
  4.5 本章小结  58-59
结论  59-61
附录  61-65
  附录 A  61-62
  附录 B  62-65
参考文献  65-69
攻读硕士学位期间所发表的论文  69-70
致谢  70

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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