智能机器人原理与应用 课件 第7--9章 智能机器人自主导航与路径规划、 ROS机器人操作系统、 多机器人系统.pptx

北京信息科技大学自动化学院智能机器人原理与应用“智能检测技术与模式识别”研究所

北京信息科技大学自动化学院课程《智能机器人原理与应用》第七章智能机器人自主导航与路径规划

导航,最初是指对航海的船舶抵达目的地进行的导引过程。这一术语和自主性相结合,已成为智能机器人研究的核心和热点。Leonard和Durrant-Whyte将移动机器人导航定义为三个子问题：(1)WhereamI?———环境认知与机器人定位。(2)WhereamIgoing?———目标识别。(3)HowdoIgetthere?———路径规划。为了完成导航,机器人需要依靠自身的传感系统对内部姿态和外部环境信息进行感知,通过对环境空间信息的存储、识别、有哪些信誉好的足球投注网站等操作寻找最优或近似最优的无碰撞路径,并实现安全运动。

北京信息科技大学自动化学院课程《智能机器人原理与应用》7.1导航对于不同的室内与室外环境、结构化与非结构化环境,机器人完成准确的自身定位后,常用的导航方式主要有磁导航、惯性导航、视觉导航、卫星导航等.7.1.1导航系统分类1.磁导航磁导航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。磁导航技术虽然简单实用,但成本高,传感器发射和反射装置的安装复杂,改造和维护相对困难。2.惯性导航惯性导航是利用陀螺仪和加速度计等惯性传感器测量智能机器人的方位角和加速率,从而推知机器人的当前位置和下一步的目的地。由于车轮与地面存在打滑等现象,随着机器人航程的增长,任何小的误差经过累计都会无限增加,定位的精度就会下降。

北京信息科技大学自动化学院课程《智能机器人原理与应用》7.1导航7.1.1导航系统分类3.视觉导航在视觉导航系统中,视觉传感器可以是摄像头、激光雷达等环境感知传感器,主要完成运行环境中障碍和特征检测及特征辨识的功能。依据环境空间的描述方式,可将智能机器人的视觉导航方式划分为3类。(1)基于地图的导航(map-basednavigaion):是完全依靠在智能机器人内部预先保存好的关于环境的几何模型、拓扑地图等比较完整的信息,在事先规划出的全局路线基础上应用路径跟踪和避障技术来实现的(2)基于创建地图的导航(map-buildingnavigation):是利用各种传感器来创建关于当前环境的几何模型或拓扑模型地图,然后利用这些模型来实现导航。(3)无地图的导航(maplessnavigation):是在环境信息完全未知的情况下,可通过摄像机或其他传感器对周围环境进行探测,利用对探测的物体进行识别或跟踪来实现导航。

北京信息科技大学自动化学院课程《智能机器人原理与应用》7.1导航7.1.1导航系统分类4.卫星导航GPS全球定位系统是以距离作为基本的观测量,通过对4颗GPS卫星同时进行位距测量计算出接收机的位置。智能机器人通过安装卫星信号接收装置可以实现自身定位,无论其在室内还是室外。但是该方法存在近距离定位精度低、信号障碍、多径干扰等缺点,在实际应用中一般都结合其他导航技术一起工作。

北京信息科技大学自动化学院课程《智能机器人原理与应用》7.1导航智能机器人的导航系统是一个自主式智能系统,其主要任务是把感知、规划、决策和行动等模块有机地结合起来。下图给出了一种智能机器人自主导航系统的控制结构。7.1.2导航系统体系结构

北京信息科技大学自动化学院课程《智能机器人原理与应用》7.1导航7.1.3视觉导航在早期的视觉导航是为自主地面智能机器人而研发。近年来,由于视觉导航方法具有自主性、廉价性和可靠性等特点,已成为导航领域的研究热点。视觉导航在无人飞行器、深空探测器和水下机器人方面获得了广泛应用。1.视觉导航中的摄像机类型(1)被动视觉导航：被动视觉导航是依赖于可见光或不可见光成像技术的方法。CCD相机作为被动成像的典型传感器,广泛应用于各种视觉导航系统中。(2)主动视觉导航：主动视觉导航是利用激光雷达、声呐等主动探测方式进行环境感知的导航方法。例如,1997年着陆的火星探路者号使用编码激光条纹技术进行前视距离探测,可靠地解决了未知环境中的障碍识别问题。在视觉信息获取过程中,主动视觉导航能够主动调整摄像机的参数,与环境动态交互,根据具体要求分析有选择地得到视觉数据,更有效地理解视觉环境按照传感器类型视觉导航可分为被动视觉导航和主动视觉导航。

北京信息科技大学自动化学院课程《智能机器人原理与应用》7.1导航7.1.3视觉导航2.视觉导航中的摄像机数目(1)单目视觉导航：单目视觉的特点是结构和数据处理较简单,研究的方向集中在如何从二维图像中提取导航信息,常用的技术有阈值分割、透视图法等。(2)立体视觉导航：一个完整的立体视觉