基于ROS的轮椅室内自主导航算法研究与实现.pdf

摘要

自从千禧年开始，我国老龄化不断加深，另外，我国残疾人口数量巨大，轮椅

成为他们一个重要的出行选项。但传统轮椅对于上述人群的体力和注意力有比较高

的要求。因此本文利用传感器感知，自主导航等技术研究与实现了一种基于ROS的

轮椅室内自主导航算法，能够自主完成室内环境的地图建立，对目标点的自主导航

功能。本文的重点研究内容包括：

完成轮椅系统的结构设计与仿真建模。结合使用环境分析了轮椅的实际功能需

求，对轮椅底盘动力学与运动学进行剖析，从而建立了拥有感知与运动功能的轮椅

Gazebo模型用于仿真测试。对模型使用规则几何进行了简化，减轻仿真环境下的性

能负载。

激光雷达SLAM算法的研究选型。首先对激光雷达进行了运动畸变的矫正，保

证测试的准确性。通过建图误差、性能消耗方面对比了Hector、Gmapping和

Cartographer三种SLAM算法，根据实验平台性能要求选择了Gmapping算法作为建

图算法；对Gmapping原理进行研究，并从算法中选取minimumScore、particle、

linearUpdate和angularUpdate参数建立了对比实验，分析结果选取最优配置，实现

Gmapping的建图优化；针对提出的改进proposal分布优化Gmapping算法的实现，减

少粒子数的同时保持地图精度。

自主建图算法的研究。阐述了ROS导航中核心的组织模块、AMCL定位原理和

代价地图的重要性。研究RRT路径规划原理，提出了一种基于RRT算法的自主建图

策略，分析RRT自主建图的模块组成和功能，实现自主建图功能，与手动建图的精

度相差无几。

导航避障算法研究与轨迹优化。分别对Dijkstra和A*算法原理进行简述并在仿

真中对其路径规划效果进行了对比，在局部路径算法选择中对DWA和TEB算法根

据其控制特性进行比对，选取A*加DWA的路径规划算法组合，进行导航避障的检

验。然后根据Minimumsnap的优化原理，提出一种A*与minimumsnap相结合的全

局路径算法，在仿真中对Minimumsnap优化效果与对A*算法结合后改进效果进行验

证。最终使用QTCreator设计了一个用户界面，将之前提到的各种功能集成在一起。

关键词：雷达矫正；Gmapping优化；自主建图；路径规划；minimumsnap算法；

ABSTRACT

Sincethebeginningofthemillennium,theagingofourcountryhasbeendeepening,in

additiontothehugenumberofdisabledpopulationinChina,wheelchairshavebecomean

importanttraveloptionforthem.However,traditionalwheelchairshaverelativelyhigh

requirementsforthephysicalstrengthandattentionoftheaforementionedpeople.Therefore,

thispaperresearchesandimplementsaROS-basedwheelchairindoorautonomous

navigationalgorithmusingsensorsensing,autonomousnavigationandothertechnologies,

whichcanautonomouslycompletethemapbuildingofindoorenvironmentandautonomous

navigationfunctionoftargetpoints.Thekeyresearchofthispaperincludes.

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