基于激光线段特征的移动机器人主动同时定位与建图
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ｏｎ
ＳＬＡＭ
ｐｒｏｂｌｅｍ
ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂａｓｅｄ
ｐｏｉｎｔ ｆｅａｔｕｒｅｓ，ｗｈｉｃｈ
Ｃａｎ’ｔ
ｄｅｓｃｒｉｂｅ ｔｈｅ
ｓｔｒｕｃ眦
ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｕｓｕａｌｌｙ ｔｈｅ ｍａｐｐｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｍｅａｎｉｎｇｌｅｓｓ．Ｉｎ
学位论文作者签名：
诃雨 少６７年ｆ月３『日
南开大学学位论文版权使用授权书
本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。
建图。
３．对主动探索过程中机器人落入局部陷阱导致建图失败的问题进行分析， 并给出基于行为与基于广义ｖｏｒｏｎｏｉ图两种不同层次处理方法，必要时引导机器
人脱离局部陷阱向未探索区域运动以完成对整个环境的建图。
关键词：主动同时定位与建图，ＳＰ模型，线段特征，虚拟延长线，实端点，局
部陷阱
Байду номын сангаас Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｉｎｄｏｏｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ
ａ
ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ
ｍｕｌｔｉ。ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ
ｏｐｔｉｍａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ
ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ
ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｔｗｏ ｐａｒｔｓ
ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｇａｉｎ ｏｆ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｅｇｍｅｎｔ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ
5对原始线段进行后处理3直线回归算法1对激光扫描点进行预处理对每组初始分割使用步骤23进行处理2定义滑动窗口的大小然后沿着扫描点序列依次滑动对窗口内的扫描点采用最小二乘法拟合直线3计算相邻的三个窗口所拟合直线的马氏距离构成相似度数组根据相似度数组寻找同质区域对同质区域内的扫描点重新拟合得到原始的线段特征4对原始线段进行后处理原始线段特征图24直线回归算法流程示意图213算法间的分析与比较使用多组激光扫描数据对上述三种线段特征提取算法进行测试分别从速度特征数目不确定性以及细节分辨率等角度进行比较见表2114第二章线段特征的提取与slam系统建模表21线段特征提取算法比较特征数目提取速度不确定性细节分辨率sm算法在测试中我们发现大部分情况下三种算法提取的线段特征数量差别不大提取速度方面sm算法优势明显hough变换算法速度最慢直线回归算法速度适中
不能利用先验地图进行定位，另一方面，由于无法定位，建图也就无从谈起。定
位与建图的过程相互依赖，相互耦合，从而形成“鸡生蛋、蛋生鸡＂的问题ｐｊ，
这使得ＳＬＡＭ问题成为移动机器人导航领域面临的一个严峻挑战。
１．２研究现状
在ＳＬＡＭ问题中，机器人进入未知环境后，利用传感器对环境进行探索，然 后根据里程计读数和机器人与环境特征之间的相对位置进行定位与建图，在此过
不少使用移动机器人提高生产效率或者代替人工作业的实例，而在一些对国家经
济、社会、国防等领域具有重大战略意义的项目中，对移动机器人的需求也不断 增加。随着人类活动范围的进一步扩展，面对复杂的未知环境和危险环境，移动 机器人可以代替人执行探险、探测和操作等任务，因此在星球探测、海洋开发、 军事反恐、灾难救助、危险品处理等领域移动机器人显现出广泛的应用前景。
ａｎｄ
ｐｒｅｓｅｎｔ ｔｗｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ：ｔｈｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ—ｂａｓｅｄ ａｐｐｒｏａｃｈ
ｏｎ
ａｎｄ ｔｈｅ
ａｐｐｒｏａｃｈ
ａｒｅａ
ｂａｓｅｄ
ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｖｏｒｏｎｏｉ ｄｉａｇｒａｍ，ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｗｉｌｌ ｇｅｔ ｒｉｄ ｏｆ ｌｏｃａｌ
人研究的序幕，同时开创了使用计算机对移动机器人进行控制的先河；第二阶段，
７０年代末至９０年代，移动机器人研究出现了一个高潮，特别是在８０年代中期，许
多世界著名的公司都开始研制移动机器人平台，它们主要作为大学实验室及研究
机构的移动机器人实验平台，从而促进了移动机器人领域多种研究方向的出现； 第三阶段，９０年代至今，随着传感器技术和计算机技术的进步，移动机器人逐步 走出实验室，进入实用化阶段，在制造业、物流业和服务业等传统领域，已经有
ｏｎ
ｐｏｉｎｔ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｉｎ
ＳＬＡＭ
ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ
ｏｎ
ａｎｄ
ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ｉｎｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔａｔｅ ｉｎ ｓｏｍｅ
ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ａ
ＳＬＡＭ
Ｉａｓｅｒ
ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｂａｓｅｄ
ｓｅｇｍｅｎｔｓ，ｗｅ
ＳＬＡＭ ｓｙｓｔｅｍ
ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄ
随着应用领域的不断扩展，移动机器人面对的环境不仅仅是已知的结构化环
境，更多时候需要面对非结构化环境甚至是完全未知的环境。目前，对于已知环 境地图的机器人定位和己知机器人位置的建图已经有了多种有效的解决方法
【ｌ】【２１，因此移动机器人如何对未知环境进行探索的问题即ＳＬＡＭ问题引起越来越 多相关研究人员的关注。在该问题中，机器人面临这样的困境，一方面，机器人
南开大学 硕士学位论文 基于激光线段特征的移动机器人主动同时定位与建图 姓名：武涛 申请学位级别：硕士 专业：模式识别与智能系统 指导教师：孙凤池 20090401
摘要
摘要
室内环境是人类工作和生活的主要场所，也是移动机器人的重要工作环境之
一，因此研究室内环境中移动机器人的同时定位与建图，不仅具有重要的理论意 义，也将加快移动机器人进入日常生活服务于人类社会的步伐，具有广泛的实用 价值和应用前景。然而，现有的ＳＬＡＭ研究大多基于点特征开展，无法描述环 境的结构信息，建立的环境地图缺乏实际意义，另外，机器人在探索过程中通常 以随机方式或预先跟踪指定路径的方式运动，缺乏自主性，对环境的适应能力比
ａ
ｐｏｏｒ
ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ
Ａｉｍｉｎｇ
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．
ａｔ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ－ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｓ ｔｈｅ ａｃｔｉｖｅ
ｏｎ
ＳＬＡＭ ｂａｓｅｄ
ｌａｓｅｒ ｓｅｇｍｅｎｔ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｄｏｏｒ
地图表示方式‘６】【７１１８】【９】【Ｉｏ】，它根据地图分辨率的需要将环境分成若干大小相同的
栅格，使用不同的数值表示栅格状态，例如使用０．５表示未探索栅格，０表示自 由栅格，ｌ表示被障碍物覆盖的栅格。栅格地图的优点是：易于创建和维护，可 以保留原始的环境信息，便于进行路径规划，缺点是：维护代价高昂，尤其在大
ｆｅａｔｕｒｅ，Ｖｉｒｔｕａｌ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｌｉｎｅ，Ｒｅａｌ ｅｎｄｐｏｉｎｔ，Ｌｏｃａｌ ｔｒａｐ
ＩＩＩ
南开大学学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。
ａｎｄ
ｍｏｄｅｌ）理论建立基于激光线段特征的系统模型。
２．结合线段特征的特点，定义新的度量环境探索增益的指标一线段特征的虚
拟延长线和实端点增加率，并将主动ＳＬＡＭ转化成多目标最优控制问题，把定 位与建图的准确性和环境探索增益作为主要的评价指标，机器人执行最优化目标 函数的控制输入以实现主动的运动方式，从而更高效、更准确地完成同时定位与
ｏｎ
ｓｅｇｍｅｎｔ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ＳＰ
ｍｏｄｅｌ（Ｓｙｍｍｅｔｒｉｅｓ
ａｎｄ ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎｓ
ｍｏｄｅｌ）．
２・Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔＯ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｌｉｎｅ ｓｅｇｍｅｎｔ ｆｅａｔｕｒｅｓ，ａ ｎｅｗ ｍｅａｓｕ】ｒｅ ｉｓ ｄｅｆｍｅｄ ｔｏ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈｅ ｇａｉｎ ｏｆ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ．ｖｉｒｔｕａｌ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ａｌｌｄ ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ ｒａｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｓｅｇｍｅｎｔ ｅｎｄｐｏｉｎｔｓ．Ａｌｓｏ，ｔｈｅ ａｃｔｉｖｅ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ ｉｎｔｏ
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ、池ｉｌｅ
ｔｈｅ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｏｆ ｔｈｉｓ
Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ ｉｓ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｔｏ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔａｔｅ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｃｌｕｄｅ：
ｍａｊｏｒ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ
１・Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｐ ｂａｓｅｄ ｅｘｉｓｔｉｎｇ
ａｎｄ
ｗａｌｋ ｔｏｗａｒｄｓ ｔｈｅ
ｕｎｅｘｐｌｏｒｅｄ
ａｒｅａ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ａ ｃｏｍｐｌｅｔｅ
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｍａｐ．
ＩＩ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ａｃｔｉｖｅ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｐｐｉｎｇ，ＳＰ ｍｏｄｅｌ，Ｌｉｎｅ ｓｅｇｍｅｎｔ
前，虽然距离完全解决ＳＬＡＭ问题尚有很长的路要走，但是针对ＳＬＡＭ中一些基
本问题已经涌现了许多成果。
ＳＬＡＭ中的第一个基本问题是如何对环境进行描述。根据描述方法的不同，
机器人建立的环境地图通常分为栅格地图、特征地图、拓扑地图以及混合地图等
多种，它们各有优缺，下面分别予以介绍。
（１）栅格地图：栅格地图法最早Ｅｌｆｅｓ提出１５】，是使用的最为广泛的一种环境
程中地图以增量的形式创建，且定位与建图同时在线完成，而不是两个独立的阶
段，用于解决机器人定位与导航问题的传统方法无法应用于ＳＬＡＭ问题。１９９０
年，Ｓｍｉｔｈ
Ｒ，Ｓｅｌｆ
Ｍ和Ｃｈｅｅｓｅｍａｎ Ｐ提出了基于扩展卡尔曼滤波器（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ
第一章绪论
Ｋａｌｍａｎ
Ｆｉｌｔｅｒ．ＥＫＦ）的随机建图方法１４Ｊ，从此揭开了ＳＬＡＭ研究的序幕，截止到目
ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ
ａｎｄ ｍａｐｐｉｎｇ，ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｗｉｌｌ ｅｘｅｃｕｔｅ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｃｏｎｔｒｏＩ ｉｎｐｕｔ
ｔｏ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ａｎ ａｃｃｕｒａｔｅ
ｍａｐ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ．
３．Ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｆａｌｌｓ ｉｎ ｌｏｃａｌ ｔｒａｐｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ．
规模环境中或者对分辨率要求比较高的应用中。 为降低维护栅格地图的代价，
Ｎｅｂｏｔ提出一种基于四叉树结构的环境地图表示方法，在空旷区域，使用大栅格
建模，在环境对象分布密集的区域，为保证环境地图具有较高的分辨率，使用四 叉树结构对当前栅格进行迭代分解直至满足所需的地图精度Ｉｌｌｌ。目前，由于处
Ｍａｐｐｉｎｇ）ｕｎｄｅｒ
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ
ｏｎ
ｉｓ ｎｏｔ
ｏｎｌｙ ｏｆ ｇｒｅａｔ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｗｉｌｌ ｈｅｌｐ ｔｈｅ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔｓ ｗａｌｋ ｉｎｔｏ
ｏｕｒ
ｄａｉｌｙ ｌｉｆｅ ａｎｄ
ａｒｅ
ｓｅｒｖｅ
ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｏｃｉｅｔｙ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｍｏｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ
ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｒａｎｄｏｍｌｖ ｃｈｏｓｅｎ
ｏｒ
ｐｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｄｕｅ
ｔｏ ｔｈｅ
ｔｏ ｔｈｅ ｌａｃｋ ｏｆ
ａｕｔｏｎｏｍｙ，ｔｈｅ ＳＬＡＭ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｈａｓ
ａｒｅ
ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｌａｃｅｓ ｐｅｏｐｌｅ ｌｉｖｅ ａｎｄ ｗｏｒｋ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａｌｓｏ ｆｏｒ
ａＩｌ
Ｉｍｐｏｒｔａｎｔ
ｗｏｒｋｉｎｇ
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ
ｍｏｂｉｌｅ
ｒｏｂｏｔｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ ｉｎｄｏｏｒ
ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｏｎ
ＳＬＡＭ（Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ
Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ
较差。
针对上述问题，本文面向室内环境，采用扩展卡尔曼滤波算法进行状态估计， 对基于激光线段特征的移动机器人主动同时定位与建图问题开展研究，主要内容
包括： １．针对当前ＳＬＡＭ研究中点特征地图存在的缺陷以及部分基于线段特征地
图的ＳＬＡＭ算法中状态估计不一致的问题，根据ＳＰ模型（Ｓｙｍｍｅｔｒｉｅｓ
ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎｓ
学位论文作者签名：
茯‘雨
≥。ｂ夕年ｒ月；ｆ日
经指导教师同意，本学位论文属于保密，在 本授权书。 指导教师签名： 解密时间： 学位论文作者签名： 年 月
日
年解密后适用
各密级的最长保密年限及书写格式规定如下：
第一章绪论
第一章绪论
１．１
引言
移动机器人的发展经历了三个阶段：第一阶段，２０世纪６０年代末至７０年代， 以斯坦福研究所的自主移动机器人ＳＨＡＫＥＹ的研制成功为标志，揭开了移动机器
ＳＬＡＭ
ｐｒｏｂｌｅｍ
ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂａｓｅｄ
ｐｏｉｎｔ ｆｅａｔｕｒｅｓ，ｗｈｉｃｈ
Ｃａｎ’ｔ
ｄｅｓｃｒｉｂｅ ｔｈｅ
ｓｔｒｕｃ眦
ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｕｓｕａｌｌｙ ｔｈｅ ｍａｐｐｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｍｅａｎｉｎｇｌｅｓｓ．Ｉｎ
学位论文作者签名：
诃雨 少６７年ｆ月３『日
南开大学学位论文版权使用授权书
本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。
建图。
３．对主动探索过程中机器人落入局部陷阱导致建图失败的问题进行分析， 并给出基于行为与基于广义ｖｏｒｏｎｏｉ图两种不同层次处理方法，必要时引导机器
人脱离局部陷阱向未探索区域运动以完成对整个环境的建图。
关键词：主动同时定位与建图，ＳＰ模型，线段特征，虚拟延长线，实端点，局
部陷阱
Байду номын сангаас Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｉｎｄｏｏｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ
ａ
ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ
ｍｕｌｔｉ。ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ
ｏｐｔｉｍａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ
ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ
ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｔｗｏ ｐａｒｔｓ
ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｇａｉｎ ｏｆ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｅｇｍｅｎｔ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ
5对原始线段进行后处理3直线回归算法1对激光扫描点进行预处理对每组初始分割使用步骤23进行处理2定义滑动窗口的大小然后沿着扫描点序列依次滑动对窗口内的扫描点采用最小二乘法拟合直线3计算相邻的三个窗口所拟合直线的马氏距离构成相似度数组根据相似度数组寻找同质区域对同质区域内的扫描点重新拟合得到原始的线段特征4对原始线段进行后处理原始线段特征图24直线回归算法流程示意图213算法间的分析与比较使用多组激光扫描数据对上述三种线段特征提取算法进行测试分别从速度特征数目不确定性以及细节分辨率等角度进行比较见表2114第二章线段特征的提取与slam系统建模表21线段特征提取算法比较特征数目提取速度不确定性细节分辨率sm算法在测试中我们发现大部分情况下三种算法提取的线段特征数量差别不大提取速度方面sm算法优势明显hough变换算法速度最慢直线回归算法速度适中
不能利用先验地图进行定位，另一方面，由于无法定位，建图也就无从谈起。定
位与建图的过程相互依赖，相互耦合，从而形成“鸡生蛋、蛋生鸡＂的问题ｐｊ，
这使得ＳＬＡＭ问题成为移动机器人导航领域面临的一个严峻挑战。
１．２研究现状
在ＳＬＡＭ问题中，机器人进入未知环境后，利用传感器对环境进行探索，然 后根据里程计读数和机器人与环境特征之间的相对位置进行定位与建图，在此过
不少使用移动机器人提高生产效率或者代替人工作业的实例，而在一些对国家经
济、社会、国防等领域具有重大战略意义的项目中，对移动机器人的需求也不断 增加。随着人类活动范围的进一步扩展，面对复杂的未知环境和危险环境，移动 机器人可以代替人执行探险、探测和操作等任务，因此在星球探测、海洋开发、 军事反恐、灾难救助、危险品处理等领域移动机器人显现出广泛的应用前景。
ａｎｄ
ｐｒｅｓｅｎｔ ｔｗｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ：ｔｈｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ—ｂａｓｅｄ ａｐｐｒｏａｃｈ
ｏｎ
ａｎｄ ｔｈｅ
ａｐｐｒｏａｃｈ
ａｒｅａ
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ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｖｏｒｏｎｏｉ ｄｉａｇｒａｍ，ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｗｉｌｌ ｇｅｔ ｒｉｄ ｏｆ ｌｏｃａｌ
人研究的序幕，同时开创了使用计算机对移动机器人进行控制的先河；第二阶段，
７０年代末至９０年代，移动机器人研究出现了一个高潮，特别是在８０年代中期，许
多世界著名的公司都开始研制移动机器人平台，它们主要作为大学实验室及研究
机构的移动机器人实验平台，从而促进了移动机器人领域多种研究方向的出现； 第三阶段，９０年代至今，随着传感器技术和计算机技术的进步，移动机器人逐步 走出实验室，进入实用化阶段，在制造业、物流业和服务业等传统领域，已经有
ｏｎ
ｐｏｉｎｔ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｉｎ
ＳＬＡＭ
ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ
ｏｎ
ａｎｄ
ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ｉｎｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔａｔｅ ｉｎ ｓｏｍｅ
ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ａ
ＳＬＡＭ
Ｉａｓｅｒ
ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｂａｓｅｄ
ｓｅｇｍｅｎｔｓ，ｗｅ
ＳＬＡＭ ｓｙｓｔｅｍ
ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄ
随着应用领域的不断扩展，移动机器人面对的环境不仅仅是已知的结构化环
境，更多时候需要面对非结构化环境甚至是完全未知的环境。目前，对于已知环 境地图的机器人定位和己知机器人位置的建图已经有了多种有效的解决方法
【ｌ】【２１，因此移动机器人如何对未知环境进行探索的问题即ＳＬＡＭ问题引起越来越 多相关研究人员的关注。在该问题中，机器人面临这样的困境，一方面，机器人
南开大学 硕士学位论文 基于激光线段特征的移动机器人主动同时定位与建图 姓名：武涛 申请学位级别：硕士 专业：模式识别与智能系统 指导教师：孙凤池 20090401
摘要
摘要
室内环境是人类工作和生活的主要场所，也是移动机器人的重要工作环境之
一，因此研究室内环境中移动机器人的同时定位与建图，不仅具有重要的理论意 义，也将加快移动机器人进入日常生活服务于人类社会的步伐，具有广泛的实用 价值和应用前景。然而，现有的ＳＬＡＭ研究大多基于点特征开展，无法描述环 境的结构信息，建立的环境地图缺乏实际意义，另外，机器人在探索过程中通常 以随机方式或预先跟踪指定路径的方式运动，缺乏自主性，对环境的适应能力比
ａ
ｐｏｏｒ
ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ
Ａｉｍｉｎｇ
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．
ａｔ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ－ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｓ ｔｈｅ ａｃｔｉｖｅ
ｏｎ
ＳＬＡＭ ｂａｓｅｄ
ｌａｓｅｒ ｓｅｇｍｅｎｔ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｄｏｏｒ
地图表示方式‘６】【７１１８】【９】【Ｉｏ】，它根据地图分辨率的需要将环境分成若干大小相同的
栅格，使用不同的数值表示栅格状态，例如使用０．５表示未探索栅格，０表示自 由栅格，ｌ表示被障碍物覆盖的栅格。栅格地图的优点是：易于创建和维护，可 以保留原始的环境信息，便于进行路径规划，缺点是：维护代价高昂，尤其在大
ｆｅａｔｕｒｅ，Ｖｉｒｔｕａｌ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｌｉｎｅ，Ｒｅａｌ ｅｎｄｐｏｉｎｔ，Ｌｏｃａｌ ｔｒａｐ
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南开大学学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。
ａｎｄ
ｍｏｄｅｌ）理论建立基于激光线段特征的系统模型。
２．结合线段特征的特点，定义新的度量环境探索增益的指标一线段特征的虚
拟延长线和实端点增加率，并将主动ＳＬＡＭ转化成多目标最优控制问题，把定 位与建图的准确性和环境探索增益作为主要的评价指标，机器人执行最优化目标 函数的控制输入以实现主动的运动方式，从而更高效、更准确地完成同时定位与
ｏｎ
ｓｅｇｍｅｎｔ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ＳＰ
ｍｏｄｅｌ（Ｓｙｍｍｅｔｒｉｅｓ
ａｎｄ ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎｓ
ｍｏｄｅｌ）．
２・Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔＯ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｌｉｎｅ ｓｅｇｍｅｎｔ ｆｅａｔｕｒｅｓ，ａ ｎｅｗ ｍｅａｓｕ】ｒｅ ｉｓ ｄｅｆｍｅｄ ｔｏ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈｅ ｇａｉｎ ｏｆ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ．ｖｉｒｔｕａｌ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ａｌｌｄ ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ ｒａｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｓｅｇｍｅｎｔ ｅｎｄｐｏｉｎｔｓ．Ａｌｓｏ，ｔｈｅ ａｃｔｉｖｅ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ ｉｎｔｏ
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ、池ｉｌｅ
ｔｈｅ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｏｆ ｔｈｉｓ
Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ ｉｓ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｔｏ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔａｔｅ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｃｌｕｄｅ：
ｍａｊｏｒ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ
１・Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｐ ｂａｓｅｄ ｅｘｉｓｔｉｎｇ
ａｎｄ
ｗａｌｋ ｔｏｗａｒｄｓ ｔｈｅ
ｕｎｅｘｐｌｏｒｅｄ
ａｒｅａ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ａ ｃｏｍｐｌｅｔｅ
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｍａｐ．
ＩＩ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ａｃｔｉｖｅ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｐｐｉｎｇ，ＳＰ ｍｏｄｅｌ，Ｌｉｎｅ ｓｅｇｍｅｎｔ
前，虽然距离完全解决ＳＬＡＭ问题尚有很长的路要走，但是针对ＳＬＡＭ中一些基
本问题已经涌现了许多成果。
ＳＬＡＭ中的第一个基本问题是如何对环境进行描述。根据描述方法的不同，
机器人建立的环境地图通常分为栅格地图、特征地图、拓扑地图以及混合地图等
多种，它们各有优缺，下面分别予以介绍。
（１）栅格地图：栅格地图法最早Ｅｌｆｅｓ提出１５】，是使用的最为广泛的一种环境
程中地图以增量的形式创建，且定位与建图同时在线完成，而不是两个独立的阶
段，用于解决机器人定位与导航问题的传统方法无法应用于ＳＬＡＭ问题。１９９０
年，Ｓｍｉｔｈ
Ｒ，Ｓｅｌｆ
Ｍ和Ｃｈｅｅｓｅｍａｎ Ｐ提出了基于扩展卡尔曼滤波器（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ
第一章绪论
Ｋａｌｍａｎ
Ｆｉｌｔｅｒ．ＥＫＦ）的随机建图方法１４Ｊ，从此揭开了ＳＬＡＭ研究的序幕，截止到目
ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ
ａｎｄ ｍａｐｐｉｎｇ，ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｗｉｌｌ ｅｘｅｃｕｔｅ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｃｏｎｔｒｏＩ ｉｎｐｕｔ
ｔｏ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ａｎ ａｃｃｕｒａｔｅ
ｍａｐ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ．
３．Ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｆａｌｌｓ ｉｎ ｌｏｃａｌ ｔｒａｐｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ．
规模环境中或者对分辨率要求比较高的应用中。 为降低维护栅格地图的代价，
Ｎｅｂｏｔ提出一种基于四叉树结构的环境地图表示方法，在空旷区域，使用大栅格
建模，在环境对象分布密集的区域，为保证环境地图具有较高的分辨率，使用四 叉树结构对当前栅格进行迭代分解直至满足所需的地图精度Ｉｌｌｌ。目前，由于处
Ｍａｐｐｉｎｇ）ｕｎｄｅｒ
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ
ｏｎ
ｉｓ ｎｏｔ
ｏｎｌｙ ｏｆ ｇｒｅａｔ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｗｉｌｌ ｈｅｌｐ ｔｈｅ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔｓ ｗａｌｋ ｉｎｔｏ
ｏｕｒ
ｄａｉｌｙ ｌｉｆｅ ａｎｄ
ａｒｅ
ｓｅｒｖｅ
ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｏｃｉｅｔｙ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｍｏｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ
ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｒａｎｄｏｍｌｖ ｃｈｏｓｅｎ
ｏｒ
ｐｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｄｕｅ
ｔｏ ｔｈｅ
ｔｏ ｔｈｅ ｌａｃｋ ｏｆ
ａｕｔｏｎｏｍｙ，ｔｈｅ ＳＬＡＭ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｈａｓ
ａｒｅ
ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｌａｃｅｓ ｐｅｏｐｌｅ ｌｉｖｅ ａｎｄ ｗｏｒｋ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａｌｓｏ ｆｏｒ
ａＩｌ
Ｉｍｐｏｒｔａｎｔ
ｗｏｒｋｉｎｇ
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ
ｍｏｂｉｌｅ
ｒｏｂｏｔｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ ｉｎｄｏｏｒ
ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｏｎ
ＳＬＡＭ（Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ
Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ
较差。
针对上述问题，本文面向室内环境，采用扩展卡尔曼滤波算法进行状态估计， 对基于激光线段特征的移动机器人主动同时定位与建图问题开展研究，主要内容
包括： １．针对当前ＳＬＡＭ研究中点特征地图存在的缺陷以及部分基于线段特征地
图的ＳＬＡＭ算法中状态估计不一致的问题，根据ＳＰ模型（Ｓｙｍｍｅｔｒｉｅｓ
ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎｓ
学位论文作者签名：
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经指导教师同意，本学位论文属于保密，在 本授权书。 指导教师签名： 解密时间： 学位论文作者签名： 年 月
日
年解密后适用
各密级的最长保密年限及书写格式规定如下：
第一章绪论
第一章绪论
１．１
引言
移动机器人的发展经历了三个阶段：第一阶段，２０世纪６０年代末至７０年代， 以斯坦福研究所的自主移动机器人ＳＨＡＫＥＹ的研制成功为标志，揭开了移动机器