基于激光雷达的移动机器人自主导航研究
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关键词：移动机器人；激光雷达；自主导航；路径规划；行为控制
硕士学位论文
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｆｉｅｌｄｓ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｓｔｕｄｉｅｓ ａｎｄ
ａｒｅａｓ ｏｆ ｈｕｍａｎ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｓｅａ ａｎｄ ｌａｎｄ ｓｐａｃｅ．Ｕｓｉｎｇ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔｓ ｆｏｒ ｓｐａｃｅ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ｏｎｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｗａｙ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ｓｐａｃｅ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｉｎ ｗｏｒｌｄｗｉｄｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｃｏｕｎｔｒｉｅｓ ｏｆ ２ １ ｓｔ
学校代号：１０５３２
学
号：Ｓ０８０９４０３５
密
级：
湖南大学硕士学位论文
基于激光雷达的移动机器人 自主导航研究
脚Ｙ删１ 舢９ Ⅲ０Ｍ６ ｍ４删８ Ｍ９
Ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ
Ｍｏｂｉｌｅ Ｒｏｂｏｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｌａｓｅｒ Ｒａｎｇｅ Ｆｉｎｄｅｒ
Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｉｎｄｏｏｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｒａｎｇｅ ｆｉｎｄｅｒ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｌａｓｅｒ’Ｓ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｍａｄｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｄｏｏｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅ ｌｉｎｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｉｔｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ａ ｉｎｄｏｏｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｆｅａｔｕｒｅ ｍａｐｐｉｎｇ ｗａｙ ｗｈｉｃｈ ｃｌｕｓｔｅｒｅｄ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｄａｔａ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ａｎｄ ｆｉｔｔｅｄ ｌｉｎｅｓ ｗｉｔｈ ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅｓ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｐｒｏｇｒａｍ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｓｏｍｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．
作者签名：
日期：ｚ∥ｌｌｍ夕月功日
学位论文版权使用授权书
ຫໍສະໝຸດ Baidu
篡孰黜鬻夏：
基于激光雷达的移动机器人自主导航研究
摘要
随着科学技术的发展，人类的研究和活动领域已由陆地扩展到深海和太空。 利用移动机器人进行空间探测和开发，已成为２１世纪世界各科技发达国家开发空 间资源的主要手段之一。移动机器人在月球和火星等外星球表面导航时，将面临 复杂的未知环境。尽管在移动机器人导航控制理论和方法的研究中，确定性环境 的导航控制方法已取得了大量的研究和应用成果，但是却不能直接应用于机器人 处于未知环境中的自主导航。因此本文针对未知环境中的移动机器人的自主导航 的问题展开研究，提出了基于激光雷达的自主导航系统，经过实验以及仿真研究 证明了该系统具有一定的前瞻性和可应用性。
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ：Ｌａｓｅｒ ｒａｎｇｅ ｆｉｎｄｅｒ：Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ：Ｐａｔｈ
然后ｊ本文介绍了基于激光测距仪的室内环境建模。首先针对研究的室内的 环境特点，对激光传感器进行了数学建模。接着介绍了直线检测与拟合的方法。 引入了Ｈｏｕｇｈ变换对激光扫描的距离数据进行分簇，并用最小二乘法进一步拟合 线段，然后构建出室内环境线段特征地图的方法。接着介绍了软件的界面设计， 代码设计，相关实验等内容。
Ｎｅｘｔ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ—ｂａｓｅｄ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ｖａｒｉｏｕｓ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ Ｐｉｏｎｅｅｒ２ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ，ｌａｓｅｒ ｒａｎｇｅ ｆｉｎｄｅｒｓ，ｉｎｅｒｔｉａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍｓ，ｗｅｒｅ ｄｅｔａｉｌｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ，ｂａｓｉｃ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗｏｒｋｆｌｏｗ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．
最后，主要介绍了移动机器人在自主导航中的路径规划方面的研究，讨论了现 有的各种现有路径规划的方法的优缺点，分析了至今还未很好解决的问题。针对 一些复杂障碍物提出了一种基于行为的路径规划方法，将整个路径规划行为分为 逼近目标行为、避障行为、子目标规划行为。通过合理的行为转换规则控制机器 人在几种行为中切换与相互配合来完成路径规划任务。机器人在同一时间内只采 用其中一种行为。接着分别详细介绍了几种子行为的方法，并在其后进行了仿真 实验，证明了该方法的有效性。接着介绍了两种移动机器人的慎思规划方法作为 后续的研究方法，对其适用领域与实现方法进行了详细介绍。
ｂｙ ＮＩＥ Ｘｉｎ
Ｂ．Ｅ．（Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）２００８
Ａ ｔｈｅｓｉｓ ｓｕｂｍｉｔｔｅｄ ｉｎ ｐａｒｔｉａｌ ｓａｔｉｓｆａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ Ｍａｓｔｅｒ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ｌｎ
Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ
ＩＩＩ
基于激光雷达的移动机器人自主导航研究 Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｓｏｍｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ．，ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｐｒｏｓ ａｎｄ ｃｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｒｉｏｕｓ ｅｘｉｓｔｅｄ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｓｏｍｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｕｎｒｅｓｏｌｖｅｄ ｕｎｔｉｌ ｎｏｗ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｓｏｍｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｕｎｋｎｏｗｎ ｏｂｓｔａｃｌｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｈｉｃｈ ｓｅｐａｒａｔｅｄ ｔｈｅ ｅｎｔｉｒｅ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｉｎｔｏ ３ ｓｕｂ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ，Ｏｂｓｔａｃｌｅ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ，ａｎｄ ｓｕｂ ｇｏａｌ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ．Ｒａｔｉｏｎａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｃｈａｎｇｅ ｒｕｌｅｓ ｗｅｒｅ ｓｅｔ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｏｂｏｔ ｃｈａｎｇｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ａｍｏｎｇ ｔｈｅ ３ ｒｕｌｅｓ ａｎｄ ｃｏｏｐｅｒａｔｅ ｅａｃｈ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｔｏ ｆｉｎｉｓｈ ｔｈｅ
Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｏｕｔｌｉｎｅｄ ｔｈｅ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ，ｔｈｅ ｍａｉｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ａ ｔｙｐｉｃａｌ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔｓ．Ａｎｄ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ，ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｆａｃｅｄ ｉｎ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ，ａｎｄ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｓａｍｅ ｅｘｉｓｔｅｄ ｍｅａｎｓ ｏｆ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｐｒｏｓ ａｎｄ ｃｏｎｓ．
ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｔａｓｋ．Ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｃａｎ ｏｎｌｙ ｕｓｅ ｏｎｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ａｔ ｏｎｅ ｔｉｍｅ．Ｔｈｅｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ
ｄｅｔａｉｌｅｄ ｔｈｅ ３ ｓｕｂ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ，ａｎｄ ｄｉｄ ｓｏｍｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｓｏｍｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｎ ２ ｄｅｌｉｂｅｒａｔｉｏｎ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ，ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗｅｒｅ ｄｅｔａｉｌｅｄ．
Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ
Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ
Ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ ＷＡＮＧ Ｙａｏｎａｎ，Ａｓｓｏｃｉａｔｅ Ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ ＹＵ Ｈｏｎｇｓｈａｎ
Ａｐｒｉｌ，２０１１
湖南大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。
首先，本文概述了移动机器人的定义与发展现状、主要应用领域和典型代表 机器人。综述了移动机器人自主导航技术的研究现状，分析移动机器人自主导航 中所面临的难点问题，介绍了现有的一些自主导航方法并分析了其利弊。
其次，本文介绍了基于激光的移动机器人自主导航系统的系统设计，首先详 细介绍了自主导航系统的硬件系统的各个组成部分，包括了Ｐｉｏｎｅｅｒ２移动机器人 平台、激光测距仪、惯性测量系统。其次介绍了所开发的软件功能模块组成、基 本功能和工作流程。
ｃｅｎｔｕｒｙ．Ｗｈｅｎ ｎａｖｉｇａｔｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ａｌｉｅｎ ｐｌａｎｅｔ，ｓｕｃｈ ａｓ ｍｏｏｎ ａｎｄ Ｍａｒｓ，ｍｏｂｉｌｅ
ｒｏｂｏｔｓ ｗｉｌｌ ｆａｃｅ ａ ｃｏｍｐｌｅｘ ｕｎｋｎｏｗｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ａｌｔｈｏｕｇｈ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ，ａ ｌｏｔ ｏｆ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｐｐｒｏａｃｈ ｕｎｄｅｒ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｈａｄ ｂｅｅｎ ｍａｄｅ， ｂｕｔ ｔｈｅｙ ｃａｎ ｎｏｔ ｂｅ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｉｎ ｕｎｋｎｏｗｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ．Ｓｏ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｍａｉｎｌｙ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ’Ｓ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｃｏｍｐｌｅｘ ｕｎｋｎｏｗｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｌａｓｅｒ ｒａｄａｒ ａｎｄ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｄ ｃｅｒｔａｉｎ ｆｏｒｗａｒｄ－ｌｏｏｋｉｎｇ ａｎｄ ｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ．
硕士学位论文
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｆｉｅｌｄｓ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｓｔｕｄｉｅｓ ａｎｄ
ａｒｅａｓ ｏｆ ｈｕｍａｎ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｓｅａ ａｎｄ ｌａｎｄ ｓｐａｃｅ．Ｕｓｉｎｇ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔｓ ｆｏｒ ｓｐａｃｅ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ｏｎｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｗａｙ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ｓｐａｃｅ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｉｎ ｗｏｒｌｄｗｉｄｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｃｏｕｎｔｒｉｅｓ ｏｆ ２ １ ｓｔ
学校代号：１０５３２
学
号：Ｓ０８０９４０３５
密
级：
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基于激光雷达的移动机器人 自主导航研究
脚Ｙ删１ 舢９ Ⅲ０Ｍ６ ｍ４删８ Ｍ９
Ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ
Ｍｏｂｉｌｅ Ｒｏｂｏｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｌａｓｅｒ Ｒａｎｇｅ Ｆｉｎｄｅｒ
Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｉｎｄｏｏｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｒａｎｇｅ ｆｉｎｄｅｒ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｌａｓｅｒ’Ｓ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｍａｄｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｄｏｏｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅ ｌｉｎｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｉｔｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ａ ｉｎｄｏｏｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｆｅａｔｕｒｅ ｍａｐｐｉｎｇ ｗａｙ ｗｈｉｃｈ ｃｌｕｓｔｅｒｅｄ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｄａｔａ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ａｎｄ ｆｉｔｔｅｄ ｌｉｎｅｓ ｗｉｔｈ ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅｓ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｐｒｏｇｒａｍ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｓｏｍｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．
作者签名：
日期：ｚ∥ｌｌｍ夕月功日
学位论文版权使用授权书
ຫໍສະໝຸດ Baidu
篡孰黜鬻夏：
基于激光雷达的移动机器人自主导航研究
摘要
随着科学技术的发展，人类的研究和活动领域已由陆地扩展到深海和太空。 利用移动机器人进行空间探测和开发，已成为２１世纪世界各科技发达国家开发空 间资源的主要手段之一。移动机器人在月球和火星等外星球表面导航时，将面临 复杂的未知环境。尽管在移动机器人导航控制理论和方法的研究中，确定性环境 的导航控制方法已取得了大量的研究和应用成果，但是却不能直接应用于机器人 处于未知环境中的自主导航。因此本文针对未知环境中的移动机器人的自主导航 的问题展开研究，提出了基于激光雷达的自主导航系统，经过实验以及仿真研究 证明了该系统具有一定的前瞻性和可应用性。
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ：Ｌａｓｅｒ ｒａｎｇｅ ｆｉｎｄｅｒ：Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ：Ｐａｔｈ
然后ｊ本文介绍了基于激光测距仪的室内环境建模。首先针对研究的室内的 环境特点，对激光传感器进行了数学建模。接着介绍了直线检测与拟合的方法。 引入了Ｈｏｕｇｈ变换对激光扫描的距离数据进行分簇，并用最小二乘法进一步拟合 线段，然后构建出室内环境线段特征地图的方法。接着介绍了软件的界面设计， 代码设计，相关实验等内容。
Ｎｅｘｔ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ—ｂａｓｅｄ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ｖａｒｉｏｕｓ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ Ｐｉｏｎｅｅｒ２ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ，ｌａｓｅｒ ｒａｎｇｅ ｆｉｎｄｅｒｓ，ｉｎｅｒｔｉａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍｓ，ｗｅｒｅ ｄｅｔａｉｌｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ，ｂａｓｉｃ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗｏｒｋｆｌｏｗ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．
最后，主要介绍了移动机器人在自主导航中的路径规划方面的研究，讨论了现 有的各种现有路径规划的方法的优缺点，分析了至今还未很好解决的问题。针对 一些复杂障碍物提出了一种基于行为的路径规划方法，将整个路径规划行为分为 逼近目标行为、避障行为、子目标规划行为。通过合理的行为转换规则控制机器 人在几种行为中切换与相互配合来完成路径规划任务。机器人在同一时间内只采 用其中一种行为。接着分别详细介绍了几种子行为的方法，并在其后进行了仿真 实验，证明了该方法的有效性。接着介绍了两种移动机器人的慎思规划方法作为 后续的研究方法，对其适用领域与实现方法进行了详细介绍。
ｂｙ ＮＩＥ Ｘｉｎ
Ｂ．Ｅ．（Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）２００８
Ａ ｔｈｅｓｉｓ ｓｕｂｍｉｔｔｅｄ ｉｎ ｐａｒｔｉａｌ ｓａｔｉｓｆａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ Ｍａｓｔｅｒ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ｌｎ
Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ
ＩＩＩ
基于激光雷达的移动机器人自主导航研究 Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｓｏｍｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ．，ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｐｒｏｓ ａｎｄ ｃｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｒｉｏｕｓ ｅｘｉｓｔｅｄ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｓｏｍｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｕｎｒｅｓｏｌｖｅｄ ｕｎｔｉｌ ｎｏｗ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｓｏｍｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｕｎｋｎｏｗｎ ｏｂｓｔａｃｌｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｈｉｃｈ ｓｅｐａｒａｔｅｄ ｔｈｅ ｅｎｔｉｒｅ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｉｎｔｏ ３ ｓｕｂ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ，Ｏｂｓｔａｃｌｅ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ，ａｎｄ ｓｕｂ ｇｏａｌ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ．Ｒａｔｉｏｎａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｃｈａｎｇｅ ｒｕｌｅｓ ｗｅｒｅ ｓｅｔ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｏｂｏｔ ｃｈａｎｇｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ａｍｏｎｇ ｔｈｅ ３ ｒｕｌｅｓ ａｎｄ ｃｏｏｐｅｒａｔｅ ｅａｃｈ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｔｏ ｆｉｎｉｓｈ ｔｈｅ
Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｏｕｔｌｉｎｅｄ ｔｈｅ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ，ｔｈｅ ｍａｉｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ａ ｔｙｐｉｃａｌ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔｓ．Ａｎｄ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ，ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｆａｃｅｄ ｉｎ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ，ａｎｄ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｓａｍｅ ｅｘｉｓｔｅｄ ｍｅａｎｓ ｏｆ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｐｒｏｓ ａｎｄ ｃｏｎｓ．
ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｔａｓｋ．Ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｃａｎ ｏｎｌｙ ｕｓｅ ｏｎｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ａｔ ｏｎｅ ｔｉｍｅ．Ｔｈｅｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ
ｄｅｔａｉｌｅｄ ｔｈｅ ３ ｓｕｂ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ，ａｎｄ ｄｉｄ ｓｏｍｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｓｏｍｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｎ ２ ｄｅｌｉｂｅｒａｔｉｏｎ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ，ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗｅｒｅ ｄｅｔａｉｌｅｄ．
Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ
Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ
Ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ ＷＡＮＧ Ｙａｏｎａｎ，Ａｓｓｏｃｉａｔｅ Ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ ＹＵ Ｈｏｎｇｓｈａｎ
Ａｐｒｉｌ，２０１１
湖南大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。
首先，本文概述了移动机器人的定义与发展现状、主要应用领域和典型代表 机器人。综述了移动机器人自主导航技术的研究现状，分析移动机器人自主导航 中所面临的难点问题，介绍了现有的一些自主导航方法并分析了其利弊。
其次，本文介绍了基于激光的移动机器人自主导航系统的系统设计，首先详 细介绍了自主导航系统的硬件系统的各个组成部分，包括了Ｐｉｏｎｅｅｒ２移动机器人 平台、激光测距仪、惯性测量系统。其次介绍了所开发的软件功能模块组成、基 本功能和工作流程。
ｃｅｎｔｕｒｙ．Ｗｈｅｎ ｎａｖｉｇａｔｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ａｌｉｅｎ ｐｌａｎｅｔ，ｓｕｃｈ ａｓ ｍｏｏｎ ａｎｄ Ｍａｒｓ，ｍｏｂｉｌｅ
ｒｏｂｏｔｓ ｗｉｌｌ ｆａｃｅ ａ ｃｏｍｐｌｅｘ ｕｎｋｎｏｗｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ａｌｔｈｏｕｇｈ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ，ａ ｌｏｔ ｏｆ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｐｐｒｏａｃｈ ｕｎｄｅｒ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｈａｄ ｂｅｅｎ ｍａｄｅ， ｂｕｔ ｔｈｅｙ ｃａｎ ｎｏｔ ｂｅ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｉｎ ｕｎｋｎｏｗｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ．Ｓｏ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｍａｉｎｌｙ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ’Ｓ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｃｏｍｐｌｅｘ ｕｎｋｎｏｗｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｌａｓｅｒ ｒａｄａｒ ａｎｄ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｄ ｃｅｒｔａｉｎ ｆｏｒｗａｒｄ－ｌｏｏｋｉｎｇ ａｎｄ ｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ．