面向虛擬現(xiàn)實(shí)和遙操作的移動(dòng)機(jī)器人同步定位與地圖創(chuàng)建技術(shù)研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著機(jī)器人、計(jì)算機(jī)、宇航等技術(shù)的飛速發(fā)展和交叉融合，機(jī)器人被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用在對(duì)未知環(huán)境的探索工作中。要探測(cè)未知環(huán)境，機(jī)器人應(yīng)具有自主導(dǎo)航、自主建立電子地圖、傳送地圖的能力，如果要完成某些特定任務(wù)，機(jī)器人還應(yīng)該具有遙操作的能力。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，機(jī)器人的地圖自主創(chuàng)建和遙操作技術(shù)在國(guó)際上已取得了諸多成果，但是在這些成果中地圖創(chuàng)建和遙操作往往是脫鉤的，地圖通常只具有顯示功能，遙操作也大多是在遠(yuǎn)程視頻的幫助下完成的，這就形成一個(gè)問(wèn)題：操

2、作員在遙控機(jī)器人的時(shí)候不知道此時(shí)機(jī)器人在地圖中的具體位置，很難對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)有一個(gè)整體規(guī)劃。 本文在國(guó)家863 計(jì)劃項(xiàng)目“危險(xiǎn)化學(xué)反應(yīng)器控制與修補(bǔ)移動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)（2003AA421040）”的支持下，對(duì)上述問(wèn)題展開(kāi)了深入研究，建立了一套面向虛擬現(xiàn)實(shí)和遙操作的移動(dòng)機(jī)器人同步定位與地圖創(chuàng)建系統(tǒng)方案，該方案能夠以虛擬現(xiàn)實(shí)的方式對(duì)未知環(huán)境進(jìn)行三維建模和立體圖形交互顯示，并以虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)為遙操作終端以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為傳輸媒介控制機(jī)器人的運(yùn)行。充

3、分發(fā)揮了虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸感和交互性，借助于立體顯示設(shè)備，給操作員帶來(lái)了身臨其境的效果。 本文的研究平臺(tái)采用HEBUT-II 型移動(dòng)機(jī)器人，主要研究了三個(gè)問(wèn)題：機(jī)器人的同步定位和三維地圖自主生成；由三維地圖到虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)建；基于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人的遙操作。這三個(gè)問(wèn)題緊密銜接在一起，從理論和實(shí)踐上構(gòu)造了一個(gè)機(jī)器人對(duì)未知環(huán)境的導(dǎo)航平臺(tái)。 論文的創(chuàng)新性工作如下： 1. 提出了機(jī)器人利用GPS 和里程計(jì)進(jìn)行粗略定位的具

4、體方法，通過(guò)分析機(jī)器人的輪式結(jié)構(gòu)建立機(jī)器人車體部分的運(yùn)動(dòng)控制命令模型。針對(duì)HEBUT-II 型機(jī)器人的超聲波傳感器的位置分布和消除串?dāng)_回波問(wèn)題，建立了超聲波傳感器的測(cè)量模型。在深入研究五自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，用D-H 法建立了五自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型并分析了機(jī)械手的關(guān)節(jié)速度與雅可比矩陣。研制成功了機(jī)械手的控制系統(tǒng)。 2. 提出了一種以超聲波傳感器為探測(cè)手段的移動(dòng)機(jī)器人自主建立三維電子地圖的方案，深入研究了FastSL

5、AM 算法，利用粒子濾波和卡爾曼濾波確定各路標(biāo)位置的誤差橢圓。在此基礎(chǔ)上，采用噪聲模糊聚類的方法分段把誤差橢圓的中心點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，再以機(jī)械手末端執(zhí)行器上安裝的聲納測(cè)量環(huán)境中各路標(biāo)高度，建立了環(huán)境的三維模型。 3. 建立了以虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)為終端顯示界面的具有立體顯示功能和遙操作功能三維電子地圖。該地圖的幾何模型來(lái)源于機(jī)器人建立的環(huán)境模型。研究了立體顯示算法，并將其應(yīng)用到電子地圖中，通過(guò)立體顯示外設(shè)，實(shí)現(xiàn)了具有沉浸感的場(chǎng)景再現(xiàn)功能。

6、采用OBB（Oriented Bounding Boxes,有向包圍盒）的碰撞檢測(cè)算法提高了機(jī)器人的安全性。以數(shù)據(jù)手套作為人機(jī)交互設(shè)備，設(shè)計(jì)了用于機(jī)器人遙操作的手勢(shì)集合，實(shí)現(xiàn)了地圖中的虛擬機(jī)器人和真實(shí)機(jī)器人的同步運(yùn)動(dòng)，整個(gè)交互過(guò)程直觀、自然，符合人在自然環(huán)境中的表達(dá)方式。 4. 提出了基于WLAN 和基于GPRS 的兩套獨(dú)立運(yùn)行的無(wú)線通信方法，分別負(fù)責(zé)傳送地圖模型信息、遙操作命令和遠(yuǎn)程視頻。WLAN 作為主要的傳輸方式，采用了B

7、SS 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接，通過(guò)增加高增益天線改善了普通的WLAN 通信距離短的缺點(diǎn)，把通信距離成功拓展到數(shù)公里之外。針對(duì)視頻傳輸對(duì)帶寬要求較大的問(wèn)題，研究并設(shè)計(jì)了多線程的傳輸方式，進(jìn)一步提高了傳輸速率。GPRS 作為輔助方式，以AT 命令的方式發(fā)送指令遙控機(jī)器人運(yùn)行，或啟動(dòng)機(jī)器人控制器來(lái)完成建圖或者遙操作工作。 5. 本文分別在操場(chǎng)、辦公室、走廊等環(huán)境進(jìn)行了一系列地圖自主創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)地完成三維模型的創(chuàng)建并具有較高