室内非结构化环境中机器人slam算法实现【字数：14837】
随着机器人的出现，人类传统的生产模式、生活方式出现了改变，而可以确定的是这种改变为整个社会、个人工作生活带来了极大的便利。与AGV搬运机器人工作的结构化环境不同，室内移动机器人多工作于经常发生突发性事件或是环境信息复杂度较高的非结构化环境中，比如办公室、超市和家庭居室。正因移动机器人在日常生活的广泛应用，因此移动机器人领域受到了广泛的关注，并快速发展。SLAM (simultaneous localization and mapping)技术，即同时定位与建图技术，是自主移动机器人在陌生环境下实现定位和建图的关键技术。而激光雷达SLAM方案是现如今技术成熟、应用稳定的主选方案，而其中又有多种算法可以选择应用于不同场景。因此本文选取激光雷达SLAM中最有代表性的Gmapping、Hector、Cartographer算法，在搭建的三维仿真非结构化环境中，针对室内环境的不同结构，对这三种算法进行仿真实验，将实验结果对比、分析和评价以得出算法的适用性和可靠性。最后本文将SLAM理论、Gmapping算法和实验验证结合，研究证明了一种低成本的基于激光雷达的移动机器人SLAM方案基本框架，为现实环境中移动机器人定位和建图提供了方案支持。
目 录
1. 绪论 1
1.1本文的研究背景及意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.2.1移动机器人的研究现状 1
1.2.2 SLAM研究现状 3
1.3 本文的主要内容及章节安排 4
2. 基于激光的SLAM算法 5
2.1 基于激光的SLAM算法概述 5
2.2 Gmapping SLAM算法 7
2.2.1 Gmapping SLAM算法框架 7
2.2.2 Gmapping SLAM算法仿真实验 8
2.3 Hector SLAM算法 10
2.3.1 Hector SLAM算法框架 10
2.3.2 Hector SLAM算法仿真实验 11
2.4 Cartographer算法 12
2.4.1 Cartographer算法框架 13
2.4.2 Cartographer算法仿 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
真实验 13
2.5 本章小结 14
3. Hector SLAM、Gmapping SLAM和Cartographer的比较 16
3.1 仿真机器人的硬件系统 16
3.2 仿真实验与比较结果 17
3.2.1 大场景环境的仿真实验 17
3.2.2 长窄通道环境的仿真实验 22
3.2.3 室内非结构化环境的仿真实验 24
3.3 本章小结 25
4. 室内非结构化环境机器人综合设计与实验 27
4.1 实验软件平台 27
4.1.1 SLAM测试环境的组成及通信方式 27
4.1.2 物理仿真平台 27
4.2 未知非结构化环境中基于SLAM建图的设计 29
4.2.1 SLAM程序设计 29
4.2.2 SLAM实验 33
4.3 本章小结 38
5. 总结与展望 39
5.1 总结 39
5.2 展望 39
参考文献 41
附录 42
致谢 44
绪论
1.1本文的研究背景及意义
随着技术的发展，很多机器人仅仅通过智能控制系统就能够应用于社会的各个场景之中。智能机器人作为当代最高意义上的自动化系统，是衡量一个国家高端制造业水平的重要标志之一，受到世界各国的高度重视[1]。因此有更多的学者将精力投入到移动机器人及其技术领域当中。
对于拥有自主移动能力的机器人来说，非结构化环境是它们的主要工作场景。结构化场景常用来指固定且单一布局的场景，场景中的特征信息表述简单且对机器人执行任务有用的信息较少。非结构化环境表述复杂，往往场景中包含更多的特征点信息量大，比较考验机器人的软硬件性能，因此研究非结构化环境下机器人技术更具现实意义[2]。
移动机器人是可以根据任务随时改变自己位置的机器结构，但正是其自由移动的特性导致机器人面对的工作环境也会随时改变，所以常常会进入陌生的环境。移动机器人在执行指定任务的行进过程连贯地成功定位，是决定一个机器人是否可以在导航任务中完成路径规划、避障的重要考虑因素。在这个背景下，移动机器人在未知环境中利用自身所携带的传感器，扫描所在环境完成自主定位，同时利用传感器的数据来构建二维栅格地图。这一问题被概括为SLAM。在科学探索和考察领域，一些通信延迟或是无法通信的极端环境，例如海底和太空，通过SLAM技术和高自主的机器人便可使移动机器人配合人类可以完成各项工作。
在商业需求下，室内机器人正在经历着低成本的产品化发展过程。成本可以决定机器人软硬件系统的发展方向，低成本的硬件方案预示着在约束条件下的传感器性能不强和处理器计算资源紧张，但这种产品思路往往与科研成果有出入，因此研究低成本的机器人技术基础有着重要的意义。本文研究在陌生的非结构化环境中，基于激光雷达传感器的SLAM方案，为低成本产品化机器人提供研究成果。
1.2国内外研究现状
1.2.1移动机器人的研究现状
20世纪60年代末到70年代初，在美国斯坦福国际研究所中，研究人员研制出移动机器人Shakey，揭开了自主移动机器人研究的开端，如图11 (a)图所示。
这台机器人具有感知和移动的能力，可以在布满障碍物的室内环境中避障，这归功于早期计算机视觉技术，在当时是十分先进的技术。但其庞大的身躯与缓慢的移动速度，使得这台机器人使用场景受限。
/
a. Shakey自主移动机器人 b. “好奇号”火星车
图11 早期移动机器人研究成果
在随后的几十年当中，各国在机器人的研究领域一直投入大量的资源，各种机器人应运而生。在2011年，美国航天局发射了“好奇号”火星车，火星车可以实现在复杂的火星地表环境中实现各种任务，其装备的高精度传感器可以感知7个足球场之外的球是篮球还是足球，另外火星车可以按照需求自主地寻找到合适的岩石，用激光进行爆破，机器人如图11 (b)所示。
目 录
1. 绪论 1
1.1本文的研究背景及意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.2.1移动机器人的研究现状 1
1.2.2 SLAM研究现状 3
1.3 本文的主要内容及章节安排 4
2. 基于激光的SLAM算法 5
2.1 基于激光的SLAM算法概述 5
2.2 Gmapping SLAM算法 7
2.2.1 Gmapping SLAM算法框架 7
2.2.2 Gmapping SLAM算法仿真实验 8
2.3 Hector SLAM算法 10
2.3.1 Hector SLAM算法框架 10
2.3.2 Hector SLAM算法仿真实验 11
2.4 Cartographer算法 12
2.4.1 Cartographer算法框架 13
2.4.2 Cartographer算法仿 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
真实验 13
2.5 本章小结 14
3. Hector SLAM、Gmapping SLAM和Cartographer的比较 16
3.1 仿真机器人的硬件系统 16
3.2 仿真实验与比较结果 17
3.2.1 大场景环境的仿真实验 17
3.2.2 长窄通道环境的仿真实验 22
3.2.3 室内非结构化环境的仿真实验 24
3.3 本章小结 25
4. 室内非结构化环境机器人综合设计与实验 27
4.1 实验软件平台 27
4.1.1 SLAM测试环境的组成及通信方式 27
4.1.2 物理仿真平台 27
4.2 未知非结构化环境中基于SLAM建图的设计 29
4.2.1 SLAM程序设计 29
4.2.2 SLAM实验 33
4.3 本章小结 38
5. 总结与展望 39
5.1 总结 39
5.2 展望 39
参考文献 41
附录 42
致谢 44
绪论
1.1本文的研究背景及意义
随着技术的发展，很多机器人仅仅通过智能控制系统就能够应用于社会的各个场景之中。智能机器人作为当代最高意义上的自动化系统，是衡量一个国家高端制造业水平的重要标志之一，受到世界各国的高度重视[1]。因此有更多的学者将精力投入到移动机器人及其技术领域当中。
对于拥有自主移动能力的机器人来说，非结构化环境是它们的主要工作场景。结构化场景常用来指固定且单一布局的场景，场景中的特征信息表述简单且对机器人执行任务有用的信息较少。非结构化环境表述复杂，往往场景中包含更多的特征点信息量大，比较考验机器人的软硬件性能，因此研究非结构化环境下机器人技术更具现实意义[2]。
移动机器人是可以根据任务随时改变自己位置的机器结构，但正是其自由移动的特性导致机器人面对的工作环境也会随时改变，所以常常会进入陌生的环境。移动机器人在执行指定任务的行进过程连贯地成功定位，是决定一个机器人是否可以在导航任务中完成路径规划、避障的重要考虑因素。在这个背景下，移动机器人在未知环境中利用自身所携带的传感器，扫描所在环境完成自主定位，同时利用传感器的数据来构建二维栅格地图。这一问题被概括为SLAM。在科学探索和考察领域，一些通信延迟或是无法通信的极端环境，例如海底和太空，通过SLAM技术和高自主的机器人便可使移动机器人配合人类可以完成各项工作。
在商业需求下，室内机器人正在经历着低成本的产品化发展过程。成本可以决定机器人软硬件系统的发展方向，低成本的硬件方案预示着在约束条件下的传感器性能不强和处理器计算资源紧张，但这种产品思路往往与科研成果有出入，因此研究低成本的机器人技术基础有着重要的意义。本文研究在陌生的非结构化环境中，基于激光雷达传感器的SLAM方案，为低成本产品化机器人提供研究成果。
1.2国内外研究现状
1.2.1移动机器人的研究现状
20世纪60年代末到70年代初，在美国斯坦福国际研究所中，研究人员研制出移动机器人Shakey，揭开了自主移动机器人研究的开端，如图11 (a)图所示。
这台机器人具有感知和移动的能力，可以在布满障碍物的室内环境中避障，这归功于早期计算机视觉技术，在当时是十分先进的技术。但其庞大的身躯与缓慢的移动速度，使得这台机器人使用场景受限。
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a. Shakey自主移动机器人 b. “好奇号”火星车
图11 早期移动机器人研究成果
在随后的几十年当中，各国在机器人的研究领域一直投入大量的资源，各种机器人应运而生。在2011年，美国航天局发射了“好奇号”火星车，火星车可以实现在复杂的火星地表环境中实现各种任务，其装备的高精度传感器可以感知7个足球场之外的球是篮球还是足球，另外火星车可以按照需求自主地寻找到合适的岩石，用激光进行爆破，机器人如图11 (b)所示。
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