检索结果-南通市图书馆

作者：肖汉波上海交通大学

学位级别：硕士

近几年来,拥有着强大并行处理能力的GPU(Graphic Process Unit)得到了飞速的发展,从而也使得CPU/GPU的架构越来越流行。目前除了使用显式的编程方法比如NVIDIA提供的CUDA(Compute Unified Device Architecture)以及AMD的Stream SDK外,... 详细信息

近几年来,拥有着强大并行处理能力的GPU(Graphic Process Unit)得到了飞速的发展,从而也使得CPU/GPU的架构越来越流行。目前除了使用显式的编程方法比如NVIDIA提供的CUDA(Compute Unified Device Architecture)以及AMD的Stream SDK外,我们并无其它方式来挖掘GPU的并行处理能力。然而在使用显式编程的过程中我们也会碰到重写源代码的耗时问题跟二进制不兼容性问题。一方面,当前有着很多的计算型密集型程序是采用C、C++或其它高级编程语言编写,而这些应用如果想要使用GPU的并行处理能力来缩短程序的执行时间,那么采用显式编程的方式来修改或是重写整个源代码是不可避免的,而更为糟糕的是有些时候我们根本拿不到程序的源代码;另一方面,即使这些应用的源代码按要求被重写后也会产生二进制不兼容性问题:一个在显式编程环境下编译的可执行程序在不同厂商,哪怕是同一厂商的不同型号GPU上将无法或无法正常运行。为了解决重写源代码的耗时跟二进制不兼容性问题,本文的研究目的是通过扩展自主研发的多源多目标的动态二进制翻译系统Crossbit来提供一种虚拟执行环境,既能有效地解决重写源代码的问题,亦能自动地使用GPU的强大并行处理能力,最终使得部分的计算密集型应用获得5-8倍的性能提升。其原理是通过静态与动态的二进制分析技术从二进制文件中提取潜在的可并行代码,然后通过多面体模型分析将那些没有数据依赖的可并行代码并将其放到GPU上加速,最终将执行结果拷贝到主存的相应位置,而那些不可以放到GPU上执行的部分则采用正常的动态二进制翻译执行。由于计算密集型应用的大部分时间用于计算,因而GPU的加速性能使得这些应用的整体性能得到了很大的提升。本文的主要创新点和意义在于:1)提出一种适合于计算密集型应用的虚拟执行环境,有效地屏蔽了使用显式编程去重写源代码来使用GPU的问题;2)利用二进制分析技术与多面体模型提取二进制可执行程序中的可并行部分,为之后的GPU加载并执行这些可并行部分提供了准确的定位;3)通过挖掘GPU的强大并行处理能力,有效地提高了计算型密集型应用的性能。

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嵌入式虚拟化中实时响应性能的研究与分析

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作者：张俊上海交通大学

学位级别：硕士

近年来,嵌入式领域一直在经历着从传统的单核处理器到多核处理器的转变。然而,这种转变带来了一种挑战——如何为传统面对单核的实时操作系统增添多核应用的支持。另一方面,将实时操作系统和通用操作系统整合起来是嵌入式系统的一个热... 详细信息

近年来,嵌入式领域一直在经历着从传统的单核处理器到多核处理器的转变。然而,这种转变带来了一种挑战——如何为传统面对单核的实时操作系统增添多核应用的支持。另一方面,将实时操作系统和通用操作系统整合起来是嵌入式系统的一个热门应用方向,因为这种整合不仅能带来及时、可确定的响应能力,而且可以提供大量应用程序。为了解决上述问题,虚拟化技术是一个非常有前景的解决方案,因为它能在单个硬件平台上运行多个虚拟机。在有了虚拟化的支持后,实时操作系统和通用操作系统可以运行在不同的虚拟机上。这将能更有效地利用多核资源,比如,可以将不同的物理核分配给不同的虚拟机。在嵌入式系统中,实时性能,尤其是对外部事件的响应性能,通常是决定其能否广泛应用的关键影响。然而,当虚拟化被引入到嵌入式系统后,运行在虚拟机上的实时操作系统的响应性能易受到虚拟化软件层的负面影响。这带来了两个问题:第一,虚拟化软件层会对实时响应性产生多大的影响;第二,嵌入式虚拟化系统能够达到怎样的实时响应性能。为了回答上述两个问题,本文将提出一个基于内核虚拟机（Kernel-Based Virtual Machine）（简称KVM）的嵌入式虚拟化体系结构,将VxWorks和Linux整合起来,分别作为客户实时操作系统和客户通用操作系统。首先,文章通过研究KVM的中断虚拟化和时钟虚拟化机制,分析KVM将对客户操作系统的时钟中断响应时间产生怎样的影响。然后,本文将分析在宿主Linux上可以实施的几个实时性能调优方法,目标是缓解由KVM带来的额外开销。最后,本文将通过实验评测客户VxWorks的响应性能。实验结果表明,在实施了性能调优方法之后,客户VxWorks的向中断响应性能可以达到微秒级。

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基于体感的三维配准系统的设计与实现

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作者：楚发上海交通大学

学位级别：硕士

近些年,三维技术逐渐开始成熟,三维立体电影、电视、三维虚拟试衣、虚拟网上购物商城、虚拟会议、体感(Natural Interaction)游戏等逐渐被市场接受。三维配准是这些应用的重要核心技术。三维配准技术一般通过激光或红外等技术从不同角... 详细信息

近些年,三维技术逐渐开始成熟,三维立体电影、电视、三维虚拟试衣、虚拟网上购物商城、虚拟会议、体感(Natural Interaction)游戏等逐渐被市场接受。三维配准是这些应用的重要核心技术。三维配准技术一般通过激光或红外等技术从不同角度对物体进行扫描,采集物体各个侧面的三维数据,形成若干个三维坐标点的集合(简称点云),由于每个点云的坐标系不同,所以,如何把不同三维坐标系下的点云自动拼接(简称配准)到一起,并且形成一个完整的三维模型,是三维建模的关键和难点。但是,现有的产品大多是价格昂贵或操作复杂的企业级产品,缺少可以给普通消费者使用的产品。针对这个问题,本文从用户使用便捷、配准效果良好、总体成本低廉三个方面出发,基于体感设备,重点研究人体头部的三维点云的识别和配准,比较、分析配准领域内各种算法,设计并实现了一个基于体感设备的人体三维点云配准系统原型(简称本配准系统)。论文所作的工作主要包括以下几点:1)对点云识别配准领域的各种算法进行分析、比较,从体感应用的角度出发,选择使用最合适的算法组合进行识别配准,重点分析ICP(Iterative Closest Point,最近点迭代)算法[1]、FPFH(Fast Point Feature Histograms,快速点特征直方图)算法[2]、RANSAC(RANdom SAmple Consensus,随机抽样一致)算法[3],SVD(Singular Value Decomposition,奇异值分解)算法[4][5]。2)针对FPFH算法复杂、特征量多的问题,本文提出了TNFH(Triangle Normal Feature Histograms,三角法线特征直方图)算法。TNFH算法只关注三角面法线夹角特征,简化了特征计算,配准率和FPFH相当。3)采用多层系统架构设计,底层三维信息采集基于单个微软Kinect体感设备[6],驱动采用开源OpenNI框架[7]。提出按照相似点评估、相似点提纯、转换评估、对齐点云的点云配准步骤,兼顾系统效率和配准效果这一矛盾,实现了本配准系统。4)从系统角度,基于设计选定的算法,给出对本配准系统的实现。对实现中的关键和难点进行重点研究和说明,并给出最后的实验结果。本配准系统可以作为一个基础软件,为体感应用建立精确的人体三维信息模型提供有效的手段,让普通用户的三维模型在体感应用中发挥更多的基础信息作用,让更多商家基于大量的用户的三维信息推出更多的有价值的应用体验。

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基于流水线架构8051微控制器内核的实现

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作者：张彦枚上海交通大学

学位级别：硕士

在嵌入式系统低端的微控制器领域,从8位微控制器诞生至今的近30年里,8051系列一直扮演着一个独特的角色。由于MCS-51提供的最佳兼容性,使MCS-51在被改造后,还能以不变的指令系统、基本单元的兼容性保持着8051内核的生命延续,并在未来片... 详细信息

在嵌入式系统低端的微控制器领域,从8位微控制器诞生至今的近30年里,8051系列一直扮演着一个独特的角色。由于MCS-51提供的最佳兼容性,使MCS-51在被改造后,还能以不变的指令系统、基本单元的兼容性保持着8051内核的生命延续,并在未来片上系统(SOC)发展中,担任8位微控制器内核的重任[1]。本课题的研究就是在此产业背景下,为满足当前工程应用需要,通过对内核的重新定义,改造和设计,设法提升8051内核的指令执行效率。相关资料表明,在过去十年间改造8051内核指令执行效率的办法大致有以下两种: 1)维持最初内核结构定义,将机器周期从12个缩短到6个或4个。但这种改造方式指令执行效率提升有限;2)通过改变编译器,将指令代码设计为RISC。指令执行周期完全是一个周期。但这样实现方式,在实际应用受到一定的限制。除此以外设计复杂度相对较高,成本也比较高。而本课题侧重点在提升8051指令执行效率上采取了新的途径,采用不同于以上的第三种方式,即设法在保持CISC结构及指令系统不变的情况下,对指令运行实行流水作业,多指令按照节拍并行执行,以提高在程序执行时的指令执行效率。在本文阐述了针对8051内核多级流水结构的实现而提出的五点新设计构想和实现过程: 1)所有系统设计基于系统时钟:在本课题所设计的内核系统中,已经没有传统8051机器周期的概念。这也就是说,当内核具体运行时,外部的振荡器时钟就是内部的系统时钟。这样设计的用意在于对整体功耗的考虑。而可以如此设计的依据是由于内核和今后可能所设计的存储器之间有良好的存取时序匹配。 2)当前指令的译码决定流水的分级:内核指令具体实现什么样的操作其实就是由操作码实现的。而所谓的译码在流水的分级前,最主要的就是看“操作码”译码的结果如何。而“操作数”的译码结果直接与数据相关问题的合理处理直接有关。 3)指令并行处理,存在当前指令和预取指令:本课题所设计的流水内核的指令并行处理,最主要的就是增加了预取指令操作。这也就是本课题流水的核心设计之一。这个过程完全通过系统控制状态机来实现。而遇到外部的中断时,会做必要的保护处理。在这里借鉴一些32位处理器成熟的流水控制并行设计方法。 4)流水控制,多级化控制调度:这也就是本课题流水的核心设计之二。针对内核设计,特别是基于流水架构的内核设计,在本课题中解决的另外一个核心问题就是多指令并行流水调度。特别是在8051指令编译系统不改变的前提下,所设计的内核兼容其二进制机器码。在具体实现的过程中,流水控制采用多级化控制管理调度。这取决对指令周期的管理和调度;对指令目标存储器(累加器,寄存器和存储器)的调度和管理;对指令功能的管理和调度(位操作,字节操作还是跳转操作)。 5)冲突问题(Hazard)的处理:遇到关于数据冲突,结构冲突的解决,统一安排采用增加一个系统节拍的问题加以解决。这种设计思路在平衡和系统开销,设计复杂度的前提下加以实现。在这里借鉴一些32位处理器成熟的冲突处理设计方法。考虑到设计复杂度和实际应用比32位内核设计简化。实验测试结果表明,与传统12个周期的8051内核相比,在相同时钟频率下单周期指令运行效率为原来的12倍;整个指令集平均运行效率为原来8051的9.5倍,使8051兼容机系列进入了8位高速单片机行列。同时能有效的解决流水系统结构带来的数据冲突和控制冲突问题。本课题研究过程中的主要内容涉及:对传统8051体系结构的掌握,针对实际工程需要新架构模型的提出。合理应用“流水”技术设计,基于8051系列微控制器运用Verilog硬件描述语言加以实现,并最终在“ModelSim”平台仿真和工程样片上得以结果验证。

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多机器人系统通信模块的设计与实现

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作者：部若谷上海交通大学

学位级别：硕士

随着人工智能技术的发展,多机器人系统因具备并行度高、分布性广、健壮性强的优点,已经成为国内外研究的热点。机器人协同工作是多机器人系统的重要特征。为了提高协同工作能力,机器人间通常采用无线通讯模式进行信息传递。与有线网络相... 详细信息

随着人工智能技术的发展,多机器人系统因具备并行度高、分布性广、健壮性强的优点,已经成为国内外研究的热点。机器人协同工作是多机器人系统的重要特征。为了提高协同工作能力,机器人间通常采用无线通讯模式进行信息传递。与有线网络相比,无线网络存在可靠性低、信道延迟高、数据保密性差的问题。因此开发面向移动多机器人系统的无线通讯模块对研究多机器人协同工作具有重要意义。本文的研究工作来源于国家自然基金项目《网络环境下基于群体智能方法的虚拟机协同平台研究》,该项目希望探索一种新的并行计算模式来适应大规模的群体协作。在该目标下,课题组设计并制作了数十个同构、计算能力有限、体积小、移动速度低、电池供电、传感器感知能力差、通信方式简单的机器人节点eMouse。针对群集智能计算模式下信息交互局部性、数据传输量小的特点,遵循简单可靠的原则,本文为机器人设计并开发了基于广播单跳的无线通讯模块RobotNet。本文具体工作内容如下: (1)硬件平台的设计与实现。根据群体智能通讯局部性的特点,模块采用功耗低、传输距离短的射频芯片CC2430,并配有SMA接口的天线。最大通信范围可达15米。模块尺寸仅为25.4x35mm,适合以电池为能源的小型移动机器人eMouse使用。并在eMouse的主控模块LM3S1962上开发了串口驱动,以支持无线通迅模块的使用。 (2)协议栈的设计与实现。遵循功能简单的设计原则,本文依据IEEE 802.15.4标准,设计了RobotNet协议栈的物理层和MAC子层。并在MAC子层实现了二元指数后退算法。并在应用层提供了设置参数、查询信息、收发数据等服务。 (3)模块功能及性能测试。本文开发了专用串口调试工具。分别在静态和动态条件下,对该无线通讯模块进行了功能和性能测试。并分析了串口波特率、数据包发送时间间隔、数据包长度等参数对系统丢包率的影响。功能测试结果表明:系统内各个节点间可以通过广播方式进行通信。多节点通信时,节点间可以通过CSMA/CA机制实现了信道共享。整个系统无组网限制,适合于大规模群体通信。同时,用户可以通过改变发射功率调整发送距离。性能测试结果表明:多个eMouse节点进行移动通信时,网络可正常工作,且系统丢包率低于3%。该无线通讯模块简单可靠,可用于对群集智能计算模式的研究。

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基于群体智能的分布式查找与清理协作方法研究

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作者：刘道勇上海交通大学

学位级别：硕士

随着近年来机器人技术的快速发展与应用,从单机器人的研究到多机器人技术的研究已经成为国内外的研究热点。多机器人在未知区域执行任务成为多机器人研究领域的热门问题,其研究核心是多机器人之间的协作问题。传统多机器人的协作方法包... 详细信息

随着近年来机器人技术的快速发展与应用,从单机器人的研究到多机器人技术的研究已经成为国内外的研究热点。多机器人在未知区域执行任务成为多机器人研究领域的热门问题,其研究核心是多机器人之间的协作问题。传统多机器人的协作方法包括集中式分配或者基于中央协作方法,这类方法当群体规模增大时,随着机器人节点数量的增加,对通信的要求就会越高,从而产生通信瓶颈,算法的整体性能就会急剧降低;在环境恶劣的情况下控制终端与机器人之间的通信很容易受到干扰,影响控制效果,而且主控点一旦出现故障整个系统将会全部崩溃。本课题来源于国家自然基金项目《网络环境下基于群体智能方法的虚拟机平台的研究》,该项目旨在研究一种新的并行计算方式来进行大规模机器人之间的协作,并通过多机器人在未知区域探索到需要清理的目标物并进行清理掉这一实际应用场景来进行算法性能的评估。该项目应用场景是:未知区域内随机散落着若干个需要清理的目标物,有些物体比较大,需要多个机器人才能清理。机器人通过与机器人之间交互、协作以及对环境的感知探索到所有的目标物并将其清理掉,对于比较大的目标物,机器人之间通过协作的方式来共同完成清理工作。该课题通过机器人与机器人之间的局部通信和对环境的局部感知来自主地完成任务的选择和决策,而且当节点大量增加的时候不会产生通信瓶颈问题。由于完全分布式,不需要主控节点,对通信的要求也大大降低。课题主要研究工作包含以下几点:(1)基于概率的二级搜索算法——通过对子区域的划分为若干个小的子区域,采用一种基于概率的二级搜索策略来加速搜索速度,并通过为每个机器人配备记忆功能的缓冲区来记录当前子区域探测状态来防止重复探测。(2)粒子群算法的平衡策略——实现了在探测到目标物的时候利用粒子群算法进行决策,平衡搜索能力与开发能力,使得系统整体的资源能够达到最优分配。(3)算法仿真——本课题为了验证算法的可行性和高效性,采用南加州大学的实体机器人的仿真器player/stage来进行二次开发并仿真基于群体智能的分布式查找与清理算法,并通过与其他算法比较来验证算法的高效性。通过在实体机器人仿真器上的仿真可以证明:本文所提出的优化算法能很好地解决未知环境的目标物搜索和清理问题。另外,相同情况下的不同算法的实验结果对比也反映了优化后的算法具有更高的搜索和清理效率、算法完全分布式、无自主节点,对通信要求低等特性,可以适用于大规模的生产应用。

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基于群体智能计算方式的多机器人图形构造算法的研究

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作者：绪华兴上海交通大学

学位级别：硕士

随着机器人技术的发展和实际应用的需要,多机器人系统的应用已经成为国内外研究的热点。而多机器人图形构造是多机器人协作研究领域里的典型问题之一,随机分布的多机器人系统聚集并完成图形构造这一应用场景可以作为很多很多更复杂应用... 详细信息

随着机器人技术的发展和实际应用的需要,多机器人系统的应用已经成为国内外研究的热点。而多机器人图形构造是多机器人协作研究领域里的典型问题之一,随机分布的多机器人系统聚集并完成图形构造这一应用场景可以作为很多很多更复杂应用的实现基础,例如自组装、编队移动、自组织建筑等。传统的多机器人协作算法主要是基于中央协调或者是基于协商和任务分配的方法,当群体规模增大时,随着节点数量增多,这些方法会遇到瓶颈,群体间协商时的通讯量会显著增加,算法复杂性也明显提高。本研究设计了基于群体智能计算方式的多机器人图形构造算法,采用分布式自组织机制使多机器人系统在栅格地图上完成目标图形构造。群体智能的算法通过群体与环境的互动以及个体间的交流使得同构的简单个体对所获得信息按一定规则做出局部反馈,并在群体层次上完成复杂的任务。这种通过涌现(emergence)产生的群体智能是一种完全分布式的计算方式,与传统方法相比效率更高、扩展性和健壮性更好。算法采用扩散信息素对目标图形进行描述,以指示多机器人系统均匀地分布到构成目标图形的栅格处;利用虚拟信息素作为外激励机制,实现个体间的交流协调与经验共享,使得机器人可以有效地运动到构成目标图形的栅格处;多机器人系统基于粒子群优化算法(PSO)做出运动决策,扩散信息素与虚拟信息素为机器人提供决策的依据。本研究在仿真实验平台上对算法进行了验证,实验结果证实了该算法的有效性和良好的可扩展性,并基于仿真平台上的实验结果探讨了算法中的关键参数对多机器人系统图形构造结果的影响。论文还介绍了机器人硬件平台——电子鼠的设计原则以及算法在硬件平台上的初步实现。

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基于移动端支付的订单管理系统设计与实现

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作者：刘寒辉上海交通大学

学位级别：硕士

随着21世纪的到来,电子支付市场踏入快速发展的通道,其每年成长速度的增长率已经达到30%。在电子商务领域中,支付环境是其发展的核心部分,支付方式也正趋于电子化方向快速发展。随着电子商务领域的不断深入发展,网上支付、移动支付、电... 详细信息

随着21世纪的到来,电子支付市场踏入快速发展的通道,其每年成长速度的增长率已经达到30%。在电子商务领域中,支付环境是其发展的核心部分,支付方式也正趋于电子化方向快速发展。随着电子商务领域的不断深入发展,网上支付、移动支付、电话支付等多种支付方式逐渐地进入到人们的日常生活,也正因如此,电子商务的发展也变得更为迅速,本文就是基于此背景而展开了课题的研究。文章首先对基于移动端支付的订单管理系统的研究背景及其研究意义进行了全面的描述,并对文章的内容及其组织结构做出了简单的描述与介绍;对文章所述内容的相关理论展开全面描述,其中涉及到了多层架构数据模型、J2EE架构、UML以及面向对象等研发技术的介绍。在整篇文章中,系统需求分析章节是最为核心的内容,在针对系统需求分析期间,作者第一步是对系统的业务需求展开全面分析,进而从系统管理工作人员以及使用用户的角度,对系统中子系统的行为进行研究与分析,并引入系统用例图进一步将系统的非功能需求及其运行环境展开全面分析。在系统的研发设计工作上,系统架构的设计是至关重要的一项工作,文章主要采取三层架构模式展开研发设计,并在系统架构设计期间对架构的灵活性以及层次功能复用性着重考虑。在对系统需求分析以及架构设计之后,进一步对系统各个模块展开详细设计。同时对系统的视图层、业务层以及数据层这三个层面对系统展开研发设计与分析工作,尤其是在业务层上,作者将系统的核心模块功能进行封装,并通过服务组件为上层提供服务。随后对系统的数据库展开研发设计,最后给出了系统物理数据库表。在系统实现章节中主要针对产品信息管理、客户订单管理、订单信息管理等功能模块实现,并落实系统的主要操作界面。文章的结尾主要是对工作做出了总结,并对其中存在的不足之处加以描述,对后期工作进行展望。本文设计开发的基于移动支付的订单管理系统在传统的C/S模式上结合现今流行的B/S开发模式,减少了系统维护与升级的成本和工作量,降低了用户的总体成本,同时采用获得最高安全认证ISO标准的DB2设计了本系统的数据库,保证了移动支付环境的安全。

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面向集成数字电视平台的嵌入式图形库的移植与优化

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作者：胡焜上海交通大学

学位级别：硕士

数字电视是电视技术、通信技术、和计算机技术的跨学科综合产物,被称为中国21世纪前景最广阔的产业之一。在数字电视系统中,数字电视中间件技术是关键技术之一。数字电视中间件是位于应用程序和操作系统之间的一种系统软件。我们通过定... 详细信息

数字电视是电视技术、通信技术、和计算机技术的跨学科综合产物,被称为中国21世纪前景最广阔的产业之一。在数字电视系统中,数字电视中间件技术是关键技术之一。数字电视中间件是位于应用程序和操作系统之间的一种系统软件。我们通过定义一组支持数字电视应用功能的标准程序接口,使应用程序具有与底层硬件平台无关的特点,使众多节目提供商在不考虑硬件环境的情况下开发数字电视的交互式应用,大大降低开发成本。目前,数字电视受到越来越多的国内外厂家的关注,国外对数字电视中间件系统的研究己经取得了一定的进展,而国内的研究才刚刚起步。因此,研究和开发具有自主知识产权的数字电视中间件平台具有重要的理论意义和广泛的应用价值。本文以“数字电视中间件设计”为背景,主要针对其中的Java支撑平台部分做了深入的研究。本文首先简要介绍了Java平台在数字电视中间件模型中的地位和作用,其次,研究了Java的体系结构,重点分析了Java AWT部分的实现机制,并以此为基础,提出了基于DirectFB图形库的AWT实现方案。论文详细的阐述了项目研究的全过程,依次包括课题的提出、分析、设计、编码、测试以及最后的实现等。其中主要的研究内容及成果有: 1.对当前国际上现有的中间件标准进行比较,着重深入分析了欧洲数字电视中间件标准DVB-MHP的体系结构、构成特点、交互模型。 2.深入研究了Java的体系结构,重点分析了Java API的组成结构以及Java虚拟机的实现,这是本项目研究的基础内容。深入分析了J2ME、CVM的体系结构、程序接口包及其各部分功能。针对Sun公司提供的J2ME的个人基本简表(PBP)的层次结构,提出更为实用的类库裁剪方案。 3.详细分析Java GUI程序设计中的重要部分-AWT。在对Java AWT的体系结构进行分析的基础上,提出了基于Direct FB图形库的AWT实现方案。该方案采用Frame Buffer实现方式,既充分利用了底层图形库中的资源,同时还可以提高效率。 4.最后通过研究数字电视中间件模型,实现了将CVM AWT移植到DirectFB图形库之上,并针对嵌入式平台的需要,对CVM进行适当的裁减。通过对DirectFB的研究与优化,为DirectFB在数字电视中间件的开发与移植提供了重要的参考价值。

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多机器人探索环境下的分布式地图融合研究

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作者：喻焰上海交通大学

学位级别：硕士

探索未知区域并构建环境地图是移动机器人研究领域的经典问题。从任务执行者的角度来看,近年来的研究热点正在从单机器人独自探索转向多机器人协同工作的方式上来。多机器人把未知区域划分为多个子区域并行探索,提高了任务执行的效率但... 详细信息

探索未知区域并构建环境地图是移动机器人研究领域的经典问题。从任务执行者的角度来看,近年来的研究热点正在从单机器人独自探索转向多机器人协同工作的方式上来。多机器人把未知区域划分为多个子区域并行探索,提高了任务执行的效率但却带来了新的挑战——地图融合。在实际系统中大多缺乏有效的定位措施,使得子区域内的地图信息难于合并为一张正确完整的地图,而地图融合可以有效地解决地图匹配,拼接等问题。因此研究地图融合技术对多机器人协同探索环境任务有重要意义。本课题来源于国家自然基金项目《网络环境下基于群体智能方法的虚拟机协同平台研究》。该项目希望探索一种新的并行计算模式来适应大规模的群体协作,并通过地图构建这一经典场景对性能进行验证。该项目的应用场景希望机器人随机地散落在环境中,并且硬件上不具备全局定位功能。为了解决在此种条件下的地图融合问题,本课题实现了一种基于线段表示形式的地图融合算法。算法的核心思想是提取公共区域内的障碍物特征值作为地图转化的参照物,分布执行地图融合过程,把机器人群体统一到一个坐标系下。由于机器人本身可以通过测程法记录本地坐标,通过地图融合后,本地坐标转化为全局坐标,从而解决了全局定位问题。主要研究工作包括以下几点: 1.基于线段表示形式的地图融合算法:采用线段作为描述障碍物信息的基本单位。提取交集区域的线段几何关系作为地图转化的参照物,通过多次转化地图,实现机器人的坐标统一,子地图的合并。在原有算法的基础上,加入障碍物之间的相对距离这一空间特性,丰富了参照物特征信息,减少了地图转化匹配次数,提高了融合执行效率。 2.分布式融合策略:利用扩散法,实现了分布式融合策略,使机器人群体可以脱离中央控制,自行完成统一坐标,合并地图。研究还加入了可信度概念以提高分布式地图融合的正确率。 3.算法验证仿真器:本课题为验证算法设计开发了仿真器。模拟了无定位情况下机器人探索得到的地图信息以及分布式地图融合过程,为项目研究提供帮助。本论文通过测试多种结构化地形下的地图融合效果,证明了该算法在无全局定位情况下能够有效地解决地图合并问题。另外,相同地形下的实验数据对比也反映了优化后的算法提高了融合执行的效率。最后,采用扩散法,实现了群体内的分布式融合,有利于支持大规模机器人地图构建应用的实施。

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