建筑机器人移动定位技术研究

作     者：周乐天 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于鸿洋

授予年度：2019年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：定位与地图构建 畸变校准 建筑信息 移动定位 建筑机器人 

摘      要：建筑行业中存在大量需要建筑工人完成的重体力工作,这些工作往往可以通过机器人代替工人完成。与普通服务型机器人不同的是,建筑机器人的工作性质更加复杂,定位精度要求更高,对系统的可靠性和安全性要求也更高。本文结合建筑施工的具体要求,设计并研发了基于建筑机器人的移动定位系统,其主要内容如下:1、本文研究了激光雷达的运动畸变产生原因以及畸变校准算法,分析了传统激光雷达畸变校准算法的缺陷,并在此基础上提出了基于里程计的线性插值校准算法,获得了较为理想的实验结果。2、本文研究了两种不同的激光雷达及时定位与地图构建(simultaneous localization and mapping,SLAM)算法原理,对比和分析了各自的优缺点,并通过实际实验测试两种算法的效果,最后将定位与地图构建算法融入本课题开发的机器人移动定位系统中。3、本文提出了一种新的基于机器人位姿的层级式地图A*改进算法。由于经典A*算法无法使机器人安全到达离障碍物较近的非自由空间和外切障碍空间。而在本课题开发的建筑抹灰机器人中,机器人要对墙面进行抹灰施工工作,就必须要移动至非自由空间或外切障碍空间,故经典A*算法在本课题中并不适用。本文利用了非圆形机器人在不同角度下,在栅格地图中实际可以安全到达的区域不一样这一特性,在经典的A*算法基础之上,首次提出了基于机器人位姿的层级式地图A*改进算法,提高了机器人的可到达范围,使其能安全到达非自由空间或外切障碍空间。4、本文提出了一种适用于建筑机器人的融合建筑信息(Building Information Modeling,BIM)的路径规划与导航算法。为了使机器人能顺利完成建筑施工任务,机器人必须准确的获取建筑物信息,而建筑物信息其实包含于建筑信息图纸中。本文通过对建筑制图软件Revit进行二次开发,提取建筑物信息,并利用建筑信息指导机器人进行建筑施工工作,最后在实际的施工场景下进行综合实验,验证了算法的可行性与有效性。5、本文对建筑机器人定位移动系统进行开发,包括了Unity交互终端,基于ROS的机器人定位系统,BIM信息提取,以及导航和路径规划,并且通过大量的实验与改进,使机器人的施工质量、效率与可靠性均满足项目要求。