大规模三维环境下的自主探索与搜索救援应用研究

作     者：唐伟祥 

作者单位：中国科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王刚

授予年度：2023年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 0802[工学-机械工程] 081002[工学-信号与信息处理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：移动机器人 自主探索 路径规划 搜索救援 

摘      要：移动机器人的自主探索是机器人某个未知区域中移动并同时收集周围环境信息的行为。自主探索经过几十年的发展,至今日,其研究对象逐渐由小规模二维室内环境迁移到大规模三维复杂环境。相较于小规模二维室内环境,大规模三维环境下的自主探索难以从激光雷达原生点云数据中提取出所需要的信息,且具有更高的未知性和动态性。搜索救援是大规模三维环境下的自主探索的一种应用。如果兼顾搜索救援等时间敏感任务,还需要强调自主探索的探索效率。本文对大规模三维环境下的地面移动机器人自主探索技术及其在搜索救援方面的应用开展了研究,主要工作如下:1.针对目前未探索区域探测方案中出现的部分点云缺失、边界遗漏,以及部分信息增益错误计算等问题,设计了一种基于视点的准确探测方案。首先,处理激光雷达数据并提取出垂直表面、垂直边界等几何空间特征。然后,从局部视点中提取出边界视点作为虚拟边界,增强对未探索区域的引导能力。最后,针对部分视点增益计算错误的问题,采用法线过滤方法进行矫正。通过仿真实验,验证了视点增益计算错误问题及法线过滤的有效性,同时在公开的大规模三维仿真环境中进行测试,验证了虚拟边界的增强效果。2.针对传统局部最优策略在大规模环境下的短视问题,提出了一种高效的外向优先搜索的探索策略。首先,设计了局部规划算法用于环境的探索。然后,针对机器人向内探索时会出现的往返问题,给出了相应的算法,优化局部目标视点的选取。最后,设计了全局规划算法,保证机器人在局部探索完毕后重定位到余下的未探索区域。通过在公开的大规模三维仿真环境中与两种前沿算法进行对比,验证了算法的高效性与实时性。3.面向搜索救援应用需求,基于前面研究的自主探索系统,设计了自主搜索救援系统。首先,分析了搜索救援的任务需求,定义了搜索救援系统的功能,并设计了系统框架。其次,给出了针对多待救人员场景下快速检测的路径规划算法。通过仿真实验,验证了算法的高效性与搜救系统的可行性。