基于ROS的四足巡检机器人建图定位及自主导航研究

作     者：窦君意 

作者单位：中国石油大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：顾继俊

授予年度：2022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：四足机器人 ROS SLAM 路径规划 自主导航 

摘      要：最近,移动机器人技术发展迅速,各领域中对移动机器人的需求日渐增加。而移动机器人的核心问题为自主导航技术,即通过自身携带的环境感知设备在未知环境中实现自主移动。由于轮式机器人存在难以跨越障碍的局限性,本文针对四足机器人自主导航系统进行研究。将激光雷达作为主要的环境感知设备,提出一套完整的四足机器人自主导航系统,并通过ROS系统和A1底盘展开相关实验。首先,介绍了本文所使用软件框架和硬件设备。并建立了所用的机器人底盘、激光雷达和环境模型,提出了完整的四足机器人导航系统的设计方案。其次,针对移四足器人的同步定位与地图构建技术(SLAM)展开研究。选取占据栅格地图作为本文的环境题图表示方法。针对传统RBPF-SLAM算法的粒子退化问题进行优化,提出改进RBPF-SLAM算法。接着研究了一种基于图优化的SLAM算法。再通过ROS中搭建仿真环境并针对两种算法进行仿真实验,验证了图优化SLAM算法的优越性。再次,针对四足机器人的路径规划技术展开研究。主要研究了全局路径规划算法A*和Dijkstra算法以及局部路径规划算法DWA和Trajectory Rollout算法,并在ROS系统中对以上四种算法进行仿真实验,分析仿真实验结果得到各种算法的优势,并设置算法接口进行路径规划算法切换。最后,利用实验室现有条件搭建实物实验环境。将本文提出的改进RBPF-SLAM算法和图优化SLAM算法搭载到A1底盘上进行实物建图实验。之后将A*算法和DWA算法组合,Dijkstra算法和Trajectory Rollout算法组合后并搭载到A1底盘进行实物导航实验。通过对比分析以上算法在复杂环境、位置障碍、动态障碍等一系列实验中的结果,最终整合了一套自足机器人导航系统,且实验结果表明该系统建图精度高,能胜任包含动态障碍等复杂环境中的导航工作。