Введение
Глава 1. Анализ проблем и существующих методов навигации и управления движением автономного мобильного робота. Постановка задачи исследования 14
1.1. Обзор особенностей и характеристик мобильных роботов, участвующих в соревнованиях DARPA Urban Challenge и других 14
1.2. Задачи, решаемые в диссертации 21
1.2.1. Задачи и особенности решения проблемы навигации мобильного робота 24
1.2.2. Средства очувствления мобильных роботов, движущихся в городских условиях 28
1.2.2.1. 3D лазерный дальномер 32
1.2.3. Анализ проблем при решении задач навигации по данным лазерного дальномера 37
1.3. Существующие методы решения задачи локальной навигации 39
1.3.1. Поиск экстремума функции различия 39
1.3.2. Совмещение сканов методом ICP 42
1.3.3. Метод выделение характерных черт 44
1.3.4. Метод рекуррентной фильтрации (для 2D дальномера) 44
1.4. Существующие методы решения задачи глобальной навигации. Вероятностные алгоритмы 50
1.4.1. Метод фильтрация Калмана 53
1.4.2. Метод фильтрация частиц 55
1.5. Недостатки и преимущества известных существующих методов решения задачи навигации 58
Выводы 60
Глава 2. Решение задачи локализации с помощью определения параметров движения 62
2.1. Задача определения угловой и линейной скорости по дальнометрическим измерениям 62
2.1.1. Математическая модель относительного движения точек в дальнометрическом изображении 63
2.1.1.1. Движение мобильного робота без проскальзывания 63
2.1.2. Уравнение связи движения робота с функцией сечения рельефа 67
2.1.3. Дискретизация задачи 69
2.1.4. Определение параметров движения 73
2.1.4.1. Определение оценок с помощью псевдообратной матрицы 74
2.1.4.2. Определение оценок с помощью метода рекуррентной фильтрации 75
2.1.4.3. Выбор параметров фильтра 77
2.1.5. Исследование работы алгоритма рекуррентной фильтрации в среде MatLab 79
2.2. Исследование работы разработанного алгоритма при движении мобильного робота относительно рельефа в частных случаях 83
2.2.1. Движение мобильного робота перпендикулярно вертикальной стене 83
2.2.2. Движение робота вдоль стены 84
2.2.3. Поведение матрицы ковариации ошибок оценок 85
2.3. Исследование поведения оценок параметров движения мобильного робота 87
2.4. Получение оценок координат положения мобильного робота при движении 91
2.4.1. Интегрирование уравнений движения 91
2.4.2. Использование расширенного фильтра Калмана 93
2.5. Предварительная обработка дальнометрического изображения 97
2.6. Исследование шумов 98
2.6.1. Исследование статистических параметров шумов в измерениях 98
2.7. Точность определения параметров движения 102
2.7.1. Точность метода рекуррентной фильтрации 102
2.7.2. Точность определения координат робота 104
2.8. Построение карты 106
2.8.1. Виды описаний окружающей среды 106
2.8.2. Построение сетчатой карты для мобильного робота, оснащенного лазерным дальномером 107
Выводы 110
Глава 3. Управление движением мобильного робота в городских условиях по данным 3D лазерного дальномера 112
3.1. Управление движением мобильного робота вдоль тротуара 114
3.1.1. Управление движением мобильного робота вдоль
непрерывного прямолинейного тротуара 115
3.1.1.1. Кинематическая и динамическая модели колесного MP 115
3.1.1.2. Линеаризация уравнений движения мобильного робта относительно программной траектории 119
3.1.1.3. Устойчивость линеаризованной динамической модели мобильного робота 121
3.1.1.4. Определение параметров ц>,у ,входящих в закон управления 123
3.1.1.5. Моделирование движения автономного мобильного робота 125
3.1.2. Управление движением мобильного робота вдоль произвольного тротуара 130
3.1.3. Управление движением мобильного робота вдоль разрывного тротуара 134
3.2. Управление движением мобильного робота налево на перекрестке 135
3.2.1. Управление угловой скоростью движения мобильного робота 136
3.2.2. Построение программной траектории в виде дуги окружности 137
3.2.3. Уравнения движения мобильного робота при управлении в окрестности программной траектории 139
3.2.4. Компьютерное моделирование управления движением автономного мобильного робота на перекрестке 140
3.3. Управление движением мобильного робота при объезде препятствия 142
3.3.1. Планирование пути по карте, полученной из одного текущего скана дальномера 143
3.3.2. Движение по траектории 145
Выводы 147
Глава 4. Моделирование и экспериментальные исследования 148
4.1. Разработка системы управления для мобильного робота 149
4.1.1. Реализации работы системы управления в среде Microsoft Robotic Developer Studio (MRDS) 149
4.1.1.1. Программная среда Microsoft Robotics Developer Studio 150
4.1.1.1.1. Concurrency & Coordination Runtime (CCR) 151
4.1.1.1.2. Decentralized System Services (DSS) 152
4.1.1.2. Разработка программного обеспечения мобильной робототехнической системы 154
4.1.1.2.1. Архитектура системы управления 154
4.1.1.2.2. Модель логического уровня системы управления движением робота 158
4.2. Результаты тестирования работы системы управления в среде MRDS 161
4.2.1. Локализация робота и построение карты 161
4.2.2. Движение робота вдоль тротура и на перекрестке 165
Выводы 167
Выводы и заключение 168
Литература 171
Приложение А 178
