基于激光雷达的智能机器人环境理解关键技术研究

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1、博士学位论文基于激光雷达的智能机器人环境理解关键技术研究作者：袁夏指导教师：赵春霞教授南京理工大学2010年11月Ph．D．DissertationIIlllIlllTIIIIIlllUIY1919745ResearchonKeyTechnologiesofEnvironmentd‘dingofGrI)undnvironmentILiaerstanrouncIdlng0IIntelligentRobotBasedonLidarByYuanXtn天Z口SupervisionbynojZhaoChun

2、xiaNanjingUniversityofScience＆TechnologyNovember,2010声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名：年月日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容

3、，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：年月日博±j论文基于激光雷达的智能机器人环境理解关键技术研究摘要地面移动智能机器人是一种可以在室内外环境中连续自主运动，集环境感知与理解、动态决策、动态路径规划、行为控制与执行等诸多功能于一体的高度自动化智能装置，智能机器人技术已成为各国高科技领域的一个研究热点。环境理解是实现机器人自主移动的关键技术之一，激光雷达是一种主动探测传感器，由于其具有能够直接得到三维窄

4、间信息、几乎不受光照条件影响等特点，因而成为一种重要的环境感知传感器。针对基于激光雷达的地面智能机器人环境理解关键技术，本文从底层数据融合、点云聚类、帧匹配技术、环境特征提取和可通行区域检测等方面展开研究工作。研究中使用的激光雷达传感器包括单线雷达、多线雷达、面阵雷达以及线扫描雷达等多种系列，涉及到了当前国内外地面机器人平台上配备的主要激光雷达类型。本论文的主要研究成果如下：针对点云聚类问题，提出一种基于密度变化和空问分布不同的点云聚类算法，将基于信息理沦的聚类优化方法融入基于密度的聚类算法，使用

5、局部压缩编码值作为评判点云聚类结果的依据。该算法町以自适应计算近邻半径，在一定程度上可以区分密度相似但是空间分布明显不同的点云区域。针对可通行区域检测问题，提出一种基于激光雷达数据的可通行区域提取方法。算法首先使用模糊预测模型结合可通行区域特征，在单条激光雷达扫描线数据中提取初始可通行区域，然后利用帧间或扫描线问的时空关联，优化提取结果，提高可通行区域检测lF确率。针对激光雷达与摄像机联合标定问题，设计一种箭头形标定板，使用基于点特征的方法进行激光雷达和摄像机的联合标定。针对高密度彩色点云数据，使

6、用结合几何特征和颜色特征的复合特征向量训练分类器，进行地形分类，得到了比单独使用几何特征更高的分类正确率。针对激光雷达数据帧匹配问题，分别提出适用于单线激光雷达数据的基于点一线匹配的帧匹配算法和适用于面阵激光雷达数据的基于点一面匹配的帧匹配算法。算法在激光雷达数据中分别提取线、面等几何特征，根据广义距离关联瞒帧数据间的几何特征，利用线、面特征匹配和点特征匹配分别估计旋转参数和平移参数，减少迭代计算。关键词：智能机器人，环境理解，激光雷达，三维点云，深度图像，特征提取，聚类，帧匹配，底层数据融合，地

7、形分类AbstractGroundmovingintelligentrobotisakindofequipmentwhichcallmoveautomaticallybothinindoorandoutdoorenvironment．Itintegratestechniqueofenvironmentapperceivingandunderstanding，dynamicdecision—making，dynamicpathplanning，actioncontrolandimplementati

8、on,ctc．Researchofgroundintelligentrobotisanactiveareaofhightechnologyforlotsofcountries．Environmentunderstandingisveryimportantforarobottonavigateitselfautomatically．Lidarisakindofactiverangefinder．Itisakindofprimarysensorsinroboticsasillumina