复杂室内环境下仿人机器人定位与运动规划研究

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1、博士学位论文复杂室内环境下仿人机器人定位与运动规划研究RESEARCHONLOCALIZATIONANDMOTIONPLANNINGFORAHUMANOIDROBOTINCOMPLEXINDOORENVIRONMENT许宪东哈尔滨工业大学2017年7月国内图书分类号：TP242.2学校代码：10213国际图书分类号：681.5密级：公开工学博士学位论文复杂室内环境下仿人机器人定位与运动规划研究博士研究生：许宪东导师：关毅教授、洪炳镕教授申请学位：工学博士学科：计算机应用技术所在单位：计算机科学与技术学院答辩日期：2017年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP

2、242.2U.D.C:681.5DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONLOCALIZATIONANDMOTIONPLANNINGFORAHUMANOIDROBOTINCOMPLEXINDOORENVIRONMENTCandidate：XiandongXuSupervisor：Prof.YiGuan,Prof.BingrongHongAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：ComputerApplicationTechnologyAffiliation

3、：SchoolofComputerScienceandTechnologyDateofDefence：July,2017Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要仿人机器人进入复杂的室内环境，服务于人类的日常生活是其发展的必然趋势，定位与运动规划是机器人能够自主服务于人类的关键。目前主要研究的是简单环境下的仿人机器人定位与运动规划，而对于复杂室内环境下的定位与运动规划研究较少。虽然已存在一些轮式机器人的定位与运动规划方法，但由于仿人机器人的结构特点，导致很多适用于轮式机器人的方法并不适用于仿人机器人，仍有许多问

4、题亟待研究解决。本文是在国家自然科学基金项目“仿人机器人同时定位和三维认知地图创建研究”的资助下，以提高仿人机器人在室内应用中所必需的自主能力为目标。针对仿人机器人复杂室内环境下定位和运动规划所面临的问题，对其涉及的若干关键技术进行了系统深入的研究。主要包括环境感知、定位和运动规划等几个方面的内容。第一，研究了仿人机器人室内地图生成问题，提出了基于混合地图的室内环境建立方法。全局层采用基于自然路标的拓扑地图。局部层针对不同的传感器，建立了二维和三维地图。采用激光测距仪建立了室内二维地图,利用RGB-D传感器构建了3D室内地图，基于QRcode建立了辅助语义层。通过构建语义-拓扑-度量混合地

5、图来建立统一构架，满足仿人机器人室内定位与导航需求。第二，研究了仿人机器人定位问题。本文针对环境地图已知和未知两种情况对仿人机器人的定位进行了研究。针对拓扑地图，提出了一种基于PNP的全局定位方法。针对度量地图，提出了一种基于KLD-蒙特卡罗的仿人机器人定位方法。针对环境地图未知情况，提出了一种基于滑动窗口扩展卡尔曼滤波的仿人机器人定位方法。这三种方法可根据需要应用于仿人机器人的全局与局部定位，获得较好的定位效果。第三，针对仿人机器人室内运动需面对楼梯和斜坡等障碍物的问题，研究了仿人机器人爬楼梯、斜坡问题。提出了一种基于改进NSGA-II的仿人机器人上楼梯和斜坡的运动规划方法。建立了仿人机

6、器人七连杆模型，设计了上楼梯、斜坡运动模型。通过引入多目标优化方法，实现仿人机器人上楼梯、斜坡运动，可以较好的满足多目标的需求。第四，仿人机器人完成复杂任务一般需要通过全身运动规划完成。针对仿人机器人全身运动规划问题，提出了一种基于运动捕捉与动量分解的分阶段全身运动生成方法。离线阶段通过B样条拟合关节角度，并通过优化获得-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文轨迹。在线阶段通过采用模型预测与分解动量控制相结合，完成仿人机器人在线运动控制。实验表明，该方法可以有效的实现仿人机器人全身运动规划，并可在全身运动过程中保持较好的稳定性。关键词：仿人机器人；全局定位；运动规划；KLD-蒙特卡罗定位；分解

7、动量控制；滑动窗口扩展卡尔曼滤波-II-AbstractAbstractItistheinevitabletrendthatahumanoidrobotentersthecomplexindoorenvironment,andservesthedailylifeofhumanbeing.Toservethepeopleautonomously,locationandmotionplanningareessentialte