基于天空偏振光的SLAM方法的研究

【摘要】20世纪以来具有高度智能和实际应用价值的机器人逐渐进入到人们的生产与生活当中,这极大的方便了人们的生产生活,它们可以在有障碍的环境中自主移动,并通过传感器感知周围的环境。这些自主式移动机器人能进行自主移动的关键在于导航定位,它主要需要解决三个方面的问题：精确的导航定位、高精度的地图创建以及实时的路径规划,而导航定位技术是移动机器人实现自主移动探索未知环境的基础与关键。目前移动机器人的应用环境相对来说非常复杂,需要面对的往往是一些人烟稀少或不能难以到达的地方,如沙漠、海洋、太空等一些特殊的环境,同时对移动机器人的功能需求也在不断增加,所以与之相应的导航定位这一研究领域的研究也呈现出一些新的发展特点。如：多种方法的组合导航定位、分布式的智能结构、信息通信的网络化、多种传感器的信息融合,不同领域的技术交叉等。自然界有很多生物,它们具有特殊的导航定位能力,比如沙蚁、蜜蜂等一些昆虫生物有利用天空散射光偏振特性进行导航定位的能力,此外还有一些其他的生物的导航定位能力更加奇特,这些仿生导航定位的能力极大的激发了研究人员的灵感为移动机器人导航定位的研究提供了一种新的思路。本文在中国科学院合肥研究院先进制造技术研究所智能车辆中心的支持下,从生物利用偏振光导航的仿生学机理出发,开展了一系列基于天空偏振光研究和导航定位方法的研究：(1)通过对太阳光进入大气层发生散射的原理,对国内外的研究成果进行分析,了解偏振光的三种数学描述方法,了解了天空散射光的偏振分布的特点以及规律,了解偏振光的两种不同的检测方法及其各自的优点和不足,了解了哪些因素会影响到对偏振特性的测量,并归纳出在实际工作中获取到理想的天空散射光偏振检测数据的方法与规律。(2)研究分析导航定位领域中的方法、规律以及研究现状,分析阿克曼运动模型和车辆运动微分模型的不同,研究航迹推算方法和同步定位与地图创建算法,并针对EKF-SLAM、粒子滤波SLAM等SLAM算法的不同特点进行了详细的分析。(3)通过对国内外目前已经开发出来的偏振光检测装置的测量原理以及性能的分析,设计了三代我们自己研发的具有一定精度的天空偏振光测量装置,特别是针对第Ⅱ代偏振光检测装置开发和设计了一整套设备的标定方法,该设备目前已经可以实现对天空散射光偏振特性的高精度测量。(4)针对现有不同导航定位技术的优点和不足提出改进的导航定位方法,并研究将偏振光传感器获取的检测数据与该导航定位方法相结合的方法。分别从航迹推算和同步定位与地图创建的角度分析如何实现基于天空散射光偏振测量数据的高精度导航定位,并提出了一种可以在晴朗天气下进行基于天空散射光偏振特性检测的定位和同时创建天空散射光的偏振测量数据库的方法,最后对实验的结果进行分析,结果表明所提出的这种方法是有效的,不仅可以提高基于天空散射光偏振特性的导航定位精度,同时可以提高对天空偏振光检测的精度。本文在安装有GPS、INS传感器、里程计以及偏振光传感器的“智能先锋I号”上做了大量基于天空散射光偏振特性的导航定位实验。由于作者自身能力所限,因此对天空散射光偏振导航定位的研究存在许多不足,最后,作者对自己的工作进行了总结,同时对下一步的研究工作进行了展望。
【作者】王道斌；
【导师】梁华为；
【作者基本信息】中国科学技术大学，检测技术与自动化装置，2014，博士
【关键词】偏振光；仿生导航；航迹推算；EKF-SLAM；UKF-SLAM；粒子滤波；SLAM；Fast-SLAM；

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