论文中文题名: | 煤矿水泵房巡检机器人建图与路径规划研究 |
姓名: | |
学号: | 20206223052 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 085400 |
学科名称: | 工学 - 电子信息 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工程硕士 |
学位年度: | 2023 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 机器人路径规划 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
论文提交日期: | 2023-06-14 |
论文答辩日期: | 2023-06-02 |
论文外文题名: | Research on Mapping and Path Planning of Coal Mine Pump Room Inspection Robot |
论文中文关键词: | 路径规划 ; 环境地图构建 ; 增强目标启发信息 ; 多传感器融合SLAM |
论文外文关键词: | Path planning ; Environmental map construction ; Enhanced goal-inspired information ; Multi-sensor fusion SLAM |
论文中文摘要: |
在机器人技术大力发展的时代背景下,煤矿巡检机器人将朝着小型化、多元化、集成化、智能化的方向发展。路径规划和同时定位与建图(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)是巡检机器人在陌生环境地图构建与自主导航的关键技术。目前煤矿水泵房巡检机器人使用单一传感器时,存在定位精度低、地图信息不完整以及路径规划效率低等问题。因此,对水泵房巡检机器人定位、构建地图和路径规划过程进行改进和优化具有重要的研究意义。 针对煤矿井下环境对巡检机器人高精度定位的需求,提出基于误差状态卡尔曼滤波(Error State Kalman Filter,ESKF),将惯性测量单元与轮式编码器的数据作为状态预测值,采用视觉里程计进行位姿校正,提高机器人的定位精度。针对激光雷达构建地图信息不完整、可靠性差等问题,将深度相机的深度信息与激光雷达的数据融合,并通过激光与视觉双回环检测对地图进行优化,减小累积误差,提高全局地图的完整性。针对传统蚁群算法在路径规划前期搜索盲目性大、搜索时间长、拐点多等问题,提出增强目标启发信息蚁群算法。将目标位置对下一个待选节点的影响进行放大,引入带有权重的距离启发因子,使蚂蚁大概率向目标栅格搜索,提高了路径规划的效率。采用正弦自适应调整信息素挥发因子,增强算法的全局搜索能力,并删除冗余路径,进行路径安全性检查,重新调整路径,从而减少转弯的次数。最终融合增强目标启发信息蚁群算法和动态窗口算法,实现巡检机器人自主导航和动态避障功能。 实验结果表明,本文提出的多传感器融合SLAM算法可以构建信息完整的水泵房二维地图,融合定位方法可以实现高精度定位,定位精度为8.9 cm。提出的增强目标启发信息蚁群算法在30×30 m2和100×100 m2的环境中比多因素蚁群算法在搜算时间上缩短了17%和11%,且规划路径更短更平滑。因此,本文提出的算法可以有效应用于水泵房巡检机器人自主巡检任务中。 |
论文外文摘要: |
In the background of the era of vigorous development of robotics, coal mine inspection robots will develop in the direction of miniaturization, diversification, integration and intelligence. Path planning , simultaneous localization and map are the key technologies for map construction and autonomous navigation of inspection robots in unfamiliar environments. The current coal mine pump room inspection robot has problems such as low positioning accuracy, incomplete map information and low path planning efficiency when using a single sensor. therefore, Therefore, it is important to improve and optimize the process of positioning, building maps and path planning for pump room inspection robots. In response to the demand for high-precision positioning of inspection robots in underground coal mine environment, error-state Kalman filtering is proposed to improve the positioning accuracy of robots. The data from the inertial measurement unit and the wheel encoder are used as state prediction values, and the visual odometry is used for position correction. To address the problems of incomplete information and poor reliability of the map constructed by LiDAR, the depth information of the depth camera is fused with the data of LiDAR, and the map is optimized by double loopback detection of laser and vision to reduce the cumulative error and improve the integrity of the global map. The enhanced goal-inspired information ant colony algorithm with enhanced target direction is proposed for the problems of traditional ant colony algorithm such as large search blindness, long search time and many inflection points in the pre-path planning stage. The influence of the target position on the next node to be selected is amplified, and the distance heuristic factor with weights is introduced to make the ants search toward the target raster with high probability, which improves the efficiency of path planning. A sinusoidal adaptive adjustment of the pheromone volatility factor is used to enhance the global search capability of the algorithm, and redundant paths are removed, path safety checks are performed, and paths are readjusted so as to reduce the number of turns. Finally, the enhanced goal-inspired information ant colony algorithm and dynamic window algorithm are fused to realize the autonomous navigation and dynamic obstacle avoidance function of the inspection robot. The experimental results show that the multi-sensor fusion SLAM algorithm proposed in this paper can build a two-dimensional map of the pump room with complete information, and the fusion localization method can realize high-precision localization with a localization accuracy of 8.9 cm. The proposed enhanced goal-inspired information ant colony algorithm reduces the search time by 17% and 11% in 30×30 m2 and 100×100 m2 environments than the multi-factor ant colony algorithm, and the planning path is shorter and smoother. Therefore, the algorithm proposed in this paper can be effectively used in the autonomous inspection task of pump room inspection robot. |
参考文献: |
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中图分类号: | TP242 |
开放日期: | 2023-06-16 |