论文中文题名: | 基于三维激光雷达的AGV小车即时定位与建图 |
姓名: | |
学号: | 19305216016 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 085500 |
学科名称: | 工学 - 机械 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工程硕士 |
学位年度: | 2022 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 机器人技术 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
第二导师姓名: | |
论文提交日期: | 2022-06-27 |
论文答辩日期: | 2022-06-02 |
论文外文题名: | AGV trolley based on 3D lidar synchronous positioning and map construction |
论文中文关键词: | |
论文外文关键词: | SLAM ; Motor aberrations ; Loopback detection ; Graph optimization |
论文中文摘要: |
即时定位与建图技术(Simultaneous Localization and Mapping, SLAM)是实现移动机器人在未知环境下自主定位的关键技术,其核心思想是利用已经建立的地图对机器人进行定位,再根据新的定位信息增量式地建立环境地图。针对 AGV小车SLAM 中存在的运动畸变、回环检测等不能完全优化地图的问题,本文主要研究内容与成果如下: 搭建AGV小车,以STM23单片机为下层控制单元,接收驱动轮的里程计信息,同时发布小车速度控制指令,将下层封装好的消息发布给上层控制系统;上层控制系统则采用工控机作为控制单元,接收激光雷达和惯性测量单元的封装话题,完成建图工作;上下层采用CAN总线进行通信。 在上述基础上,针对AGV运动过程中出现的运动畸变问题,优化了一种使用高频率的IMU数据来对一个采集周期内的点云数据进行运动补偿的方法。在较短时间内里程计的位移数据和IMU的角度数据噪声小,精度高。先将激光雷达获得的一帧点云数据的初始时刻和这一时刻下的IMU在时间上运用插值的方式进行对齐,然后将此点云数据的最后一帧数据转换到第一帧数据的坐标系下,完成单帧扫描数据在时间和空间上的校正。利用IMU的预积分模型结合激光点云构建联合优化误差函数,迭代求解雷达位姿。在完成点云校正后得到精确地三维激光雷达数据。 针对定位与建图过程中激光雷达扫描帧仅与当前子图进行匹配,随着子地图的不断增多,误差的不断积累,导致全局地图首尾不能闭环,全局地图失真等问题,提出一种基于图优化的分段式回环检测方法。根据IMU角速度数据,当其角位移变化幅度较大,此时系统将根据动态权重分配系数,将IMU数据信任值减小,并以此时刻作为分段起点,重新进行局部子图的构建并为其添加回环约束。将下一帧雷达数据作为初始位姿再次构建局部子图,依次循环,使用全局图优化的方法对各个局部子图进行全局优化,构建完整地图。最后搭建AGV软件和硬件实验平台,对本文优化的运动畸变去除算法和基于IMU数据的分段式回环检测方法进行实验验证。 |
论文外文摘要: |
Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) is the key technology to realize the autonomous positioning of mobile robots in unknown environments, and its core idea is to use the established map to locate the robot, and then incrementally establish an environmental map according to the new positioning information. In view of the problem that motion distortion and loop detection in the AGV trolley SLAM cannot be fully optimized, the main research content and results of this paper are as follows: Analyze and calculate the speed motion model of the AGV chassis, and use the STM32 microcontroller as the motion controller of the layer to realize the reversible conversion of speed control commands and real time motor speed; Control of the drive motor via CAN bus; Obtain posture data of inertial measurement unit and publish topics; The industrial computer is used as the upper control unit, which is mainly responsible for the operation of the algorithm. On this basis, aiming at the motion distortion problem that occurs during AGV motion, a method of using IMU high-frequency IMU data and odometer data of IMU is optimized to compensate for the motion of point cloud data in one acquisition cycle. In a short period of time, the displacement data of the odometer and the angle data of the IMU have low noise and high accuracy. First, the initial moment when the lidar obtains a frame of point cloud data is aligned with the IMU at this moment, and then the last frame of data of this point cloud data is converted to the coordinate system of the first frame of data, and the time and space correction of the single frame scan data is completed. The pre-integration model of IMU is combined with the laser point cloud to construct a joint optimization error function, and the radar pose is solved iteratively. Accurate 3D lidar data is obtained after point cloud correction is completed. Aiming at the process of simultaneous positioning and mapping of traditional lidar, the laser radar scanning frame only matches the current sub-map, and with the continuous increase of sub-maps, the error continues to accumulate, resulting in the global map can not be closed loop, the global map distortion and other issues, a segmented loop detection method based on map optimization is proposed. According to the IMU angular velocity data, when the IMU angular displacement changes greatly, the system will reduce the trust value of the IMU data at this time according to the dynamic weight distribution coefficient, and use this moment as the starting point of the segment, reconstruct the local subgraph, and add loopback constraints to it. The next frame of radar data is used as the initial pose to construct the local submap again, cycle through it in turn, and finally optimize each local submap to build a complete map by means of global map optimization. Finally, an AGV software and hardware experimental platform is built to experimentally verify the motion distortion removal algorithm and the segmented loopback detection method based on IMU data proposed in this paper. |
参考文献: |
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中图分类号: | TP242 |
开放日期: | 2022-07-14 |