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基于激光雷达的水面无人艇环境建图与避障研究
| 论文题名： | 基于激光雷达的水面无人艇环境建图与避障研究 |
| 关键词： | 水面无人艇;激光雷达;环境建图;避障策略;机器人操作系统;运动控制 |
| 摘要： | 对陆地不可再生资源的过度开采与消耗，使得各国纷纷到占地球表面积更大的海洋中开展探索与研究。党的十八大更是首次将“建设海洋强国”写进政府报告中，这标志着我国已将发展海洋事业上升至国家战略的高度。无人艇（UnmannedSurfaceVehicle，USV）作为海洋事业迈入智能化的重要一环，如今已然在海域巡查、近海清污等方面发挥着不可或缺的作用。然而执行这些任务需要无人艇拥有较强的感知识别、决策规划和控制执行能力，其关键在于无人艇对环境信息的处理以及面对突发情况的响应能力，即环境建图和避障。通过环境建图和避障实现无人艇在复杂环境中仍能安全、高效完成任务，因此对于无人艇环境建图和避障研究具有重要意义。 根据上述背景，本文基于实验室自研的无人艇硬件平台，采用机器人操作系统（ROS）作为软件架构，提出了一套以激光雷达为主要传感器对无人艇进行同时定位与建图（SLAM）以及避障的方法，并将开发的算法功能包通过不同软件开发环境进行仿真验证，然后通过干态及湖上试验对所设计的方法进行可行性验证。 首先，对无人艇环境建图以及避障的研究背景与发展趋势进行叙述，之后采用激光雷达为主要传感器并对其工作原理和数据获取进行详细阐述，再对所研制无人艇的硬件平台以及采用的软件设计架构进行说明，进一步对基于激光雷达的无人艇控制系统硬件架构和软件系统进行设计，从而完成了对整个系统的各部分设计与选型。 其次，对SLAM环境建图的基本问题和求解过程进行简要叙述，并详细阐述了基于激光雷达的无人艇环境建图方法，包括二维和三维激光环境建图算法原理说明和基于设计的软硬件架构对上、下位机分别进行算法移植与功能实现，以及这两种方案的差异进行比较。 然后，针对障碍物采用的避障方案从基于激光雷达进行障碍物识别、局部路径规划以及无人艇控制三个方面进行设计。重点对获取的激光雷达数据过滤、分割和聚类操作提取障碍物信息进行详细阐述，然后根据障碍物信息采用动态窗口法规划路径进行详细说明，最后基于差速模型将运动指令转化为无人艇的运动控制。 最后，基于前述的无人艇系统对设计的环境建图和避障方案进行仿真和试验验证。针对环境建图分别进行了基于二维激光雷达和三维激光雷达的移动机器人仿真和试验，然后移植到所研制的无人艇上进行湖上试验，验证了提出的环境建图方案有效性；针对设计的基于三维激光雷达的无人艇避障策略开展了单个和多个障碍物的移动机器人干态试验和无人艇湖上试验，验证了所提方案的可行性。 |
| 作者： | 程权 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 向先波;许晓晖 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华中科技大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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