六足机器人环境建模与自主运动规划

Six-legged robots are beginning to show its role in many fields of military reconnaissance,disaster relief, space exploration, anti-terrorism blasting, archaeological exploration,ability of mobile robot in complex environment, adapt to work independently is the key problem to be solved. This project will be to solve the problems of six-legged in complex environment as the starting point, the key environmental modeling and optimization of real-time motion planning of two basic theoretical problem, and ultimately to the complex operating environment for typical application demonstration,improve the robot verify the independent ability in complex environment theory and technology innovation achievements. The deliverable of the project will provide necessary theoretical and technical support for the utility of the six-legged robot. The main research contents: To reveal the six-legged robot and the interaction mechanism of complex environment, establishment of six-legged robots with nonholonomic constraints statistical dynamics model; the realization of 3D geometric six-legged robot modeling resolution adaptive adjustment and modeling data throughput optimization based on the thought of topography modeling, improve the real-time complex environment modeling; establish efficient on-line enhanced six-legged robot in complex environment ability to adapt to the learning mechanism, solve six-legged robot local path planning and optimization, adaptive optimal control problem of six-legged robot in complex environment, enhance the independent movement ability.

六足机器人在军事侦察、抢险救灾、星际探索、反恐爆破、考古探测等多个领域都开始展现其作用,六足机器人在适应复杂环境、独立完成作业方面的能力是亟待解决的关键问题。本项目研究将以解决六足机器人复杂环境作业问题为出发点，重点攻克环境建模实时性和运动路径规划两个基础理论难题，最终以典型复杂作业环境应用为示范，验证所取得的提高机器人复杂环境下自主运动能力的理论与技术创新成果。项目预期成果将为六足机器人的实用化提供必要的理论和技术支撑。主要研究内容：①揭示六足机器人与复杂环境相互作用机理，建立六足机器人非完整约束统计动力学模型；②实现基于建模解析度自适应调整和建模数据吞吐量优化思想的六足机器人三维几何地形地貌建模，提高复杂环境建模的实时性；③建立增强六足机器人复杂环境适应能力的高效在线学习机制，解决六足机器人局部路径规划和优化等问题，从而提升六足机器人在复杂环境中自主运动能力。

六足机器人与其他轮式移动机器人相比，具有较强的地形适应能力和良好的运动稳定性。六足机器人在适应复杂环境、独立完成作业方面的能力是亟待解决的关键问题。项目将以解决六足机器人复杂环境自主运动问题为出发点，重点攻克实时性环境建模、自主定位及运动规划三个基础理论难题，最终以典型复杂作业环境应用为示范，验证所取得的提高机器人复杂环境下自主运动能力的理论与技术创新成果。.提出基于离散点云三角剖分的场景三维重建方法，为六足机器人运动规划提供前方环境信息。该算法适用于闭合曲面和非闭合曲面离散点云的三角剖分，剖分后的三角网格均匀、平滑，能较好的体现曲面的细节特征。.针对移动机器人仅通过双目视觉来进行定位构图存在精度低和鲁棒性差等问题，提出一种基于GPU加速的SIFT特征匹配算法，实现了六足机器人的同步定位与地图构建。该方法既可以解决单目视觉利用特殊初始化方法获取环境特征点信息不准确的问题，也可以避免单一使用双目视觉SLAM恢复运动带来的计算量大的缺点。.在前述基于双目视觉系统采集地形信息并进行地形构建的基础上，依据地形的几何信息和六足机器人自身运动能力进行落足点的初步选取。地形的几何信息主要考虑到其崎岖度、高度及可落足区域的面积。提出机器人的位姿调整算法，通过调整机器人的重心位置、ZMP点至躯干支撑多边形最大内切圆的圆心处，实现机器人在平坦地形及崎岖地形的位姿调整，保证了六足机器人下一步运动的稳定性与灵活性。.利用六足机器人平台HIT-II开展综合实验研究，设计并实现了六足机器人系统的控制程序。通过实验对比发现，场景的复杂程度影响机器人的落足点选取及足端轨迹规划的执行效率，进而影响机器人的行进速度。六足机器人系统的综合实验充分验证了所提立体匹配算法、三维重建算法、落足点选择算法、足端轨迹规划算法及位姿调整算法的有效性及可靠性。