基于异构传感器的机器人失控核环境感知及同步自主行为规划

It has been widely used that humans are replaced by mobile manipulator for exploration and manipulation in the dangerous nuclear environments, but the robot can't meet the requirements of tasks independently in the complex environment. This project aims to searching and disposal of radioactive source using mobile manipulator. The key points are the informative coupling problem between radiation field and geometry filed, as well as smart exploration strategy based on environment mutual information. Hence, we focus on solving the technical problem as follows: the probability measurement and fusion of spatial multimodal physical field, MI-theoretic robot exploration based on heterogeneous sensors, efficiency improvement mechanisms of Gaussian Process Regression and the exploration problem. So the research outspreads in the following aspects: multi-dimensional environment modeling utilizing 3D point clouds and radiation source information, the exploration strategy for robot path towards radiative source in unknown environment, simultaneous exploration and planning for manipulator in obstacle environment, and the algorithm implementation based on ROS framework. After solving the above problems, this intelligent robot further improves the notion of integrated design that involves structure, sensing and control. Meanwhile the interactive ability and adaptability to the environment.

在失控核环境中替代人类进行搜索、处置和服役的移动机械臂被广泛应用。但是移动机器人在适应复杂环境独立完成作业的能力不能满足要求。本项目以移动机械臂对放射源的搜索和处置为背景开展研究，针对放射源环境信息与几何环境信息耦合问题和基于环境互信息的自主探索规划问题，重点解决空间多模态物理场感知信息的概率度量及融合，异构传感器空间互信息驱动下的机器人探索，以及高斯过程回归计算效率提升和搜索效率优化机制等科学问题，开展三维点云和放射源信息的多维环境建模，未知环境下机器人放射源搜索与寻源轨迹算法，移动机械臂未知环境探测与同步轨迹规划，以及基于ROS框架软件实现等研究。实现针对于放射源作业任务的移动手臂同步环境构建与轨迹规划，进一步完善智能机器人结构-传感-控制一体化的理念和机器人与环境的交互能力和适应能力。

本课题以在失控核环境中机器人自主对放射源搜索、定位和辐射场回归作为研究背景。课题重点研究了基于粒子滤波的多放射源参数估计，基于三维栅格地图和放射源强度信息的多模态环境建模和基于信息增益的辐射环境探索等问题，实现了针对放射源的定位任务和避障轨迹规划任务。在严谨的理论研究基础上，建立了基于ROS的软件系统和实验平台，实现移动机械臂对放射源的自主定位和操作，研究成果如下：.(1) 建立了具备环境3D几何信息（3D激光雷达+IMU）和环境辐射信息（辐射传感器）感知的移动平台系统；建立基于三维点云和放射源信息的多维环境建模方法；.(2) 提出了PSPF(Peak Suppressed Particle Filter)算法，建立了基于PSPF的移动机器人对放射源的定位和寻源方法；.(3) 提出对环境几何信息和辐射信息不确定度的信息熵表达方法，并建立了信息驱动下的移动机器人自主探测规划方法；.(4) 建立基于ROS的软件系统和实验平台，分别在实验室WIFI环境下的探测和实际放射源环境下的辐射热点定位、辐射场回归重建和自主探测规划；.此外，依托本项目先后共受理国家发明专利4项，授权1项。发表SCI 收录文章6篇。发表IEEE/IROS2021一篇，并线上参加了IROS会议，通过会议交流，促进课题组与国际同行们的相互学习；培养博士生研究生3名，其中已毕业博士研究生1人、在读博士生2名，其中1名在2020-2021年在美国CMU联合培养；培养硕士研究生3人，其中已毕业2名，在读1名。