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轮/履式仿人机器人在非结构化环境中自主作业关键技术

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广东广州
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作者樊泽明[等]著

出版社科学出版社

ISBN9787030771995

出版时间2023-12

装帧精装

开本其他

定价128元

货号14781213

上书时间2024-05-25

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目录
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“新一代人工智能理论、技术及应用丛书”序

前言

第1章绪论1

1.1研究背景及意义1

1.2研究现状4

1.2.1逆运动学研究现状4

1.2.2运动规划算法研究现状5

1.2.3碰撞检测算法研究现状6

1.2.4仿人机器人稳定性研究现状7

1.2.5同时定位和地图构建研究现状8

第2章轮/履式仿人机器人平台介绍10

2.1引言10

2.2结构分析10

2.3硬件系统11

2.3.1双臂作业系统12

2.3.2腰部3-RPS并联机构13

2.3.3移动小车平台14

2.3.4RealsenseD435摄像头介绍16

2.4软件系统17

2.4.1机器人模型18

2.4.2机器人通信19

2.5本章小结21

第3章视觉SLAM三维环境构建22

3.1引言22

3.2相机的模型22

3.2.1坐标系之间的转换关系23

3.2.2RealsenseD435坐标转换关系25

3.2.3摄像机的标定26

3.3视觉里程计27

3.3.1常见的特征点检测算法27

3.3.2图像特征点匹配及对比分析30

3.3.3误匹配特征点剔除的实验及改进方法35

3.4相机的运动估计37

3.5关键帧选取策略及闭环检测39

3.5.1关键帧选取39

3.5.2闭环检测40

3.5.3词袋模型41

3.6位姿图优化43

3.7环境构建及实验结果分析45

3.7.1建图的要求及分类45

3.7.2八叉树地图46

3.8本章小结47

第4章非结构化环境重构及目标识别48

4.1引言48

4.2YOLOv3算法介绍48

4.2.1YOLOv3网络模型结构49

4.2.2边界框的预测50

4.2.3损失函数52

4.2.4多种网络对比效果53

4.3网络改进的方法54

4.3.1增加网络层数54

4.3.2重构网络结构55

4.3.3先验框优化56

4.3.4树枝的三维重构57

4.3.5图像背景分割57

4.3.6枝干重构原理59

4.3.7离散准确框的相关性判断步骤63

4.3.8多项式拟合枝干曲线65

4.4本章小结65

第5章轮/履式仿人机器人运动规划67

5.1引言67

5.2基于图的搜索算法67

5.2.1Dijkstra算法67

5.2.2A*算法68

5.2.3LPA*搜索算法71

5.2.4D*Lite算法73

5.3动态路径规划算法73

5.3.1人工势场法73

5.3.2动态窗口法75

5.4基于采样的路径规划算法78

5.4.1RRT算法78

5.4.2RRT*算法81

5.5智能规划算法84

5.6路径平滑处理84

5.7本章小结85

第6章轮/履式仿人机器人模型建立及运动学研究87

6.1引言87

6.2空间描述和变换87

6.2.1位置和姿态的描述87

6.2.2坐标变换88

6.3机器人运动学描述91

6.4正运动学分析92

6.4.1感知系统正运动学94

6.4.2主作业系统正运动学98

6.4.3辅助作业系统正运动学100

6.4.43-RPS并联机构正运动学102

6.5逆运动学研究分析105

6.5.1主作业系统逆运动学106

6.5.2辅助作业系统逆运动学118

6.5.33-RPS并联机构逆运动学120

6.6轮/履式仿人机器人稳定判据及行走与作业的逆运动学122

6.6.1稳定判据122

6.6.2上身与腰部适应下身稳定的行走逆运动学123

6.6.3下身与腰部适应上身避障的作业逆运动学125

6.7本章小结127

第7章轮/履式仿人机器人作业臂避障轨迹规划研究129

7.1引言129

7.2作业臂避障规划130

7.2.1作业臂及障碍物几何模型的表达131

7.2.2作业臂与障碍物的碰撞检测134

7.2.3作业臂昀终路径的确定137

7.2.4直线运动轨迹插值141

7.3关节空间下的轨迹规划142

7.3.1三次多项式插值法143

7.3.2高阶多项式插值法144

7.4机器人双臂协调运动规划145

7.4.1工作空间分析145

7.4.2双臂协调摘取任务147

7.5本章小结150

第8章轮/履式仿人机器人在非结构化环境中自主作业验证151

8.1引言151

8.2SLAM系统性能分析151

8.2.1Tum数据集性能测试分析151

8.2.2建图实验154

8.3水果识别及枝干重建实验157

8.3.1实验数据集及相关参数说明157

8.3.2苹果、枝干识别效果159

8.3.3神经网络性能测试160

8.3.4枝干重建实验162

8.4二维空间内路径规划实验163

8.5三维空间内路径仿真实验165

8.5.1RRT*算法的仿真分析165

8.5.2三维空间路径规划166

8.6机器人作业仿真实验168

8.6.1仿真模型建立168

8.6.2正运动学仿真169

8.6.3笛卡儿空间轨迹规划170

8.6.4关节空间轨迹规划171

8.7作业臂避障规划实验172

8.8苹果采摘实验176

8.8.1采摘实验示例176

8.8.2误差校正179

8.8.3双臂作业实验182

8.9本章小结183

参考文献184

内容摘要
本书针对适应非结构化环境中机器人的作业需求，从轮/履式仿人机器人作业的非结构化环境真实世界特征出发，采用独辟蹊径的研究思路，提出了一种大尺度非结构化场景下三维环境的自主重建机制和轮/履式仿人机器人上身、腰部及下身分离与协调机制，已完成：①为提高三维环境构建精度，研究不同几何约束条件下图像特征匹配算法，提高特征点匹配性能和运动估计精度；②借助小样本目标训练集，利用深度学习进行目标识别，并结合语义、颜色和区域信息进行图像分割，获得目标区域关系，进而引入光束平差BA优化算法提高相机的状态估计；运用光影分析增强场景各区域间约束，并基于动态点检测和语义分割相结合的动态点过滤法，增强三维环境的抗动态干扰特性，提高环境的可视化效果和解释能力；③构建上身碰撞检测模型并设计小车路径规划算法；建立适应下身稳定作业的上身逆运动学求解模型。设计基于作业目标的手部运动规划算法；建立基于碰撞检测的上身逆运动学求解模型；④研究适应上身稳定作业的腰部及下身逆运动学求解方法。⑤研制上身、腰部、下身有机协调的轮/履式仿人机器人行走与作业的运动规划、碰撞检测、稳定判据约束下的逆运动学求解系统。

精彩内容
本书针对适应非结构化环境中机器人的作业需求，从轮/履式仿人机器人作业的非结构化环境真实世界特征出发，采用独辟蹊径的研究思路，提出了一种大尺度非结构化场景下三维环境的自主重建机制和轮/履式仿人机器人上身、腰部及下身分离与协调机制，已完成：①为提高三维环境构建精度，研究不同几何约束条件下图像特征匹配算法，提高特征点匹配性能和运动估计精度；②借助小样本目标训练集，利用深度学习进行目标识别，并结合语义、颜色和区域信息进行图像分割，获得目标区域关系，进而引入光束平差BA优化算法提高相机的状态估计；运用光影分析增强场景各区域间约束，并基于动态点检测和语义分割相结合的动态点过滤法，增强三维环境的抗动态干扰特性，提高环境的可视化效果和解释能力；③构建上身碰撞检测模型并设计小车路径规划算法；建立适应下身稳定作业的上身逆运动学求解模型。设计基于作业目标的手部运动规划算法；建立基于碰撞检测的上身逆运动学求解模型；④研究适应上身稳定作业的腰部及下身逆运动学求解方法。⑤研制上身、腰部、下身有机协调的轮/履式仿人机器人行走与作业的运动规划、碰撞检测、稳定判据约束下的逆运动学求解系统。

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