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基于多传感器的机器人环境建模与导航的任务书
任务书
一、任务背景以及研究意义
自动化技术的发展促进了机器人技术的快速进步。随着人类对于智能化机器人的需求日益增长，机器人技术早已不再是单一的控制算法，而已经变成了一个涵盖多领域多学科交叉的多元化学科体系。目前，在制造业、服务业、医疗等领域，机器人已经成为重要的工具和装备，而机器人的导航则是机器人应用的一个重要研究方向。
在机器人导航中，环境建模是一个非常重要的问题，并且在机器人感知、目标跟踪、避障、路径规划等问题都起到了至关重要的作用。然而，在实际应用中，场景往往是丰富多样，包括室内和室外，光照、环境温度、天气等诸多因素影响着机器人导航。因此，需要借助多传感器技术，利用多种传感器收集和处理信息，建立细致准确的环境模型，从而实现机器人导航。因此，本文将围绕着基于多传感器的机器人环境建模与导航展开研究。
二、研究主要内容和技术路线
1.研究内容
本研究的目标是建立基于多传感器的机器人环境建模与导航系统，具体包括以下四个方面:
(1)传感器选择
针对机器人环境建模和导航中所涉及的复杂环境，需结合不同的感知传感器，达到高精度、高鲁棒性的环境感知，这里预计选用激光雷达、摄像头、惯性测量单元等多种传感器。
(2)环境建模
机器人环境建模是机器人感知环境的过程，其目标是获得环境的外形、结构、运动等信息，将环境建模转化为机器人能够理解的虚拟环境，主要包括地面、墙壁、障碍物等。本研究中，环境建模主要是基于三维点云数据和颜色图像数据进行几何和语义信息的提取和融合。
(3)定位与导航
机器人导航的前提是实时精准的定位，因此本研究将提出一种基于传感器融合的机器人定位方法，采用激光雷达SLAM和视觉SLAM结合的方式获得机器人的位姿信息，同时利用惯性单元和机器人里程计等传感器提供的信息进行位置估计，实现机器人准确的定位与导航。
(4)系统实现与测试
本研究最终的目标是实现基于多传感器的机器人环境建模与导航系统，并通过实验和模拟环境对其进行测试和评估。
2.技术路线
针对以上研究内容，本研究将采取分步骤的技术路线：
(1)环境预处理
对采集到的三维点云数据和颜色图像数据进行纠正和滤波，使其符合后续处理的要求。
(2)环境建模
在环境预处理后，将三维点云数据和颜色图像数据进行输入，并进行特征提取、匹配和配准处理，将建立起来的三维点云数据进行语意提取处理，最终生成完整的环境模型。
(3)定位导航
在环境建模完成后，将所获取到的环境信息进行整合，建立地图和场景模型，并通过集成多传感器获得机器人定位信息，并基于此完成机器人的导航。
(4)系统实现与测试
在完成前三项任务后，将开展系统实现并制作相应的实验测试环境，对本研究所提出的多传感器机器人环境建模与导航进行测试和评估。
三、预期目标和成果
通过本研究，预计能够实现以下目标和成果：
1.实现基于多传感器的机器人环境建模与导航系统，并优化相关算法和流程。
2.在实验和测试中，对本研究所提出的多传感器机器人环境建模与导航进行测试和评估，并分析系统效果与性能。
3.创新性地解决机器人环境建模与导航中一些关键问题，实现由机器人感知到环境建模、定位、导航的端到端系统。
四、研究计划和进度安排
1.准备阶段(3个月)
(1)研究前期资料的查阅和收集
(2)环境预处理算法的实现和优化
2.环境建模阶段(6个月)
(1)特征提取与匹配算法的设计与实现
(2)三维点云和图像数据配准算法的实现与优化
(3)环境模型的优化与结果可视化
3.定位导航阶段(6个月)
(1)多传感器信息融合算法的设计与实现
(2)机器人定位与导航算法的实现与测试
(3)定位精度和导航路径规划的优化
4.实验测试阶段(3个月)
(1)系统实现与测试环境搭建
(2)多传感器机器人环境建模与导航系统的测试与评估
5.论文撰写阶段(2个月)
(1)研究总结
(2)论文撰写与提交
五、预计所需要的经费预算
本研究预计所需要的经费预算如下：
1.设备费用：机器人平台、三维激光雷达、摄像头、惯性测量单元、计算机及软件等设备费用，共计20万。
2.实验测试费用：测试场地租用、实验材料、激光雷达等传感器的租赁费用，共计10万元。
3.出版费用：论文发表费用和专业外语编辑等费用，共计1万元。
总计预算费用共31万元。