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基于位姿估计的云机器人实时通信研究

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摘要

第1章绪论

1.1课题研究背景与研究意义

1.1.1研究背景

1.1.2研究意义

1.2.1云机器人研究现状

1.2.2单目视觉里程计研究现状

1.3论文内容与章节安排

第2章RGB-D图像序列获取和处理

2.1.1 Kinect视觉平台

2.1.2 OpenNI框架

2.1.3 Kinect图像获取

2.2 RGB-D图像融合及信息转换

2.2.1彩色图像与深度图像对齐

2.2.2 ROS下CV_Bridge图像信息转换

2.2.3 ROS下MSG消息传输机制

2.3彩色图像视觉特征处理

2.3.1基于FAST算法的视觉特征提取

2.3.2 BRIEF算法的视觉特征描述与匹配

2.3.3 RANSAC算法除噪

2.4本章小结

第3章基于位姿阈值的关键帧提取

3.1.1视觉里程计阐述

3.1.2运动图像序列的特征跟踪

3.2机器人运动估计

3.2.1旋转运动的表示

3.2.2奇异值分解求解运动信息

3.3图像序列关键帧提取

3.3.1运动阈值设计

3.3.2旋转矩阵转化为旋转角

3.3.3关键帧提取与验证算法

3.3.4关键帧提取实验与分析

3.4本章小结

第4章机器人系统与AWS云计算平台搭建

4.1.1 ROS系统框架

4.1.2机器人硬件系统

4.2 AWS亚马逊云服务

4.2.1 AWS云服务

4.2.2 AWS基础存储架构Dynamo

4.2.3 EC2弹性计算云

4.2.4 EC2的负载均衡和通信机制

4.3.1 AWS机器镜像选择

4.3.2 EC2实例创建及安全组设定

4.3.3 EC2实例访问连接与容错机制

4.4本章小结

第5章数据通信协议与传输链路设计

5.1图像传输通信协议

5.1.1 TCP/IP协议

5.1.2 Websocket通信协议

5.2通信链路设计

5.2.1基于socket的通信链路

5.2.2基于RosBridge的通信链路

5.3.1通信链路实验

5.3.2通信链路实验性能分析

5.4本章小结

第6章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

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摘要

随着机器人及图像视觉的快速发展,提高机器人的计算能力和存储能力显得尤为重要。由于云计算在计算能力和存储能力上的优势,以及在软件开发模块化和系统应用的鲁棒性上的优势,云机器人成为机器人研究领域的一个热点研究方向。本文针对室内场景下的运动机器人,开展基于单目视觉里程计的图像关键帧提取研究以及云机器人通信研究,结合ROS机器人操作系统,构建了基于机器人运动的位姿信息的云机器人通信研究系统。 在机器人所在的室内场景下,本文利用单目视觉里程计算法,通过彩色图像序列获取机器人的旋转和平移运动信息。视觉里程计是机器人位姿运动信息获取的一种重要方法,算法的精度和算法的时间复杂度呈正相关性关系,与算法的实时性呈负相关性关系。为了提高算法的实时性性能,本文采用ORB特征匹配算法作为特征处理算法,在保证精度要求的同时,提高了系统的实时性。在获取到机器人的位姿信息后,对机器人的位姿运动进行阈值设定,分别考虑了机器人中的旋转运动和平移运动。通过对旋转量和平移量的加权处理获取合理的阈值,以提高图像序列中关键帧提取的有效性和准确性。 在云机器人通信方面,本文充分考虑了通信协议与机器人传感器信息的编解码以及数据格式的通用性等问题,提出了基于RosBridge的通信协议。这种通信协议是对Socket通信协议和Websocket通信协议的综合利用,在保证传感器信息传输流畅的前提下,利用RosBridge与ROS机器人操作系统的兼容特性,保证通信链路的通用性能。 本文构建了云机器人实时通信实验系统。其中包括机器人硬件系统和基于AWS亚马逊云服务的云计算系统。通过对iRobot Create机器人的运动控制,利用Kinect获取机器人运动场景中的RGB-D图像序列信息,然后对关键帧图像进行提取。通过基于RosBridge的通信方式,将图像传输到AWS亚马逊云服务中的EC2弹性计算云进行处理。 最后,对所展开的研究工作进行总结,并为进一步的研究工作提出了展望。

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