To build commercial robots, skid-steering mechanical design is of increased popularity due to its manufacturing simplicity and unique mechanism. However, these also cause significant challenges on software and algorithm design, especially for pose estimation (i.e., determining the robot's rotation and position), which is the prerequisite of autonomous navigation. While the general localization algorithms have been extensively studied in research communities, there are still fundamental problems that need to be resolved for localizing skid-steering robots that change their orientation with a skid. To tackle this problem, we propose a probabilistic sliding-window estimator dedicated to skid-steering robots, using measurements from a monocular camera, the wheel encoders, and optionally an inertial measurement unit (IMU). Specifically, we explicitly model the kinematics of skid-steering robots by both track instantaneous centers of rotation (ICRs) and correction factors, which are capable of compensating for the complexity of track-to-terrain interaction, the imperfectness of mechanical design, terrain conditions and smoothness, and so on. To prevent performance reduction in robots' lifelong missions, the time- and location- varying kinematic parameters are estimated online along with pose estimation states in a tightly-coupled manner. More importantly, we conduct in-depth observability analysis for different sensors and design configurations in this paper, which provides us with theoretical tools in making the correct choice when building real commercial robots. In our experiments, we validate the proposed method by both simulation tests and real-world experiments, which demonstrate that our method outperforms competing methods by wide margins.


翻译:为了建立商业机器人,滑板机械设计因其制造的简单性和独特机制而越来越受欢迎。然而,这也给软件和算法设计带来重大挑战,特别是作为自主导航先决条件的估算(即确定机器人的旋转和位置),这是自主导航的先决条件。尽管一般的本地化算法已经在研究界进行了广泛研究,但对于以滑雪方式改变方向的滑板机器人,仍需要解决一些根本性问题。为了解决这一问题,我们提议建立一个用于滑动机器人的概率性滑动窗口估计器,专门用于滑动机器人,使用单筒相机、轮式编码器和可选惯性测量器(IMU)的测量仪。具体地说,我们明确以瞬间旋转中心(ICRs)和校正因素来模拟滑动机器人的运动运动,这可以通过轨迹对梯度的模拟、机械设计不完善、地形条件和平滑滑度的模拟器来补偿。 为了防止动作的运行率下降,我们用更精确的方式,我们用更精确的方式在不断的轨道定位上展示了我们的行为方式,在不断的轨道上展示了一种更精确的计算方法。

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