机器人同时定位与地图构建技术研究*

移动机器人同时定位与地图创建是实现未知环境下机器人自主导航的关键性技术,具有广泛的应用前景,也是目前机器人研究的热门课题之一。针对国内外近年来关于移动机器人同时定位与地图创建的研究工作进行了总结和分析,重点介绍了机器人的地图创建方法类别、基于概率理论的自主定位方法、同时定位与地图创建的问题描述及研究方法等方面的发展现状及存在的不足。     

基于RGB-D图像的室内机器人同时定位与地图构建

同时定位与地图构建（SLAM）是机器人在未知环境实现自主导航的关键技术,针对目前常用的RGB-D SLAM系统实时性差和精确度低的问题,提出一种新的RGB-D SLAM系统,以进一步提升实时性和精确度。首先,采用ORB算法检测图像特征点,并对提取的特征点采用基于四叉树的均匀化策略进行处理,并结合词袋模型（BoW）进行特征匹配。然后,在系统相机姿态初始值估计阶段,结合PnP和非线性优化方法为后端优化提供一个更接近最优值的初始值;在后端优化中,使用光束法平差（BA）对相机姿态初始值进行迭代优化,从而得到相机姿态的最优值。最后,根据相机姿态和每帧点云地图的对应关系,将所有的点云数据注册到同一个坐标系中,得到场景的稠密点云地图,并对点云地图利用八叉树进行递归式的压缩以得到一种用于机器人导航的三维地图。在TUM RGB-D数据集上,将构建的RGB-D SLAM同RGB-D SLAMv2、ORB-SLAM2系统进行了对比,实验结果表明所构建的RGB-D SLAM系统在实时性和精确度上的综合表现更优。     

基于RGB-D图像的室内机器人同时定位与地图构建

同时定位与地图构建（SLAM）是机器人在未知环境实现自主导航的关键技术，针对目前常用的RGB-D SLAM系统实时性差和精确度低的问题，提出一种新的RGB-D SLAM系统，以进一步提升实时性和精确度。首先，采用ORB算法检测图像特征点，并对提取的特征点采用基于四叉树的均匀化策略进行处理，并结合词袋模型（BoW）进行特征匹配。然后，在系统相机姿态初始值估计阶段，结合PnP和非线性优化方法为后端优化提供一个更接近最优值的初始值；在后端优化中，使用光束法平差（BA）对相机姿态初始值进行迭代优化，从而得到相机姿态的最优值。最后，根据相机姿态和每帧点云地图的对应关系，将所有的点云数据注册到同一个坐标系中，得到场景的稠密点云地图，并对点云地图利用八叉树进行递归式的压缩以得到一种用于机器人导航的三维地图。在TUM RGB-D数据集上，将构建的RGB-D SLAM同RGB-D SLAMv2、ORB-SLAM2系统进行了对比，实验结果表明所构建的RGB-D SLAM系统在实时性和精确度上的综合表现更优。     

基于环境特征的机器人同时定位与地图创建

移动机器人同时定位和地图创建是实现移动机器人完全自主导航的关键.本文提出了一个通用的移动机器人同时定位与地图创建基本框架,接着对扩展卡尔曼滤波器算法进行了详细的分析,最后通过基于点特征和扩展卡尔曼滤波器的同时定位与地图创建仿真实验,验证了框架的可行性.目的是为开展同时定位与地图创建的研究提供一种可行的研究方案,以推动我国移动机器人技术的发展.     

煤矿巡检机器人同步定位与地图构建方法研究

针对煤矿井下无GPS环境下巡检机器人自主定位问题,研究了基于激光雷达的同步定位与地图构建方法。首先建立激光雷达观测模型和里程计预测模型,将机器人定位和地图构建的实际问题转换为概率数学模型的逻辑推理问题。同时采用自适应蒙特卡罗定位算法进行机器人实时位姿估计,提出了根据粒子权重(地图的匹配度)进行重采样的方法,以去除权重小的粒子,实现了用较少、较好粒子精确表达机器人位姿的后验概率分布,满足机器人利用传感器在栅格地图上实时定位的需求。通过对Fast-SLAM算法进行优化,减少了粒子数量,缓解了粒子耗散,提高了地图构建的精确性。实验结果表明,基于激光雷达的同步定位与地图构建方法有效解决了巡检机器人实时位姿估计和环境地图构建的问题,结合自适应蒙特卡罗定位算法和优化Fast-SLAM算法提高了机器人定位的自适应性和地图构建的精确性。     

基于MIEKF的移动机器人同时定位与地图构建研究*

由于移动机器人处在未知并且不确定的环境中,主要采用基于概率的方法对同时定位与地图构建(SLAM)进行描述。本文建立了SLAM问题的概率表示模型,并对在解决SLAM问题中用最常用的扩展卡尔曼滤波(EKF)算法以及迭代扩展卡尔曼滤波(IEKF)算法进行描述。本文针对两种算法的缺陷和不足,将应用于跟踪领域的修正迭代扩展卡尔曼滤波算法(MIEKF)与SLAM思想结合,提出了一种新的基于MIEKF的SLAM算法。通过基于点特征的SLAM实验验证了该算法的有效性。     

基于直接法的视觉同时定位与地图构建技术综述

视觉同时定位与地图构建（V-SLAM）在机器人、无人机导航、自动驾驶等领域有着广泛的研究。直接法V-SLAM基于环境亮度不变性假设,跟踪相机的位姿并构建环境地图。针对直接法V-SLAM,首先简述其基本原理;然后分析、比较几种具有代表性的直接法V-SLAM系统;最后讨论直接法的优缺点和发展趋势,并进行了总结和展望。     

基于局部子地图方法的多机器人主动同时定位与地图创建

研究了多机器人在未知环境下以主动的方式协作完成同时定位与地图创建（SLAM）的问题．引入局部子地图方法,由每个机器人建立自身周围局部区域的子地图,使多个机器人之间的地图创建相互独立,从而对全局环境的SLAM问题进行分解．而每个机器人在建立局部子地图时将主动SLAM问题转化为多目标优化问题;机器人选取最优的控制输入,使定位与地图创建的准确性、信息增益以及多机器人之间的协调关系得到综合优化．最后,通过扩展的卡尔曼滤波器（EKF）对子地图进行融合得到全局地图．仿真结果验证了该方法的有效性．     

一种同时定位与地图构建的仿真系统

基于近年来流行的移动机器人同时定位与地图构建的方法,提出了一种仿真系统,详细地描述了系统的定义模型结构和运行方式流程。系统中采用了一种基于线性特征的环境地图描述方法。仿真系统中算法设计独立,扩充性好,仿真功能强大,方便了机器人定位算法的研究,为算法的实际运用奠定了基础。     

基于视觉的同时定位与地图构建方法综述

基于视觉的自主导航与路径规划是移动机器人研究的关键技术,对基于视觉的计算机导航与同时定位及地图构建（SLAM）方法近三十年的发展进行了总结和展望。将视觉导航分为室内导航和室外导航,并详细阐述了每一种子类型的特点和方法。对于室内视觉导航,列举了经典导航模型和技术方法,探讨了解决SLAM问题的最新进展：HTM-SLAM算法和基于特征的算法;对室外视觉导航,阐述了国际国内目前的研究动态。     

基于视觉的同时定位与地图构建的研究进展

基于视觉的同时定位与地图构建（VSLAM）是目前在机器人定位方面的热门研究课题,在机器人自身的定位以及场景识别、任务执行、路径规划等方面发挥着重要的作用。针对VSLAM的应用领域和发展趋势进行总结和归纳,分析了VSLAM的基本原理。在此基础上,从间接法和直接法两个方面对VSLAM关键技术和最新的研究进展进行了阐述,对比分析不同方法的优点和实现难点。最后展望了VSLAM的未来发展趋势和研究方向。     

基于激光雷达的同时定位与地图构建方法综述

首先分解激光SLAM的基本框架,分别对前端扫描匹配、后端优化、闭环检测与验证、地图构建四个模块近年来的主流算法进行总结;然后对基于滤波器和基于图优化两种激光SLAM框架下的代表性方案进行深入分析和比较;最后对激光SLAM的发展趋势进行展望。     

基于ROS与Kinect的移动机器人同时定位与地图构建

同时定位与地图构建(SLAM)技术一直以来都是移动机器人实现自主导航和避障的核心问题,移动机器人需要借助传感器来探测周围的物体同时构建出相应区域的地图。由于传统的1D和2D传感器,如超声波传感器、声呐和激光测距仪等在建图过程中无法检测出Z轴(垂直方向)上的信息,易增加机器人发生碰撞的概率,同时影响建图结果的精确度。本文利用Kinect作为机器人SLAM的传感器,将其采集到的三维信息转化成二维的激光数据进行地图构建,同时借助机器人操作系统(robot operating system,ROS)进行仿真分析和实际测试。结果表明Kinect可以弥补1D和2D传感器采集信息的不足,同时能够较好的保持建图的完整性和可靠性,适用于室内的移动机器人SLAM实现。     

基于粒子滤波的未知环境下机器人同时定位、地图构建与目标跟踪

为了解决机器人在未知环境下的目标跟踪问题,提出了一种基于粒子滤波的机器人同时定位、地图构建与目标跟踪方法．该方法采用Rao-Blackwellized粒子滤波器对机器人位姿状态、标志柱分布和目标位置同时进行估计．该方法中,粒子群的总体分布情况表征机器人位姿状态,而每个粒子均包含2类EKF滤波器,其中一类用来完成对标志柱分布的估计,另一类用来完成对目标状态的估计,粒子的权值则由粒子状态相对于标志柱和目标状态2类相似度共同产生．通过仿真和实体机器人实验验证了该方法的有效性．     

特征序列数据关联机器人同步定位与地图构建

针对噪声不确定性增大的数据关联问题,提出特征点序列数据关联机器人同步定位与地图构建方法。根据机器人环境特征点的空间几何信息,基于图论建立特征点间的信息相关性。利用相邻两步的特征点观测信息协方差的变化,转化成求解特征点TSP问题和特征序列最大相关函数,以此确定所观测特征点的数据关联。实验证明,提出的方法可在噪声不确定性增大的情况下,保证同步定位与地图构建算法的一致性。     

未知观测噪声时机器人同步定位与地图构建

对未知观测噪声的机器人同步定位与地图构建问题,提出基于神经网络PID自适应学习观测噪声的机器人同步定位与地图构建算法.已知系统噪声为高斯分布,噪声的方差未知,但其真值是在某个有限集合内.设计一个由神经网络PID控制器、观测噪声调整以及中值滤波构成的噪声在线辨识单元.通过自适应在线辨识观测噪声,并进行新息协方差平均值滤波,迭代修正观测噪声协方差,实现机器人同步定位精度的在线提高.实验表明,该算法可降低观测噪声先验信息不足的影响,减小定位误差.     

多机器人同步定位与地图构建的地图融合算法的改进

本文主要研究了多机器人同步定位与地图构建(SLAM)的地图实时融合问题.在本文中提出一种混合的SLAM算法(HybridSLAM)算法,可以同时观测和更新多个路标,并根据FastSLAM2.0思想利用选取的最准确的路标观测值来修正机器人位姿.然后,在改进HybridSLAM算法基础上,进一步提出一种改进的多机器人HybridSLAM算法(MR–IHybridSLAM).每个机器人在不同初始位置运行IHybridSLAM算法构建子地图,并将子地图信息实时发送到同一工作站中.根据卡尔曼滤波(KF)原理将每个机器人构建的子地图融合成全局地图.最后,通过仿真实验构建多机器人融合的特征地图并与单一机器人快速的SLAM算法(FastSLAM)和HybridSLAM算法构建的地图进行误差对比,进一步来验证该算法的准确性、快速性和可行性.     

基于改进Rao-Blackwellized粒子滤波器的 同时定位与地图构建

解决同时定位与地图构建(SLAM)问题是实现机器人自主导航的核心.目前,Rao-Blackwellized粒子滤波器(RBPF)是解决机器人同时定位与地图构建的有效方法.该方法在计算提议分布时,通常只考虑移动机器人的里程计信息,因此存在需要大量的采样粒子造成的计算量和复杂度增大的问题.本文提出一种改进算法,在计算提议分布时将机器人里程计信息和激光传感器采集的距离信息进行融合,有效地减少了所需粒子的数量并降低了滤波器预测阶段机器人位姿的不确定性.本文在机器人操作系统(robot operating system,ROS)平台上,使用配有URG激光器的Pioneer3-DX机器人进行了实验.结果表明,采用本文方法能够实时在线地创建高精度的栅格地图,为机器人在未知环境中的SLAM和导航提供了新途径.