单目同时定位与建图中的地图恢复融合技术

目的 传统的单目视觉SLAM（simultaneous localization and mapping）跟踪失败后需要相机重新回到丢失的位置才能重定位并恢复建图,这极大限制了单目SLAM的应用场景。为解决这一问题,提出一种基于视觉惯性传感器融合的地图恢复融合算法。方法 当系统跟踪失败,仅由惯性传感器提供相机位姿,通过对系统重新初始化并结合惯性传感器提供的丢失部分的相机位姿将丢失前的地图融合到当前的地图中;为解决视觉跟踪丢失期间由惯性测量计算导致的相机位姿误差,提出了一种以关键帧之间的共视关系为依据的跳跃式的匹配搜索策略,快速获得匹配地图点,再通过非线性优化求解匹配点之间的运动估计,进行误差补偿,获得更加准确的相机位姿,并删减融合后重复的点云;最后建立前后两个地图中关键帧之间与地图点之间的联系,用于联合优化后续的跟踪建图过程中相机位姿和地图点位置。结果 利用Euroc数据集及其他数据进行地图精度和地图完整性实验,在精度方面,将本文算法得到的轨迹与ground truth和未丢失情况下得到的轨迹进行对比,结果表明,在SLAM系统跟踪失败的情况下,此方法能有效解决系统无法继续跟踪建图的问题,其精度可达厘米级别。在30 m²的室内环境中,仅有9 cm的误差,而在300 m²工厂环境中误差仅有7 cm。在完整性方面,在相机运动较剧烈的情况下,恢复地图的完整性优于ORB_SLAM的重定位算法,通过本文算法得到的地图关键帧数量比ORB_SLAM多30%。结论 本文提出的算法在单目视觉SLAM系统跟踪失败之后,仍然能够继续跟踪建图,不会丢失相机轨迹。此外,无需相机回到丢失之前的场景中,只需相机观察到部分丢失前场景,即可恢复融合所有地图。本文算法不仅保证了恢复地图的精度,还保证了建图的完整性。与传统的重定位方法相比,本文算法在系统建图较少时跟踪失败的情况下效果更好。     

基于语义概率预测的动态场景单目视觉SLAM

目的 基于视觉的同步定位与建图（visual-based simultaneous localization and mapping,vSLAM）是计算机视觉以及机器人领域中的关键技术,其通过对输入的图像进行处理分析来感知周围的3维环境以及进行自身的定位。现有的SLAM系统大多依赖静态世界假设,在真实环境中的动态物体会严重影响视觉SLAM系统的稳定运行。同时,场景中静止与运动部分往往和其语义有密切关系,因而可以借助场景中的语义信息来提升视觉SLAM系统在动态环境下的稳定性。为此,提出一种新的基于语义概率预测的面向动态场景的单目视觉SLAM算法。方法 结合语义分割的结果以及鲁棒性估计算法,通过对分割进行数据关联、状态检测,从概率的角度来表示观测的静止/运动状态,剔除动态物体上的观测对相机位姿估计的干扰,同时借助运动概率及时剔除失效的地图点,使系统在复杂动态的场景中依然能够稳定运行。结果 在本文构建的复杂动态场景数据集上,提出的方法在跟踪精度和完整度上都显著优于现有的单目视觉SLAM方法,而且在TUM-RGBD数据集中的多个高动态序列上也取得了更好的结果。此外,本文定性比较了动态场景下的建图质量以及AR（augmented reality）效果。结果表明,本文方法明显优于对比方法。结论 本文通过结合语义分割信息以及鲁棒性估计算法,对分割区域进行数据关联以及运动状态检测,以概率的形式表示2D观测的运动状态,同时及时剔除失效地图点,使相机位姿估计的精度以及建图质量有了明显提升,有效提高了单目视觉SLAM在高度动态环境中运行的鲁棒性。     

鲁棒的非线性优化的立体视觉－惯导SLAM

针对基于视觉特征的同时定位与地图构建（SLAM）系统在图像模糊、运动过快和特征缺失的情况下存在鲁棒性和精度急剧下降甚至失败的问题,提出了紧耦合的非线性优化的立体视觉-惯导SLAM系统．首先,以关键帧的位姿作为约束,采用分而治之的策略估计惯性测量单元（IMU）的偏差．在前端,针对ORB-SLAM2在跟踪过程中由于运动过快导致匀速运动模型失效的问题,通过预积分上一帧到当前帧的IMU数据,预测当前帧的初始位姿,并在位姿优化中加入了IMU预积分约束．然后,在后端优化中,在滑动窗口内优化关键帧的位姿、地图点和IMU预积分,并更新IMU的偏差．最后,通过EuRoC数据集验证该系统的性能,对比ORB-SLAM2系统、VINS-Mono系统和OKVIS系统,该系统的精度分别提高了1.14倍、1.48倍和4.59倍;相比前沿的SLAM系统,该系统在快速运动、图像模糊和特征缺失条件下的鲁棒性也得到了提高．     

动态环境下基于动态区域剔除的双目视觉SLAM算法

现有的同步定位与地图创建(SLAM)算法在动态环境中的定位与建图精度通常会大幅度下降,为此提出了一种基于动态区域剔除的双目视觉SLAM算法.首先,基于立体视觉几何约束方法判别场景中动态的稀疏特征点,接下来根据场景深度和颜色信息进行场景区域分割;然后利用动态点与场景分割结果标记出场景中的动态区域,进而剔除现有双目ORB-SLAM算法中动态区域内的特征点,消除场景中的动态目标对SLAM精度的影响;最后进行实验验证,本文算法在KITTI数据集上的动态区域分割查全率达到92.31%.在室外动态环境下,视觉导盲仪测试中动态区域分割查全率达到93.62%,较改进前的双目ORB-SLAM算法的直线行走定位精度提高82.75%,环境建图效果也明显改善,算法的平均处理速度达到4.6帧/秒.实验结果表明本文算法能够显著提高双目视觉SLAM算法在动态场景中的定位与建图精度,且能够满足视觉导盲的实时性要求.     

基于时空一致性的相机定位与地图重建算法

为了提高SLAM(同时定位与地图构建)的精确性,提出一种基于时空一致性的单目相机SLAM算法.稳定的特征点具有以下2个特性:一是出现在连续的多帧图像中;二是能够被多个不同视角的相机观察到.本文分别使用时间一致性和空间一致性(简称时空一致性)描述上述2个特征.利用时间一致性的策略确定插入关键帧的时机,利用空间一致性的策略严格筛选3维点云.在KITTI数据集中,本文与ORB-SLAM (基于ORB特征的SLAM系统)算法相比较,本文方法需要选取的关键帧数量更少,使得局部优化线程中关键帧位姿能够得到更加充分的优化,处理速度可达35帧/秒,能够满足实时性要求.实验表明本文方法能够有效地降低误差,提高SLAM的精确性.     

基于分级关键帧筛选的RGB-D SLAM算法研究

利用关键帧求解SLAM算法(simultaneous localization and mapping)能够提高SLAM系统的实时性与精确度。针对现存关键帧筛选算法中存在的计算复杂度高、图像帧冗余以及鲁棒性较差等问题,提出一种分级关键帧筛选方法。该算法考虑了SLAM系统在不同运行阶段时对关键帧的要求,首先结合旋转度指数与地图点跟踪筛选出一级关键帧用于后端优化与回环检测,再利用相邻帧在空间上的相对运动距离筛选出二级关键帧用于三维地图构建,最后,实现了基于此二级筛选算法的RGB-D SLAM系统。实验表明,一级关键帧算法能提高SLAM系统的定位和建图精度,二级关键帧算法则有效减少了数据冗余,提高了建图效率。     

一种基于改进闭环检测的视觉SLAM算法

针对视觉SLAM中由于视觉里程计存在累积误差导致难以构建全局一致的地图的问题,提出一种基于改进闭环检测的视觉SLAM算法。通过差分信息熵删除冗余关键帧;利用基于词袋模型(bag of words, BoW)改进的金字塔得分函数检测闭环,提高闭环的识别率,并通过改进的感知哈希算法对提取的闭环候选帧进行几何验证,剔除差别较大的候选帧。整个闭环检测算法结合ORB-SLAM2框架进行特征点提取、相机位姿估计和g2o图优化。利用标准RGBD SLAM数据集进行算法验证,实验结果表明,该算法能够有效降低SLAM系统的累积误差,实现更加准确的位姿估计,并且满足机器人建图的实时性要求。     

面向半稠密三维重建的改进单目ORB-SLAM

构建更详细的地图以及估计更精准的相机位姿一直都是同时定位与地图构建（Simultaneous Localization And Mapping,SLAM）技术所追求的目标,但是以上目标与实时性要求、较低的计算代价和受限的计算资源条件是相矛盾的。提出一种在单目ORB-SLAM（Oriented FAST and Rotated BRIEF-SLAM）方法的基础上利用关键帧中提取到的直线特征进行半稠密三维重建的方法。由ORB-SLAM实时提供一组关键帧及其对应的相机位姿信息和一系列地图点,提出一种关键帧再剔除算法进一步减少冗余帧数目,使用直线段提取方法提取各帧中的直线段,使用纯几何约束方法对以上检测得到的直线段进行匹配,生成一个由直线段构成的半稠密三维场景模型。实验结果表明新方法持续稳定的运行,能在低计算代价条件下快速地在线三维重建。     

激光—相机系统语义栅格建图和路径规划

目的 SLAM（simultaneous localization and mapping）是移动机器人在未知环境进行探索、感知和导航的关键技术。激光SLAM测量精确，便于机器人导航和路径规划，但缺乏语义信息。而视觉SLAM的图像能提供丰富的语义信息，特征区分度更高，但其构建的地图不能直接用于路径规划和导航。为了实现移动机器人构建语义地图并在地图上进行路径规划，本文提出一种语义栅格建图方法。方法 建立可同步获取激光和语义数据的激光-相机系统，将采集的激光分割数据与目标检测算法获得的物体包围盒进行匹配，得到各物体对应的语义激光分割数据。将连续多帧语义激光分割数据同步融入占据栅格地图。对具有不同语义类别的栅格进行聚类，得到标注物体类别和轮廓的语义栅格地图。此外，针对语义栅格地图发布导航任务，利用路径搜索算法进行路径规划，并对其进行改进。结果 在实验室走廊和办公室分别进行了语义栅格建图的实验，并与原始栅格地图进行了比较。在语义栅格地图的基础上进行了路径规划，并采用了语义赋权算法对易移动物体的路径进行对比。结论 多种环境下的实验表明本文方法能获得与真实环境一致性较高、标注环境中物体类别和轮廓的语义栅格地图，且实验硬件结构简单、成本低、性能良好，适用于智能化机器人的导航和路径规划。     

结合语义信息与3D点云技术的未知环境地图构建方法

目的 机器人在进行同时定位与地图构建（simultaneous localization and mapping,SLAM）时需要有效利用未知复杂环境的场景信息,针对现有SLAM算法对场景细节理解不够及建图细节信息缺失的问题,本文构造出一种将SLAM点云定位技术与语义分割网络相结合的未知环境地图构建方法,实现高精度三维地图重建。方法 首先,利用场景的实时彩色信息进行相机的位姿估计,并构造融合空间多尺度稀疏及稠密特征的深度学习网络HieSemNet（hierarchical semantic network）,对未知场景信息进行语义分割,得到场景的实时二维语义信息;其次,利用深度信息和相机位姿进行空间点云估计,并将二维语义分割信息与三维点云信息融合,使语义分割的结果对应到点云的相应空间位置,构建出具有语义信息的高精度点云地图,实现三维地图重建。结果 为验证本文方法的有效性,分别针对所构造的HieSemNet网络和语义SLAM系统进行验证实验。实验结果表明,本文的网络在平均像素准确度和平均交并比上均取得了较好的精度,MPA（mean pixel accuracy）指标相较于其他网络分别提高了17.47%、11.67%、4.86%、2.90%和0.44%,MIoU（mean intersection over union）指标分别提高了13.94%、1.10%、6.28%、2.28%和0.62%。本文的SLAM算法可以获得更多的建图信息,构建的地图精度和准确度都更好。结论 本文方法充分考虑了不同尺寸物体的分割效果,提出的HieSemNet网络能有效提高场景语义分割准确性,此外,与现有的前沿语义SLAM系统相比,本文方法能够明显提高建图的精度和准确度,获得更高质量的地图。     

面向数据共享的多无人机协同SLAM方法

协同即时定位与地图构建(SLAM)建立在多无人机的联合感知能力之上,通过局部地图的交互融合构建一个增量式全局环境地图,以提高多无人机任务协同的准确性、实时性和鲁棒性.针对多无人系统协同定位与构图中数据高效共享与利用的难题,面向快速、准确、大范围多机协同SLAM需求,本文提出了一种基于集中式架构的多无人机局部地图数据高效...     

一种结合光流追踪的双目视觉里程计算法

针对特征点法视觉里程计频繁计算和匹配描述子导致系统实时性能变差的问题,提出一种结合光流追踪的双目视觉里程计算法;首先进行初始化,生成初始的关键帧和地图点,随后在追踪线程中使用光流追踪特征点获取匹配关系,计算并优化相机位姿;满足生成关键帧的条件后,将当前帧设置为关键帧,提取图像的ORB特征点,并使用描述子匹配获取与上一关键帧特征点的匹配关系,三角化生成新的地图点;最后在优化线程中将新的关键帧和地图点使用滑动窗口算法进行优化,剔除冗余关键帧和地图点;在KITTI数据集上的实验结果表明,所提出的算法轨迹误差与双目模式下的ORB-SLAM3算法处于同一水平,同时实时性能有大幅度提高,追踪每一帧图像的平均时间从52ms降至16ms,在保证高精度的情况下运行速度大大提高,具有较高的实用价值.     

集成RGB-D语义分割网络的室内语义地图构建

针对传统视觉SLAM准确度低、实时性差、缺乏语义的问题,提出一种全新的RGB-D语义分割网络,利用室内场景中受光照等条件影响较小的深度信息来提高分割的准确性,并且设计了轻量级多尺度残差模块(MRAM)和空间金字塔池化模块(ASPP)来轻量化分割网络、提高分割的精度。首先输入的图像序列进入ORB-SLAM2网络进行关键帧筛选,之后关键帧送入语义分割网络得到二维语义标签,再将二维语义信息映射到三维点云空间,最后使用贝叶斯算法更新三维地图得到全局一致的三维点云语义地图。实验采用NYUv2数据集验证语义分割网络性能,采用TUM数据集构建点云语义地图,结果表明,提出的语义分割网络性能和速度优于现有的模型,且此语义分割网络与视觉SLAM相结合可以满足高精度、实时的稠密三维语义点云地图构建要求。     

基于ORB-SLAM2的实时网格地图构建

针对目前视觉SLAM（同时定位与地图构建）系统只能输出相机的运动轨迹图而不能生成用于路径规划和导航地图的缺点,提出了一种基于ORB-SLAM2的网格地图实时构建算法。首先,建立了一个适用于视觉SLAM的逆传感器模型（inverse sensor model,ISM）;针对ISM模型重新编排了网格地图算法的构建机制,并对其进行详细推导;最后,介绍了ORB-SLAM2网格地图构建的具体实施方案。通过实验,对ISM模型和网格地图模型进行分析,确保了算法的可行性;用单目相机和RGB-D深度相机进行实时实验,实现了网格地图的实时构建,且能够清晰地显现出障碍物位置,验证了所提算法的有效性。     

完全在线的双目直接法视觉SLAM算法

视觉SLAM在机器人的室外作业如野外探索、定位侦察中扮演了重要角色.为了使得机器人可以更好地进行室外作业,提出一种不受词袋模型的固定词汇限制的完全在线实时双目直接法视觉SLAM算法.作为直接法视觉SLAM,所提到的系统可以利用任何具有足够强度梯度的图像像素,使其在缺少特征点的区域仍具有很强的鲁棒性.在系统算法中引入双目静态残差约束并去除遮挡的滑窗优化来增强系统的跟踪精度,增加闭环检测和位姿图优化模块,并建立在线词袋模型,使得系统在大规模且陌生的环境中依然可以进行工作.将此算法在公开的EuRoC数据集和KITTI数据集上进行性能评估,结果表明,所提出的系统的定位精度优于最先进的直接法视觉SLAM系统,且室内场景和室外场景均具有鲁棒性.     

基于语义分割动态特征点剔除的SLAM算法

针对动态物体容易干扰SLAM建图准确性的问题,提出了一种新的动态环境下的RGB-D SLAM框架,将深度学习中的神经网络与运动信息相结合。首先,算法使用Mask R-CNN网络检测可能生成动态对象掩模的潜在运动对象。其次,算法将光流方法和Mask R-CNN相结合进行全动态特征点的剔除。最后在TUM RGB-D数据集下的实验结果表明,该方法可以提高SLAM系统在动态环境下的位姿估计精度,比现有的ORB-SLAM2的表现效果更好。     

基于空洞补全的动态SLAM方法

视觉同步定位与建图（simultaneous localization and mapping,SLAM）是智能机器人、无人驾驶等领域的核心技术。通常大多数视觉SLAM关注的是静态场景,它们难以应用于动态场景,也有一些视觉SLAM应用于动态场景,它们借助神经网络来剔除动态物体从而减少动态物体的干扰,但剔除后的图像留有的...