基于轮式机器人的实时3D栅格地图构建

移动机器人在各种任务中需要进行建图、定位和路径规划，但是目前的视觉SLAM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的地图。因此，在ORB_SLAM2的基础上，与RGB-D相机相结合，提出了一种实时3D栅格地图构建算法。建立了一个逆传感器模型（Inverse Sensor Model，ISM）；针对ISM模型，重新构建了3D栅格地图的算法；联合ORB_SLAM2进行数据集实验、仿真环境实验和实时构建实验。经实验验证，该算法能够利用ORB_SLAM2实时构建出具有尺度的3D栅格地图，且能够清晰地显示障碍物位置，验证了该算法的有效性。     

基于VSLAM的自主移动机器人三维同时定位与地图构建

移动机器人在探索未知环境且没有外部参考系统的情况下,面临着同时定位和地图构建（SLAM）问题。针对基于特征的视觉SLAM（VSLAM）算法构建的稀疏地图不利于机器人应用的问题,提出一种基于八叉树结构的高效、紧凑的地图构建算法。首先,根据关键帧的位姿和深度数据,构建图像对应场景的点云地图;然后利用八叉树地图技术进行处理,构建出了适合于机器人应用的地图。将所提算法同RGB-D SLAM（RGB-Depth SLAM）算法、ElasticFusion算法和ORB-SLAM（Oriented FAST and Rotated BRIEF SLAM）算法通过权威数据集进行了对比实验,实验结果表明,所提算法具有较高的有效性、精度和鲁棒性。最后,搭建了自主移动机器人,将改进的VSLAM系统应用到移动机器人中,能够实时地完成自主避障和三维地图构建,解决稀疏地图无法用于避障和导航的问题。     

动态环境下基于深度学习的语义SLAM算法

针对应用场景中存在的运动物体会降低视觉同步定位与地图构建（SLAM）系统的定位精度和鲁棒性的问题,提出一种基于语义信息的动态环境下的视觉SLAM算法。首先,将传统视觉SLAM前端与YOLOv4目标检测算法相结合,在对输入图像进行ORB特征提取的同时,对该图像进行语义分割;然后,判断目标类型以获得动态目标在图像中的区域,剔除分布在动态物体上的特征点;最后,使用处理后的特征点与相邻帧进行帧间匹配来求解相机位姿。实验采用TUM数据集进行测试,测试结果表明,所提算法相较于ORB-SLAM2在高动态环境下在位姿估计精度上提升了96.78%,同时该算法的跟踪线程处理一帧的平均耗时为0.065 5 s,相较于其他应用在动态环境下的SLAM算法耗时最短。实验结果表明,所提算法能够实现在动态环境中的实时精确定位与建图。     

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。     

基于动态耦合与空间数据关联的RGB-D SLAM算法

为了解决动态环境下视觉SLAM（同步定位与地图创建）算法定位与建图精度下降的问题,提出了一种基于动态耦合与空间数据关联的RGB-D SLAM算法。首先,使用语义网络获得预处理的语义分割图像,并利用边缘检测算法和相邻语义判定获得完整的语义动态物体;其次,利用稠密直接法模块实现对相机姿态的初始估计,这里动态耦合分数值的计算在利用了传统的动态区域剔除之外,还使用了空间平面一致性判据和深度信息筛选;然后,结合空间数据关联算法和相机位姿实时更新地图点集,并利用最小化重投影误差和闭环优化线程完成对相机位姿的优化;最后,使用相机位姿和地图点集构建八叉树稠密地图,实现从平面到空间的动态区域剔除,完成静态地图在动态环境下的构建。根据高动态环境下TUM数据集测试结果,本文算法定位误差相比于ORB-SLAM算法减小了约90%,有效提高了RGB-D SLAM算法的定位精度和相机位姿估计精度。     

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。     

基于惯性/磁力传感器与单目视觉融合的SLAM方法

针对单目视觉SLAM（同时定位与地图构建）算法没有尺度信息以及在相机移动过快时无法使用的问题,提出了一种IMU（惯性测量单元）!!/磁力传感器与单目视觉融合的SLAM方法．首先,提出了一种模糊自适应的九轴姿态融合算法,对IMU的航向角进行高精度估计．然后,采用单目ORB-SLAM2（oriented FAST and rotated BRIEF SLAM2）算法,通过IMU估计其尺度因子,并对其输出的位姿信息进行尺度转换．最后,采用松耦合方式,对IMU估计的位姿和ORB-SLAM2算法经过尺度转换后的位姿,进行卡尔曼滤波融合．在公开数据集EuRoC上进行了测试,测试结果表明本文方法总的位置均方根误差为5.73 cm．为了进一步在实际环境中验证,设计了全向移动平台,以平台上激光雷达所测的位姿数据为基准,测试结果表明本文方法的旋转角度误差小于5°,总的位置均方根误差为9.76 cm．     

基于激光雷达增强的视觉SLAM多机器人协作地图构建方法的研究

针对光线强度对机器人视觉同步定位与地图构建（Simultaneous Localization and Mapping, SLAM）建图信息量、时效性和鲁棒性影响大的问题,提出一种基于激光雷达（Light Detection And Ranging,LiDAR）增强的视觉SLAM多机器人协作地图构建方法。在地图构建过程中,将LiDAR深度测量值集成到现有的特征点检测和特征描述子同步定位与地图构建（Oriented FAST and Rotated BRIEF-Simultaneous Localization and Mapping,ORB-SLAM3）算法中,利用改进的扩展卡尔曼滤波算法将激光雷达的高精度数据和视觉传感器的时序信息融合在一起,获得单个机器人的位姿状态,结合深度图进行单个机器人稠密点云地图的构建;利用关键帧跟踪模型和迭代最近点（Iterative Closest Point, ICP）算法得到存在共识关系的机器人之间的坐标转换关系,进而得到各机器人的世界坐标系,在世界坐标系中实现多机器人协作地图的融合与构建。在Gazebo仿真平台中实验验证了方法的时效性和鲁棒性。     

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。     

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。     

Grid-Based Visual SLAM in Complex Environments

This paper presents a novel approach to the real-time SLAM problem that works in unstructured indoor environment with a single forward viewing camera. Most existing visual SLAM extract features from the environment, associate them in different images and produce a feature map as a result. However, we estimate the distances between the robot and the obstacles by applying a visual sonar ranging technique to the image and then associate this range data through the Iterative Closest Point (ICP) algorithm and finally produce a grid map. Moreover, we construct a pseudo-dense scan (PDS) which is essentially a temporal accumulation of data, emulating a dense omni-directional sensing of the visual sonar readings based on odometry readings in order to overcome the sparseness of the visual sonar and then associate this scan with the previous one. Moreover, we further correct the slight trajectory error incurred in the PDS construction step to obtain a much more refined map using Sequential Quadratic Programming (SQP) which is a well-known optimization scheme. Experimental results show that our method can obtain an accurate grid map using a single camera alone without the need for more expensive.     

Map building through pseudo dense scan matching using visual sonar data

This paper presents a novel approach to the vision based grid map building and localization problem that works in a complex indoor environment with a single forward viewing camera. Most existing visual SLAM has been limited to the feature-based method and only a few researchers have proposed visual SLAM methods for building a grid map using a stereo vision system which has not been popular in practical application. In this paper, we estimate the planar depth by applying a simple visual sonar ranging technique to the single camera image and then associating sequential scans through our own pseudo dense adaptive scan matching algorithm reducing the processing time compared to the standard point-to-point correspondence based algorithm and finally produce a grid map. To this end, we construct a Pseudo Dense Scan (PDS) which is an odometry based temporal accumulation of the visual sonar readings emulating omni-directional sensing in order to overcome the sparseness of the visual sonar. Moreover, in order to obtain a much more refined map, we further correct the slight trajectory error incurred in the PDS construction step using Sequential Quadratic Programming (SQP) which is a well-known optimization scheme. Experimental results show that our method can obtain an accurate grid map using a single camera without the need for a high price range sensors or stereo camera.

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。     

复杂场景下视觉先验信息的地图恢复SLAM

目的 目前已有的单目视觉SLAM（simultaneous localization and mapping）系统每次开始运行时都将初始帧而不是绝对位置设置为参考帧,不能在一个固定的坐标系中获得位姿,导致无法重用已有的建图信息,而且在复杂场景中相机容易跟踪失败,需要当前帧与已有的关键帧非常相似时才能重定位并继续建图。针对这个问题,提出一种具有重新初始化、地图重用与地图恢复能力的视觉SLAM系统。方法 首先,加载先验地图,通过ORB（oriented brief）特征匹配SLAM系统当前帧与先验地图关键帧,并结合重定位方法完成SLAM系统的初始化。接着,为了避免丢失地图,建立一种应对SLAM系统跟踪失败的地图保存机制,保存跟踪成功地图,并提出一种自适应快速重新初始化算法,引入灭点检测,自动选择最佳重新初始化策略,保证SLAM系统继续跟踪与建图,建立的地图称为恢复地图。最后,对于跟踪成功地图与恢复地图,采用改进的回环方法获得它们之间的转换关系,并提出一种地图恢复法,减少跟踪成功地图与恢复地图尺度不一带来的误差,确保得到的全局一致地图更加准确。结果 在经过加噪处理的KITTI数据集上进行地图恢复融合的测试,实验结果表明,在KITTI00、KITTI02、KITTI05数据集下,本文提出的SLAM系统比ORB-SLAM2系统分别可以多获得39.25%、47.75%、32.46%的地图信息。在EuRoC数据集上的运行结果表明,本文提出的单目视觉SLAM系统不仅在建图精度方面与ORB-SLAM2效果相当,还在跟踪稳定性方面有显著提升。结论 本文提出的SLAM系统可以在跟踪失败的情况下有效恢复地图;此外,还可以高效重用SLAM系统已有的建图结果,固定SLAM地图坐标系,提升SLAM系统运行稳定性。