基于粒子滤波器的移动机器人定位和地图创建研究进展

首先,对粒子滤波器的原理和研究进展进行了综述．然后,介绍了基于粒子滤波器的移动机器人定位研究进展．其次,给出了粒子滤波器在移动机器人地图创建领域的最新成果．最后,对粒子滤波器在移动机器人研究领域的未来发展方向进行了展望．     

基于Voronoi地图表示方法的同步定位与地图创建

针对基于混合米制地图机器人同步定位与地图创建 (Simultaneous localization and mapping, SLAM)中地图划分方法不完善的问题, 提出了基于Voronoi地图表示方法的同步定位与地图创建算法VorSLAM. 该算法在全局坐标系下创建特征地图, 并根据此特征地图使用Voronoi图唯一地划分地图空间, 在每一个划分内部创建一个相对于特征的局部稠密地图. 特征地图与各个局部地图最终一起连续稠密地描述了环境. Voronoi地图表示方法解决了地图划分的唯一性问题, 理论证明局部地图可以完整描述该划分所对应的环境轮廓. 该地图表示方法一个基本特点是特征与局部地图一一对应, 每个特征都关联一个定义在该特征上的局部地图. 基于该特点, 提出了一个基于形状匹配的数据关联算法, 用以解决传统数据关联算法出现的多重关联问题. 一个公寓弧形走廊的实验验证了VorSLAM算法和基于形状匹配的数据关联方法的有效性.     

无线传感器网络环境下基于粒子滤波的移动机器人SLAM算法

定位问题是移动机器人研究领域中最基本的问题,在Bayes的框架下研究了机器人与无线传感器网络(WSN)组成系统中的同时建图与定位问题(SLAM).针对该系统中只存在距离测量信息可用的情况提出了一种基于粒子滤波的SLAM算法.该方法将机器人状态和节点位置估计设置为一组全局估计粒子,通过对粒子及其权重的更新来计算整个系统的状态.算法将WSN节点的位置估计在机器人的路径上分解为相互独立的估计,从而将全局粒子的计算转化为使用一个机器人状态滤波器和对应于每个机器人粒子的节点位置滤波器进行计算.针对观测信息低维的特点,设计了处理低维观测信息的方法,使得观测信息可以在滤波阶段得到合理利用.并且详细介绍了提出的SLAM算法原理和计算过程,并通过仿真实验证明了算法的有效性和实用性.     

基于部分惯性传感器信息的单目视觉同步定位与地图创建方法

传统的单目视觉同步定位与地图创建(MonoSLAM)方法很难处理累积误差问题,如何有效地利用惯性传感器输出的运动信息辅助SLAM系统抑制累积误差是MonoSLAM研究中的一项重要内容.由于惯性传感器输出的三轴方向角中横滚角和俯仰角的精度较高,而偏航角的精度相对较低,如果在SLAM系统中直接使用惯性传感器输出的偏航角信息不但无法有效地抑制该系统中的累积误差,反而会进一步增大系统误差、降低SLAM系统的稳定性.针对这种情况,提出一种基于惯性传感器横滚角和俯仰角的MonoSLAM方法.首先利用惯性传感器输出的横滚角和俯仰角进行系统标定;然后将惯性传感器自身的偏航角作为系统状态向量的一个分量,利用扩展卡尔曼滤波器实时地估计状态向量,进而实现实时鲁棒的同步定位和地图创建.实验结果表明,该方法可以有效地抑制SLAM系统运行过程中产生的累积误差,并降低惯性传感器测量误差对SLAM系统稳定性的影响.     

基于分治法的同步定位与环境采样地图创建

在不使用几何参数描述大规模环境的前提下, 提出了基于分治法的同步定位与环境采样地图创建 (Simultaneous localization and sampled environment mapping, SLASEM)算法来同时进行定位与地图创建. 该算法采用环境采样地图(Sampled environment map, SEM)描述环境, 使算法不局限于用几何参数描述的规则环境. 同时该算法实时地创建局部地图, 并基于分治法合并局部地图, 保证了算法的实时性. 在合并两个子地图时, 算法首先从环境采样地图中提取出角点, 利用角点约束初步更新子地图; 然后利用符号正交距离函数作为虚拟测量函数, 再次细微地更新子地图; 最后将两个子地图合并到一个大地图, 约简冗余的环境采样粒子, 以提高地图的紧凑性. 两个实验的结果验证了所提算法的有效性和实时性.     

移动机器人的同步自定位与地图创建研究进展

自主移动机器人在未知环境下作业时,首先要解决的基本问题就是其自身的定位问题,而定位问题与环境地图的创建又是相辅相成的.本文从相关理论和关键技术等方面,系统地总结了同步自定位和地图创建的研究现状,着重介绍了基于概率论的方法,分析了目前存在的难题,并指出了未来研究的发展方向.     

未知环境下移动机器人同步地图创建与定位研究进展

移动机器人同步地图创建与定位(SLAM)是移动机器人的核心研究课题.本文对SLAM的最新研究进展和关键技术进行了综述:并从地图创建模型、计算复杂度和算法鲁棒性等方面对现有方法进行了对比分析.最后总结分析了SLAM研究存在的难题,探讨了今后的发展方向.     

移动机器人同时定位与地图创建研究进展

对移动机器人的同时定位与地图创建􀁫(Simultaneous Localization and Mapping)的最新研究进行了综述.指出SLAM 面临的问题,介绍了SLAM的基本实现方法.通过对各种改进的SLAM实现方法的性能对比,详尽地分析了如何降低SLAM的复杂度、提高SLAM的鲁棒性等关键技术问题,同时对多机器人协作的SLAM也进行了论述.探讨了SLAM的研究与发展方向.􀁱     

基于ICP算法和粒子滤波的未知环境地图创建

为了实现移动机器人仅依靠激光测距仪和里程计实时地创建精确的栅格地图, 本文提出了一种结合最近点迭代(Iterative closest point, ICP)算法和Rao-Blackwellized粒子滤波的同时定位与地图创建方法. 该方法利用ICP算法对相邻两次激光扫描数据进行配准, 并将配准结果代替误差较大的里程计读数, 以改善基于里程计读数的建议分布函数; 同时通过采用改进的抽样策略, 提高了粒子滤波过程中的抽样效率, 降低创建地图所需的粒子数. 仿真结果表明了该方法的有效性.     

基于粒子群优化的粒子滤波定位方法

为了实现移动机器人精确高效的自定位,提出了基于粒子群优化的粒子滤波定位方法.文章分析了常规粒子滤波定位方法存在的不足之处.将最新观测值融合到采样过程中,并利用粒子群优化算法提高了常规粒子滤波器的预估性能.接下来,建立了系统的概率运动模型和感知模型,并利用粒子群优化粒子滤波方法解决了移动机器人的自定位问题.粒子群优化算法的优化结果使得采样集向后验概率密度分布取值较大的区域运动,从而克服了粒子贫乏问题并且显著地降低了精确定位所需的粒子数.仿真实验表明该算法的有效性.     

一种基于特征地图的移动机器人SLAM方案

设计了一种结构化环境中基于特征地图的地图创建方案;采用激光测距仪进行特征地图创建,利用"聚合-分害虫-聚合"的方法来提取线段表示环境信息实现局部地图创建;为了实现移动机器人的同时定位与地图创建,采用扩展卡尔曼滤波方法对机器人的位姿与地图信息进行预测及更新,结合状态估计和数据关联理论,实验显示x的校正量保持在±0.9cm之内;y的校正量保持在±2.5cm之内;θ的校正量在±1.2之内,实现了基于扩展卡尔曼滤波器的SLAM.     

一种普适机器人系统同时定位、标定与建图方法

机器人定位、传感器网络标定与环境建图是普适机器人系统中三个相互耦合的基本问题, 其有效解决是普适机器人系统提供高效智能服务的前提. 本文提出了普适机器人系统同时机器人定位、传感器网络标定与环境建图的概念, 通过分析三者之间的耦合关系, 给出同时定位、标定与建图问题的联合条件概率表示, 基于贝叶斯公式和马尔科夫特性将其分解为若干可解项, 并借鉴Rao-Blackwellized粒子滤波的思想分别求解. 首先, 联合传感器网络对机器人的观测、机器人对已定位环境特征的观测以及机器人自身控制量,设计了位姿粒子的采样提议分布和权值更新公式; 其次, 联合传感器网络对机器人运动轨迹及已定位环境特征的观测,设计了传感器网络标定的递推公式; 然后, 联合传感器网络和机器人对(已定位或新发现)环境特征的观测,设计了环境建图的递推公式. 给出了完整的同时定位、标定与建图算法, 并通过仿真实验验证了该算法的有效性.     

移动机器人同步定位与地图构建研究进展

同步定位与地图构建（Simultaneous localization and mapping, SLAM）作为能使移动机器人实现全自主导航的工具近来倍受关注.本文对该领域的最新进展进行综述,特别侧重于一些旨在降低计算复杂度的简化算法的分析上,同时对它们进行分类,并指出其优点和不足.本文首先建立了SLAM问题的一般模型,指出了解决SLAM问题的难点;然后详细分析了基于EKF的一些简化算法和基于其他估计思想的方法;最后,对于多机器人SLAM和主动SLAM等前沿课题进行了讨论,并指出了今后的研究方向.     

A Discussion of Simultaneous Localization and Mapping

This paper aims at a discussion of the structure of the SLAM problem. The analysis is not strictly formal but based both on informal studies and mathematical derivation. The first part highlights the structure of uncertainty of an estimated map with the key result being “Certainty of Relations despite Uncertainty of Positions”. A formal proof for approximate sparsity of so-called information matrices occurring in SLAM is sketched. It supports the above mentioned characterization and provides a foundation for algorithms based on sparse information matrices. Further, issues of nonlinearity and the duality between information and covariance matrices are discussed and related to common methods for solving SLAM. Finally, three requirements concerning map quality, storage space and computation time an ideal SLAM solution should have are proposed. The current state of the art is discussed with respect to these requirements including a formal specification of the term “map quality”. This article is based on research conducted during the author's Ph.D. studies at the German Aerospace Center (DLR) in Oberpfaffenhofen. Udo Frese was born in Minden, Germany in 1972. He received the Diploma degree in computer science from the University of Paderborn in 1997. From 1998 to 2003 he was a Ph.D. student at the German Aerospace Center in Oberpfaffenhofen. In 2004 he joined University of Bremen. His research interests are mobile robotic, simultaneous localization and mapping and computer vision.     

动态环境下基于路径规划的机器人同步定位与地图构建

针对动态环境下随机目标同时为特征点和障碍物的情况,提出一种基于路径规划的同步定位与地图构 建（SLAM）算法．机器人在同步定位与地图构建的同时,基于势场原理来规划机器人下一步的运动控制规律．利用 混合当前统计模型的交互式多模型（IMM）方法预测随机目标的轨迹,采用最近邻数据关联方法将动态随机目标关 联到地图中．算法构建的地图由静态特征点和随机目标的轨迹组成．仿真结果表明,提出的算法解决了动态环境中 存在的随机目标同时为障碍物时机器人的同步定位与地图构建问题,相关性能指标验证了算法的一致性估计．     

基于粒子滤波和点线相合的未知环境地图构建方法

针对粒子滤波处理未知环境地图构建时存在存储空间负荷高、计算量大的问题, 本文使用线段特征描述环境信息, 将点线相合的增量式地图构建方法引入粒子滤波中. 在每个粒子中保存对已构建线段特征地图的假设; 使用点线相合的位姿估计算法将观测信息引入重要性函数, 确定采样空间; 通过观测信息与已构建线段特征地图之间的相合关系更新粒子权重; 最后通过选择性重采样去除因匹配不当和误差积累产生的错误地图. 分析表明, 该算法的复杂度较低. 在真实传感器数据上的实验结果验证了该算法构建室内环境地图的有效性和鲁棒性. 算法所需存储空间和粒子数远小于现有粒子滤波地图构建方法.     

电缆隧道巡检机器人定位建图系统研究与实现

电缆隧道空间小、环境复杂,因老化及腐蚀易发生火灾,巡检机器人可以通过日常巡检提早发现隐患,但电缆隧道环境存在定位难度大、地图信息缺失的问题。针对以上问题,该文提出了电缆隧道环境下使用IMU、车轮里程计、激光雷达多传感器数据融合的定位建图方法,并设计了该方法的电缆隧道定位建图系统。为了验证定位建图系统的有效性,该文使用该系统进行实验测试,定位、建图能力均可满足巡检要求。