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。     

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。     

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。     

融合直接法与特征法的快速双目SLAM算法

为了实时得到搭载双目相机的机器人准确的3维位姿状态和环境信息,提出一种融合直接法与特征法的双目SLAM(同时定位与地图创建)算法.该算法主要分为4个线程:跟踪线程、特征提取线程、局部建图线程和闭环线程.跟踪线程通过最小化图像光度误差,获取双目的初始位姿估计和特征对应关系,而后通过最小化局部地图点的重投影误差,得到更为准确的机器人位姿估计.特征提取线程负责提取关键帧的关键点和描述子,能够保证待处理的关键帧较多时不影响后续局部建图线程的执行.局部建图线程管理局部地图,执行局部BA(光束平差法),优化局部关键帧位姿和局部地图点的位置,提高SLAM的局部一致性.闭环线程通过对关键帧的闭环检测和优化,提高SLAM的全局一致性.另外利用闭环线程处理机器人被绑架后重回已探测环境的定位问题.KITTI数据集、TUM数据集以及采集的双目数据实验表明,本文算法相对于ORB-SLAM2算法,在保证定位精度的同时,有效提高了相机位姿的输出帧率,并且在机器人被绑架的情况下,能够得到更为丰富的姿态信息和环境信息.     

一种基于半直接视觉里程计的RGB-D SLAM算法

提出了一种新的基于半直接视觉里程计的RGB-D SLAM（同步定位与地图创建）算法,同时利用直接法和传统特征点法的优势,结合鲁棒的后端优化和闭环检测,有效提高了算法在复杂环境中的定位和建图精度．在定位阶段,采用直接法估计相机的初始位姿,然后通过特征点匹配和最小化重投影误差进一步优化位姿,通过筛选地图点并优化位姿输出策略,使算法能够处理稀疏纹理、光照变化、移动物体等难题．算法具有全局重定位的能力．在后端优化阶段,提出了一种新的关键帧选取策略,同时保留直接法选取的局部关键帧和特征点法选取的全局关键帧,并行地维护2种关键帧,分别在滑动窗口和特征地图中对它们进行优化．算法通过对全局关键帧进行闭环检测和优化,提高SLAM的全局一致性．基于标准数据集和真实场景的实验结果表明,算法的性能在许多实际场景中优于主流的RGB-D SLAM算法,对纹理稀疏和有移动物体干扰的环境的鲁棒性较强．     

基于LiDAR-IMU松耦合的同时定位与建图方法

同时定位与建图(SLAM)是无人车自主导航的基础,基于单一传感器的SLAM算法易受数据关联错误而导致算法跟踪失败.本文提出了一种激光雷达—惯性测量单元(LiDAR-IMU)传感器松耦合的同时定位与建图方法.提出了基于关键帧和基于普通帧的局部地图匹配方法,引入M估计修正代价函数的形状减少错误数据关联的影响,避免了信息损失...     

融合双目视觉与惯导信息的高效视觉里程计算法

为提高视觉里程计(VO)在大尺度环境下运行的实时性,提出一种融合双目视觉与惯导信息的视觉里程计算法,主要由前端位姿跟踪和后端局部地图优化两个线程组成.位姿跟踪线程首先使用惯导信息辅助光流法进行帧间特征点跟踪并估计相机初始位姿;接着通过最小化图像光度误差获取当前帧像素点与局部地图点的对应关系;而后最小化当前帧上局部地图点的重投影误差和惯性测量单元(IMU)预积分误差,得到当前帧准确的位姿估计.后端局部地图优化线程对滑动窗口内的关键帧提取特征点并三角化新地图点,使用光束平差法(BA)对逆深度参数化表示的地图点位置、关键帧位姿、速度以及陀螺仪和加速度计零偏进行滑窗优化,为前端提供更加精确的局部地图相机位姿和环境信息.在EuRoC数据集上的实验表明,相比于ORB-SLAM2、ORB-SLAM3算法,该融合双目视觉与惯导信息的视觉里程计算法的定位精度略有下降,但可以较大程度地提高位姿跟踪的实时性.     

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。     

直接法和共视图优化的视觉惯性SLAM系统研究

视觉SLAM系统在相机快速旋转或光照频繁变化时,极易跟踪丢失。为此,提出一种基于直接法和共视图优化的紧耦合视觉惯性SLAM系统,融合IMU信息提高系统的鲁棒性,采用直接法前端提高系统的实时性,共视图优化后端提高系统的定位精度。该系统由前端和后端以及回环检测三个模块组成。跟踪线程利用IMU信息和基于稀疏图像对齐的直接法进行初始位姿估计;后端采用共视图的方法,以当前帧的二级相邻共视关键帧范围为局部优化窗口,利用光束平差法(Bundle Adjustment, BA)对系统状态变量进行优化;另外,仅对关键帧提取ORB特征点,并计算描述子信息供回环检测使用。在TUM VI数据集上的实验证明,与ORB-SLAM3和VINS-mono相比,该算法提高了系统的定位精度,且位姿估计速度提高了50%以上,在一帧完整跟踪任务中,比VINS-mono实时性提高了26%。     

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。     

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。     

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．     

基于动态边缘化的双目视觉惯性SLAM算法

针对单目视觉惯性SLAM算法鲁棒性不高且尺度恢复困难的问题,提出基于动态边缘化的双目视觉惯性SLAM算法(DM-SVI-SLAM).前端使用光流法进行特征跟踪,利用预积分计算帧间IMU,后端在滑动窗口内融合单/双目匹配点误差、IMU残差及先验误差构建捆集调整的成本函数,利用动态边缘化策略、Dog-Leg算法提升计算效率...     

双目视觉辅助的激光惯导SLAM算法

激光同步定位与地图构建(simultaneous localization and mapping, SLAM)算法在位姿估计和构建环境地图时依赖环境结构特征信息,在结构特征缺乏的场景下,此类算法的位姿估计精度与鲁棒性将下降甚至运行失败.对此,结合惯性测量单元(inertial measurement unit, IMU)不受环境约束、相机依赖视觉纹理的特点,提出一种双目视觉辅助的激光惯导SLAM算法,以解决纯激光SLAM算法在环境结构特征缺乏时的退化问题.即采用双目视觉惯导里程计算法为激光扫描匹配模块提供视觉先验位姿,并进一步兼顾视觉约束与激光结构特征约束进行联合位姿估计.此外,提出一种互补滤波算法与因子图优化求解的组合策略,完成激光里程计参考系与惯性参考系对准,并基于因子图将激光位姿与IMU数据融合以约束IMU偏置,在视觉里程计失效的情况下为激光扫描匹配提供候补的相对位姿预测.为进一步提高全局轨迹估计精度,提出基于迭代最近点匹配算法(iterative closest point, ICP)与基于图像特征匹配算法融合的混合闭环检测策略,利用6自由度位姿图优化方法显著降低里程计漂移误...     

Robust and Accurate Monocular Visual Navigation Combining IMU for a Quadrotor

In this paper, we present a multi-sensor fusion based monocular visual navigation system for a quadrotor with limited payload, power and computational resources. Our system is equipped with an inertial measurement unit (IMU), a sonar and a monocular down-looking camera. It is able to work well in GPS-denied and markerless environments. Different from most of the keyframe-based visual navigation systems, our system uses the information from both keyframes and keypoints in each frame. The GPU-based speeded up robust feature (SURF) is employed for feature detection and feature matching. Based on the flight characteristics of quadrotor, we propose a refined preliminary motion estimation algorithm combining IMU data. A multi-level judgment rule is then presented which is beneficial to hovering conditions and reduces the error accumulation effectively. By using the sonar sensor, the metric scale estimation problem has been solved. We also present the novel IMU+3P (IMU with three point correspondences) algorithm for accurate pose estimation. This algorithm transforms the 6-DOF pose estimation problem into a 4-DOF problem and can obtain more accurate results with less computation time. We perform the experiments of monocular visual navigation system in real indoor and outdoor environments. The results demonstrate that the monocular visual navigation system performing in real-time has robust and accurate navigation results of the quadrotor.      

利用惯导测量单元确定关键帧的实时SLAM算法

由于嵌入式处理器算力的限制,实时性差一直是视觉惯导同时定位与建图（VI-SLAM）走向实际应用的一个亟待解决的问题,因此提出一种利用惯导测量单元（IMU）确定关键帧的实时同时定位与建图（SLAM）算法,主要分为3个线程：跟踪、局部建图和闭环。首先由跟踪线程通过IMU预积分自适应地确定关键帧,而自适应阈值由视觉惯性紧耦合优化的结果得出;然后仅对关键帧进行跟踪,避免对所有帧进行特征处理;最后利用局部建图线程在滑动窗口中通过视觉惯导光束平差法得到更加精确的无人机位姿,利用闭环线程得到全局一致的轨迹和地图。在数据集EuRoC上的实验结果表明,该算法能在不降低精度和鲁棒性的情况下显著减少跟踪线程耗时,降低VI-SLAM对计算资源的依赖。在实际飞行测试中,该算法能够较实时准确地估计出具有尺度信息的无人机飞行真实轨迹。     

Large-Scale SLAM Building Conditionally Independent Local Maps: Application to Monocular Vision

Simultaneous localization and mapping (SLAM) algorithms based on local maps have been demonstrated to be well suited for mapping large environments as they reduce the computational cost and improve the consistency of the final estimation. The main contribution of this paper is a novel submapping technique that does not require independence between maps. The technique is based on the intrinsic structure of the SLAM problem that allows the building of submaps that can share information, remaining conditionally independent. The resulting algorithm obtains local maps in constant time during the exploration of new terrain and recovers the global map in linear time after simple loop closures without introducing any approximations besides the inherent extended Kalman filter linearizations. The memory requirements are also linear with the size of the map. As the algorithm works in a covariance form, well-known data-association techniques can be used in the usual manner. We present experimental results using a handheld monocular camera, building a map along a closed-loop trajectory of 140 m in a public square, with people and other clutter. Our results show that the combination of conditional independence, which enables the system to share the camera and feature states between submaps, and local coordinates, which reduce the effects of linearization errors, allow us to obtain precise maps of large areas with pure monocular SLAM in real time.      

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.