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。     

基于超声波的移动机器人的同时定位和地图构建

为了在移动机器人SLAM过程中得到更精确的定位和二维地图构建,对一种利用超声波传感器信息进行栅格地图创建的方法提出了改进;该方法利用Bayes法则对信息进行融合,利用粒子滤波和航位推算相结合的方法对机器人进行精确定位和创建地图,然后利用移动的栅格法进行地图的全局更新,提出了一种地图的校验方法;通过实验,在粒子数为200的情况下分别得到了算法改进前和改进后的地图构建结果,通过比较,证明了使用该算法进行移动机器人定位和地图构建更加精确。     

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。     

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。     

基于点线特征的单目视觉同时定位与地图构建算法

当相机快速运动导致图像模糊或场景中纹理缺失时,基于点特征的同时定位与地图构建(SLAM)算法难以追踪足够多的有效特征点,定位精度和鲁棒性较差,甚至无法正常工作.为此,设计了一种基于点、线特征并融合轮式里程计数据的单目视觉同时定位与地图构建算法.首先,利用点特征与线特征的互补来提高数据关联的准确性,并据此构建具有几何信息的环境特征地图,同时引入轮式里程计数据为视觉定位算法提供先验和尺度信息.然后,通过最小化局部地图点、线的重投影误差得到更准确的视觉位姿,在视觉定位失效时,定位系统能根据轮式里程计数据继续工作.通过对比在多组公开数据集上得到的仿真实验结果可知,本文算法性能优于MSCKF (multi-state constraint Kalman filter)和LSD-SLAM(large-scale direct monocular SLAM)算法,证明了该算法的准确性和有效性.最后,将该算法应用于课题组搭建的机器人系统上,得到单目视觉定位均方误差(RMSE)约为7 cm,在1.2 GHz主频、四核处理器的嵌入式平台上平均每帧(640×480)的处理时间约为90 ms.     

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.􀁱     

移动机器人几何2拓扑混合地图的构建及自定位研究

基于墙角、房门和通路等高级环境特征的辨识与提取,依据几何和拓扑环境模型完成混合地图的构建,并根据混合地图的特点,提出在局部几何环境采用扩展卡尔曼滤波算法实现移动机器人的位姿跟踪,而在拓扑地图的节点位置则根据绑定的高级环境特征进行位姿再校正的混合定位方法.将该方法应用于实际移动机器人平台,所得结果证明了方法的有效性和实用性.     

室内移动机器人的视觉定位方法研究

针对地图未知的室内环境下的定位问题,提出了一种基于特征跟踪的视觉里程计方法．利用单目摄像头提取和跟踪环境特征点集,进而根据观测模型利用扩展卡尔曼滤波算法估算出机器人的位姿．办公室环境中的定位实验证明了方法的有效性．     

平方根容积卡尔曼滤波概率假设密度算法在移动机器人同时定位与地图构建中的应用

针对杂波环境或数据关联模糊环境下移动机器人同时定位与地图构建(SLAM)的问题,本文提出平方根容积卡尔曼滤波概率假设密度(SRCKF-PHD)SLAM算法,该算法的主要特点在于:1)采用容积规则方法计算非线性函数高斯权重积分以及机器人位姿粒子权重,达到改善位姿估计性能的目的;2)在高斯混合概率假设密度更新过程中,将平方根容积卡尔曼滤波应用于高斯项权重更新及观测似然计算中,保证了协方差矩阵的对称性和半正定性,提高了地图估计的精度和稳定性.通过仿真实验及CarPark数据集,将提出算法与RB-PHD-SLAM算法进行对比,结果表明该算法对机器人位姿估计精度及地图估计精度的提高是有效的.     

基于全景视觉的移动机器人同步定位与地图创建研究

提出了一种基于全景视觉的移动机器人同步定位与地图创建（Omni-vSLAM）方法．该方法提取 颜色区域作为视觉路标;在分析全景视觉成像原理和定位不确定性的基础上建立起系统的观测模型,定位出 路标位置,进而通过扩展卡尔曼滤波算法（EKF）同步更新机器人位置和地图信息．实验结果证明了该方法在 建立环境地图的同时可以有效地修正由里程计造成的累积定位误差．     

基于激光雷达的大型移动平台定位

针对自身不带位置传感器的大型移动平台,设计了一个基于激光雷达的定位系统.所述定位系统利用激光雷达提取外部环境中的线段特征和路标特征,通过扩展卡尔曼滤波算法,对移动平台进行运动预测和位姿修正,从而完成移动平台的定位过程.通过大量实验验证了系统的定位精度和可靠性.     

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。     

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.     

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.     

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.     

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.     

机器人自适应主动同时定位与建图新方法

针对多机器人的定位与建图受到即时定位与地图构建(SLAM)研究方法和技术不成熟的制约问题,提出一种基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的自适应同时定位与建图方法;首先,基于EKF估计方法,将SLAM中机器人运动方式的选取问题转化为一个多目标最优控制问题,机器人选取最优化目标函数的控制输入,从而以主动的、智能的和自适应的方式探索环境;然后,将上述方法推广到多机器人SLAM中,以实现更为准确、高效和鲁棒的定位与建图;仿真结果表明,该方法大大提高了机器人建图的效率、准确性和鲁棒性;该方法用于机器人主动同时定位和建图是可行的、有效的.