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。     

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。     

视觉SLAM在室内动态场景中的应用研究

视觉SLAM（Simultaneous Localization And Mapping,同时定位与建图）是移动机器人领域的核心技术,传统视觉SLAM还难以适用于高动态场景并且地图中缺少语义信息。提出一种动态环境语义SLAM方法,用深度学习网络对图像进行目标检测,检测动态目标所在区域,对图像进行特征提取并剔除动态物体所在区域的特征点,利用静态的特征点进行位姿计算,对关键帧进行语义分割,在构建语义地图时滤除动态物体的地图点构建出无动态物体干扰的语义地图。在TUM数据集上进行实验,结果显示该方法在动态环境下可以提升88.3%位姿估计精度,并且可同时构建出无动态物体干扰的语义地图。     

基于K-Means聚类与深度学习的RGB-D SLAM算法

传统的RGB-D视觉同时定位与制图（SLAM）算法在动态场景中识别动态特征时会产生数据错误关联,导致视觉SLAM估计姿态精度退化。提出一种适用于动态场景的RGB-D SLAM算法,利用全新的跨平台神经网络深度学习框架检测场景中的动态语义特征,并分割提取对应的动态语义特征区域。结合深度图像的K均值聚类算法和动态语义特征区域对点特征深度值进行聚类,根据聚类结果剔除动态特征点,同时通过剩余特征点计算RGB-D相机的位姿。实验结果表明,相比ORB-SLAM2、OFD-SLAM、MR-SLAM等算法,该算法能够减小动态场景下的跟踪误差,提高相机位姿估计的精度和鲁棒性,其在TUM动态数据集上相机绝对轨迹的均方根误差约为0.019 m。     

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。     

动态场景下基于语义分割的视觉SLAM方法

针对在动态场景下视觉同步定位与建图（SLAM）鲁棒性差、定位与建图精度易受动态物体干扰的问题,设计一种基于改进DeepLabv3plus与多视图几何的语义视觉SLAM算法。以语义分割网络DeepLabv3plus为基础,采用轻量级卷积网络MobileNetV2进行特征提取,并使用深度可分离卷积代替空洞空间金字塔池化模块中的标准卷积,同时引入注意力机制,提出改进的语义分割网络DeepLabv3plus。将改进后的语义分割网络DeepLabv3plus与多视图几何结合,提出动态点检测方法,以提高视觉SLAM在动态场景下的鲁棒性。在此基础上,构建包含语义信息和几何信息的三维语义静态地图。在TUM数据集上的实验结果表明,与ORB-SLAM2相比,该算法在高动态序列下的绝对轨迹误差的均方根误差值和标准差（SD）值最高分别提升98%和97%。     

动态场景下基于自适应语义分割的RGB-D SLAM算法

目前较为成熟的视觉SLAM算法在应用于动态场景时,往往会因动态对象干扰而导致系统所估计的位姿误差急剧增大甚至算法失效。为解决上述问题,本文提出一种适用于室内动态场景的视觉SLAM算法,根据当前帧中特征点的运动等级信息自适应判断当前帧是否需要进行语义分割,进而实现语义信息的跨帧检测;根据语义分割网络提供的先验信息以及该对象在先前场景中的运动状态,为每个特征点分配运动等级,将其归类为静态点、可移静态点或动态点。选取合适的特征点进行位姿的初估计,再根据加权静态约束的结果对位姿进行二次优化。最后为验证本文算法的有效性,在TUM RGB-D动态场景数据集上进行实验,并与ORB-SLAM2算法及其他处理动态场景的SLAM算法进行对比,结果表明本文算法在大部分数据集上表现良好,相较改进前的ORB-SLAM算法,本文算法在室内动态场景中的定位精度可提升90.57%。     

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。     

基于动态物体跟踪的语义SLAM

针对传统视觉SLAM在动态场景下容易出现特征匹配错误从而导致定位精度下降的问题,提出了一种基于动态物体跟踪的语义SLAM算法。基于经典的视觉SLAM框架,提取动态物体进行帧间跟踪,并利用动态物体的位姿信息来辅助相机自身的定位。首先,算法在数据预处理中使用YOLACT、RAFT以及SC-Depth网络,分别提取图像中的语义掩膜、光流向量以及像素深度值。其次,视觉前端模块根据所提信息,通过语义分割掩膜、运动一致性检验以及遮挡点检验算法计算概率图以平滑区分场景中的动态特征与静态特征。然后,后端中的捆集调整模块融合了物体运动的多特征约束以提高算法在动态场景中的位姿估计性能。最后,在KITTI和OMD数据集的动态场景中进行对比验证。实验表明,所提算法能够准确地跟踪动态物体,在室内外动态场景中具备鲁棒、良好的定位性能。     

动态环境下基于延迟语义的RGB-D SLAM算法

目前,将分割网络与SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)结合已成为解决视觉SLAM不能应用于动态环境的主流方案之一,但是SLAM系统受到分割网络处理速度的限制,无法保证实时运行.为此,文中提出基于延迟语义的RGB-D SLAM算法.首先,并行运行跟踪线程与分割线程,为了得到最新的延迟语义信息,采取跨帧分割的策略处理图像,跟踪线程根据延迟语义信息实时生成当前帧的语义信息.然后,结合成功跟踪计数(STC)与极线约束,筛选当前帧动态点的集合,并确定环境中先验动态物体的真实运动状态.若确定该物体在移动,继续将物体区域细分为矩形网格,以网格为最小单位剔除动态特征点.最后,利用静态特征点追踪相机位姿并构建环境地图.在TUM RGB-D动态场景数据集及真实场景上的实验表明文中算法在大部分数据集上表现较优,由此验证算法的有效性.