双目立体视觉栅格地图构建方法

本文基于立体视觉定位技术,提出了基于双目立体视觉的栅格地图构建方法,用以解决目前视觉SLAM技术构建的稀疏特征地图难以直接用于自主导航的问题。本文提出的方法仅以视觉信息作为输入实时完成移动机器人自定位与外界环境栅格地图的构建。首先采用双目立体视觉定位获取机器人运动参数,利用稠密匹配估算空间点云分布,在考虑机器人实际高度的情况下将三维点云投影成二维数据,最后通过二值贝叶斯滤波器在线构建栅格地图。本文所构建的栅格地图包含环境几何信息,可直接应用于机器人路径规划与导航。实验结果验证了本文所以出的定位与地图构建方法的可行性。     

实时更新的全局一致三维栅格建图

在未知的三维环境中,移动机器人自主导航通常需要实时构建与环境全局一致的栅格地图,而现有大部分系统缺少地图更新策略,构建的栅格地图与实际环境不一致.文中将同步定位与建图模块获得的环境信息以点云形式提供给栅格建图模块处理,同时提出基于关键帧的高效数据结构和地图实时更新策略,实时构建可用于移动机器人自主导航的全局一致的地图.室内动态的实验数据测试表明,文中方法可以有效实时更新地图,生成与环境一致的三维栅格地图,支持其后续的自主导航操作.     

基于激光雷达与双目视觉的移动机器人SLAM研究

为解决移动机器人在环境未知条件下,利用单一传感器自主导航时不能及时定位、构建地图不精确的问题,提出采用一种改进RBPF算法,在计算提议分布时将移动机器人的观测数据(视觉信息与激光雷达信息)和里程计信息融合;针对一般视觉图像特征点提取算法较慢的问题,采用基于ORB算法对视觉图像进行处理以加快视觉图像处理速度的方法;最后通过在安装有开源机器人操作系统(ROS)的履带式移动机器人进行实验,验证了采用该方法可构建可靠性更高、更精确的2D栅格图,提高了移动机器人SLAM的鲁棒性.     

低成本激光和视觉相结合的同步定位与建图研究

激光雷达和视觉传感是目前两种主要的服务机器人定位与导航技术,但现有的低成本激光雷 达定位精度较低且无法实现大范围闭环检测,而单独采用视觉手段构建的特征地图又不适用于导航应用。因此,该文以配备低成本激光雷达与视觉传感器的室内机器人为研究对象,提出了一种激光和视觉相结合的定位与导航建图方法：通过融合激光点云数据与图像特征点数据,采用基于稀疏姿态调整的优化方法,对机器人位姿进行优化。同时,采用基于视觉特征的词袋模型进行闭环检测,并进一步优化基于激光点云的栅格地图。真实场景下的实验结果表明,相比于单一的激光或视觉定位建图方 法,基于多传感器数据融合的方法定位精度更高,并有效地解决了闭环检测问题。     

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。     

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。     

井下移动机器人智能视觉避障研究

针对现有井下移动机器人避障方法在面对井下复杂障碍物时不能准确检测障碍物位置信息,对井下非线性障碍物不能准确进行避障控制等问题,提出了一种基于模糊控制的井下移动机器人智能视觉避障方法。首先采用双目立体视觉模组作为障碍物检测传感器,感知井下环境信息,实时检测障碍物分布情况,并构建占据栅格地图。然后通过八叉树结构模型构建三维点云,使用树状结构对点云数据进行结构化描述,并将其映射到占据栅格地图中,得到障碍物的区域分布情况。最后采用模糊控制策略对实时检测到的障碍物在占据栅格地图中的分布情况进行处理,将当前时刻障碍物在占据栅格地图中的分布情况和移动机器人运行速度作为模糊控制器的输入变量,通过模糊控制算法计算下一时刻移动机器人的转向角度和加速度,从而实现井下移动机器人的智能避障控制。根据移动机器人实际占据空间,设计外接包围盒进一步稳定控制算法,结合避障策略进行智能避障,避免移动机器人与障碍物发生碰撞。实验结果表明,该方法能够准确对井下障碍物分布情况进行描述,使移动机器人能够根据所设计的模糊控制规则准确自主地进行避障操作,从而实现自适应运动。     

基于ORB-SLAM2系统的快速误匹配剔除算法与地图构建

针对ORB-SLAM2系统中随机抽样一致（RANSAC）算法在误匹配剔除时因其算法本身的随机性而导致效率较低的问题和在ORB-SLAM2系统里未能构建稠密点云地图的问题，采用渐进一致采样（PROSAC）算法来改进ORB-SLAM2系统中的误匹配剔除，并在系统中添加稠密点云地图和八叉树地图构建线程。首先，与RANSAC算法相比，PROSAC算法依据评价函数对特征点进行预排序，并选取评价质量较高的特征点求解单应性矩阵，根据单应性矩阵的解与匹配误差阈值进行误匹配剔除；然后，根据ORB-SLAM2系统进行相机的位姿估计与重定位；最后，根据所选关键帧进行稠密点云地图与八叉树地图的构建。根据TUM数据集上的实验结果，PROSAC算法在进行相同图像的误匹配剔除时所用时间是RANSAC算法的50%左右，并且所提系统的绝对轨迹误差与相对位姿误差与ORB-SLAM2系统基本一致，表现出良好的鲁棒性；另外，与稀疏点云地图相比，提出的新构建地图可以直接用于机器人的导航与路径规划。     

基于Octomap的仿人机器人局部环境与能力图模型算法

基于3D点云数据的机器人三维空间能力图模型算法存在体素网格搜索计算量大的问题，由于OcTree在三维空间细分时的层次化优势，提出一种基于Octomap的局部环境与能力图模型算法。首先，根据NAO机器人的关节组成、正向运动学、逆向运动学和刚体坐标变换，对NAO仿人机器人构建全身二叉树状运动学模型；其次在此基础上使用前向运动学在笛卡儿空间计算离散的三维可达点云，并将其作为机器人终端效应器的基础工作空间；然后重点描述将点云空间表示转化为Octomap空间节点表示的方法，尤其是空间节点的概率更新方法；最后提出根据节点几何关系进行空间节点更新顺序选择的优化方法，从而高效地实现了仿人机器人能力图的空间优化表示。实验结果表明，相对于之前的原始Octomap更新方法，优化后的算法能降低近30%空间节点数，提高计算效率。     

室内未知环境下移动机器人特征地图创建研究

介绍了在室内未知环境下移动机器人利用激光雷达、电子罗盘和里程计等传感器信息创建特征地图的方法;从激光雷达数据中提取直线特征作为地图的主要环境描述特征,采用构建直线模板的方法对雷达数据进行分簇,通过最小二乘法拟合出相应的直线并对冗余地图线段进行合并,从而得到较精确的特征地图;实验表明该机器人建立的环境特征地图是精确有效的,且与栅格地图相比数据量小,可进一步用于机器人的避障、路径规划等复杂任务.     

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。     

混合视觉系统的运动物体检测和静态地图重建

复杂动态背景环境下的运动物体检测和静态地图重建中容易出现运动物体检测不完整的问题。针对上述问题,提出了一种混合视觉系统下点云分割辅助的运动物体检测方法。首先,提出了直通滤波+随机采样一致性（PassThrough+RANSAC）方法来克服大面积墙壁干扰以实现点云地面点的识别;其次,将非地面点数据作为特征点投射到图像上,并估计其光流运动向量和人工运动向量,从而对动态点进行检测;然后,采用动态阈值策略对点云进行欧氏聚类;最后,整合动态点检测结果与点云分割结果来完整地提取出运动物体。此外,通过八叉树地图（Octomap）工具将点云地图转换为三维栅格地图以完成地图的构建。通过实验结果和数据分析可知,所提方法可以有效提高运动物体检测的完整性,同时重建出低损耗、高实用性的静态栅格地图。     

基于ORB-SLAM2系统的快速误匹配剔除算法与地图构建

针对ORB-SLAM2系统中随机抽样一致（RANSAC）算法在误匹配剔除时因其算法本身的随机性而导致效率较低的问题和在ORB-SLAM2系统里未能构建稠密点云地图的问题,采用渐进一致采样（PROSAC）算法来改进ORB-SLAM2系统中的误匹配剔除,并在系统中添加稠密点云地图和八叉树地图构建线程。首先,与RANSAC算法相比,PROSAC算法依据评价函数对特征点进行预排序,并选取评价质量较高的特征点求解单应性矩阵,根据单应性矩阵的解与匹配误差阈值进行误匹配剔除;然后,根据ORB-SLAM2系统进行相机的位姿估计与重定位;最后,根据所选关键帧进行稠密点云地图与八叉树地图的构建。根据TUM数据集上的实验结果,PROSAC算法在进行相同图像的误匹配剔除时所用时间是RANSAC算法的50%左右,并且所提系统的绝对轨迹误差与相对位姿误差与ORB-SLAM2系统基本一致,表现出良好的鲁棒性;另外,与稀疏点云地图相比,提出的新构建地图可以直接用于机器人的导航与路径规划。     

基于视觉显著性的移动机器人动态环境建模

本文采用视觉显著性提出了一种移动机器人动态环境建模方法.该方法利用提出的视觉显著性模型,对连续的2帧图像中匹配的加速稳健特征点(SURF)利用其位置关系并采用多重随机抽样一致(multi-RANSAC)算法实现了环境中动态物体显著性检测.采用投影方法和快速均值漂移算法构建了动态环境的栅格模型,利用得到的动态显著性物体的位置更新环境地图中的栅格占据值以及动态物体的影响区域.动态环境显著图构建实验和动态环境的栅格模型构建实验的结果证明了上述方法是可行的.     

基于人工引导的机器人建图技术

移动机器人能够创建精确的环境地图,是其具有准确的定位能力以及完成其他任务的前提。因此地图创建技术是移动机器人的关键技术。提出了一种基于人工引导方式的地图创建技术。该技术一方面弥补了传统机器人建图过程中自动搜索路径低效率的弱点,另一方面通过人机交互,机器人可以在建图的过程中记住关键的路径点,建立栅格地图与拓扑地图的混合地图,为移动机器人将来的导航奠定基础。     

基于高斯牛顿的局部优化SLAM系统

移动机器人的同时定位和地图重构一直是机器人研究的重要基本问题,有效地解决该问题被认为是真正实现移动机器人自主化的关键.激光测距仪的快速性以及抗噪性满足机器人导航需要的实时性和精确性,因此基于激光的同时定位和地图重构是实际中应用最广泛的方法.本文采用一种改进的快速获取占据栅格地图梯度的近似方法,利用Sobel算子作为相关核对栅格地图进行滤波,再进行双线性插值获得地图任意点的梯度值.通过高斯-牛顿方法来寻求每一帧新的观测数据对齐到现有地图的最优位姿,再根据位姿把观测数据更新到地图中,实验结果表明,改进方法可以实现更高精度的建图和定位的功能.     

视觉传感系统的自主移动机器人路径规划方法

在未知环境下,机器人很难快速获取周边环境信息并建立实时环境地图,实现自主运行.为此提出基于视觉导航的方法,利用全景摄像机作为机器人的视觉传感器系统采集环境信息,将彩色地图进行HSI空间下模糊聚类图像分割,得到环境二值图像;将图像进行栅格化处理来构建环境地图,运用8方向连接的Dijkstra进行全局路径规划,计算出最优路径,从而实现移动机器人的快速、自主运动.经过仿真实验证明,该方法有效且可行.     

基于ROS的室内自主导航移动机器人系统实现

为可靠地实现室内移动机器人自主导航、巡航等功能,提出并实现一种在机器人操作系统(ROS)环境下,基于激光雷达的室内移动机器人定位导航系统.系统主要包括激光雷达数据的预处理,基于粒子滤波的Gmapping算法构建栅格地图,自适应蒙特卡罗定位用于室内移动机器人的重定位.A*算法作为全局路径规划算法,动态窗口法(DWA)为局...     

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。