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。     

室内动态环境下基于网格分割与双地图耦合的RGB-D SLAM算法

为解决室内动态环境下现有RGB-D SLAM（同步定位与地图创建）系统定位精度低、建图效果差的问题,提出一种基于网格分割与双地图耦合的RGB-D SLAM算法。基于单应运动补偿与双向补偿光流法,根据几何连通性与深度图像聚类结果实现网格化运动分割,同时保证算法的快速性。利用静态区域内的特征点最小化重投影误差对相机进行位置估计。结合相机位姿、RGB-D图像、网格化运动分割图像,同时构建场景的稀疏点云地图和静态八叉树地图并进行耦合,在关键帧上使用基于网格分割和八叉树地图光线遍历的方法筛选静态地图点,更新稀疏点云地图,保障定位精度。公开数据集和实际动态场景中的实验结果都表明,本文算法能够有效提升室内动态场景中的相机位姿估计精度,实现场景静态八叉树地图的实时构建和更新。此外,本文算法能够实时运行在标准CPU硬件平台上,无需GPU等额外计算资源。     

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。     

基于目标检测的室内动态场景定位与建图

针对室内场景中动态对象严重影响相机位姿估计准确性的问题,提出一种基于目标检测的室内动态场景同步定位与地图构建（SLAM）系统。当相机捕获图像后,首先,利用YOLOv4目标检测网络检测环境中的动态对象,并生成对应边界框的掩膜区域;然后,提取图像中的ORB特征点,并将掩膜区域内部的特征点剔除掉;同时结合GMS算法进一步剔除误匹配,并仅利用剩余静态特征点来估计相机位姿;最后,完成滤除动态对象的静态稠密点云地图和八叉树地图的构建。在TUM RGB-D公开数据集上进行的多次对比测试的结果表明,相对于ORB-SLAM2系统、GCNv2_SLAM系统和YOLOv4+ORB-SLAM2系统,所提系统在绝对轨迹误差（ATE）和相对位姿误差（RPE）上有明显的降低,说明该系统能够显著提高室内动态环境中相机位姿估计的准确性。     

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。     

机器人同时定位与地图构建技术研究*

移动机器人同时定位与地图创建是实现未知环境下机器人自主导航的关键性技术,具有广泛的应用前景,也是目前机器人研究的热门课题之一。针对国内外近年来关于移动机器人同时定位与地图创建的研究工作进行了总结和分析,重点介绍了机器人的地图创建方法类别、基于概率理论的自主定位方法、同时定位与地图创建的问题描述及研究方法等方面的发展现状及存在的不足。     

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RGB-D深度相机的室内场景重建

目的 重建包含真实纹理的彩色场景3维模型是计算机视觉领域重要的研究课题之一,由于室内场景复杂、采样图像序列长且运动无规则,现有的3维重建算法存在重建尺度受限、局部细节重建效果差的等问题。方法 以RGBD-SLAM 算法为基础并提出了两方面的改进,一是将深度图中的平面信息加入帧间配准算法,提高了帧间配准算法的鲁棒性与精度;二是在截断符号距离函数(TSDF)体重建过程中,提出了一种指数权重函数,相比普通的权重函数能更好地减少相机深度畸变对重建的影响。结果 本文方法在相机姿态估计中带来了比RGBD-SLAM方法更好的结果,平均绝对路径误差减少1.3 cm,能取得到更好的重建效果。结论 本文方法有效地提高了相机姿态估计精度,可以应用于室内场景重建中。     

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ORB-SLAM的室内机器人定位和三维稠密地图构建

针对在室内机器人定位和三维稠密地图构建系统中,现有方法无法同时满足高精度定位、大范围和快速性要求的问题,应用具有跟踪、地图构建和重定位三平行线程的ORB-SLAM算法估计机器人三维位姿;然后拼接深度摄像头KINECT获得的三维稠密点云,提出空间域上的关键帧提取方法剔除冗余的视频帧;接着提出子地图法进一步减少地图构建的时间,最终提高算法的整体速度。实验结果表明,所提系统能够在大范围环境中准确定位机器人位置,在运动轨迹为50 m的大范围中,机器人的均方根误差为1.04 m,即误差为2%,同时整体速度为11帧/秒,其中定位速度达到17帧/秒,可以满足室内机器人定位和三维稠密地图构建的精度、大范围和快速性的要求。     

Robust RGB-D simultaneous localization and mapping using planar point features

RGB-D cameras like PrimeSense and Microsoft Kinect are popular sensors in the simultaneous localization and mapping researches on mobile robots because they can provide both vision and depth information. Most of the state-of-the-art RGB-D SLAM systems employ the Iterative Closest Point (ICP) algorithm to align point features, whose spatial positions are computed by the corresponding depth data of the sensors. However, the depth measurements of features are often disturbed by noise because visual features tend to lie at the margins of real objects. In order to reduce the estimation error, we propose a method that extracts and selects the features with reliable depth values, i.e. planar point features. The planar features can benefit the accuracy and robustness of traditional ICP, while holding a reasonable computation cost for real-time applications. An efficient RGB-D SLAM system based on planar features is also demonstrated, with trajectory and map results from open datasets and a physical robot in real-world experiments.     

动态场景下基于语义和光流约束的视觉同步定位与地图构建

针对动态场景下的定位与静态语义地图构建问题,提出了一种基于语义和光流约束的动态环境下的同步定位与地图构建（SLAM）算法,以降低动态物体对定位与建图的影响。首先,对于输入的每一帧,通过语义分割获得图像中物体的掩模,再通过几何方法过滤不符合极线约束的特征点;接着,结合物体掩模与光流计算出每个物体的动态概率,根据动态概率过滤特征点以得到静态特征点,再利用静态特征点进行后续的相机位姿估计;然后,基于RGB-D图片和物体动态概率建立静态点云,并结合语义分割建立语义八叉树地图。最后,基于静态点云与语义分割创建稀疏语义地图。公共TUM数据集上的测试结果表明,高动态场景下,所提算法与ORB-SLAM2相比,在绝对轨迹误差和相对位姿误差上能取得95%以上的性能提升,与DS-SLAM、DynaSLAM相比分别减小了41%和11%的绝对轨迹误差,验证了该算法在高动态场景中具有较好的定位精度和鲁棒性。地图构建的实验结果表明,所提算法创建了静态语义地图,与点云地图相比,稀疏语义地图的存储空间需求量降低了99%。     

基于粒子群优化的Rao-Blackwellized粒子滤波SLAM算法

为了实现在高相似度环境中移动机器人精确高效的自定位与建图,提出了一种基于粒子群优化（ PSO）的Rao-Blackwellized粒子滤波同步定位与地图构建（ SLAM）算法。利用激光扫描数据校正里程计信息,得到多模态的似然函数,克服相似环境对机器人定位的影响;利用粒子群优化算法提高常规粒子滤波器的估计性能,使得高似然采样集向各个后验概率密度分布取值极大的区域运动,同时保持低似然粒子多样性,从而在一定程度上克服粒子贫乏问题,并且显著地降低精确定位所需的粒子数。对所提算法与Gmapping算法在MIT数据集上进行仿真对比实验,结果表明了该算法的可行性和有效性。     

基于扫描匹配预处理的即时定位与地图创建

研究了室内自主移动机器人的即时定位与地图创建问题。分析了目前解决SLAM问题的方法,提出了基于扫描匹配预处理的即时定位与地图创建,用扫描匹配为SLAM提供机器人先验位姿信息。对实验结果和数据的分析,得出了所提出方法可进一步提高SLAM的精度和鲁棒性。     

基于语义分割的室内动态场景同步定位与语义建图

针对动态物体在室内同步定位与地图构建（SLAM）系统中影响位姿估计的问题，提出一种动态场景下基于语义分割的SLAM系统。在相机捕获图像后，首先用PSPNet（Pyramid Scene Parsing Network）对图像进行语义分割；之后提取图像特征点，剔除分布在动态物体内的特征点，并用静态的特征点进行相机位姿估计；最后完成语义点云图和语义八叉树地图的构建。在公开数据集上的五个动态序列进行多次对比测试的结果表明，相对于使用SegNet网络的SLAM系统，所提系统的绝对轨迹误差的标准偏差有6.9%~89.8%的下降，平移和旋转漂移的标准偏差在高动态场景中的最佳效果也能分别提升73.61%和72.90%。结果表明，改进的系统能够显著减小动态场景下位姿估计的误差，准确地在动态场景中进行相机位姿估计。