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。     

基于局部子地图方法的多机器人主动同时定位与地图创建

研究了多机器人在未知环境下以主动的方式协作完成同时定位与地图创建（SLAM）的问题．引入局部子地图方法,由每个机器人建立自身周围局部区域的子地图,使多个机器人之间的地图创建相互独立,从而对全局环境的SLAM问题进行分解．而每个机器人在建立局部子地图时将主动SLAM问题转化为多目标优化问题;机器人选取最优的控制输入,使定位与地图创建的准确性、信息增益以及多机器人之间的协调关系得到综合优化．最后,通过扩展的卡尔曼滤波器（EKF）对子地图进行融合得到全局地图．仿真结果验证了该方法的有效性．     

多机器人协同SLAM技术研究进展

由于单机器人同步定位与建图（SLAM）技术在实际应用中的局限性,多机器人协同SLAM技术以较强的灵活性和鲁棒性受到研究人员的广泛关注,并且在农业生产、环境监测、海上搜救等领域具有巨大应用前景。多机器人协同SLAM是多机器人协同工作的核心及大范围复杂环境内及时获得场景感知信息的关键,能使多个机器人在协同工作时共同定位并构建任务空间地图,主要基于单机器人SLAM算法、多机器人系统架构、地图融合等技术实现。结合多机器人协同SLAM的发展历程,对比分析当前主流的多机器人协同SLAM算法。从传感器的角度,将多机器人协同SLAM分为激光协同SLAM、视觉协同SLAM以及激光视觉融合协同SLAM三类,并对多机器人协同SLAM的架构选择、多机通信、相对位姿、地图融合和后端优化问题进行讨论,同时指出异构机器人协同、基于深度学习的语义SLAM是多机器人协同SLAM的未来发展趋势。     

PLP-SLAM:基于点、线、面特征融合的视觉SLAM方法

基于点特征的视觉SLAM(同时定位与地图构建)算法存在计算量大、环境存储空间负荷高、定位误差较大的问题,为此,提出了一种基于点、线段、平面特征融合的视觉SLAM算法——PLP-SLAM.在扩展卡尔曼滤波(EKF)框架下,首先利用点特征估计机器人当前位姿,然后构建了基于点、线、平面特征的观测模型,最后建立了带平面约束的线段特征数据关联方法及系统状态更新模型,并利用线段和平面特征描述环境信息.在公开数据集上进行了实验,结果表明,本文PLP-SLAM算法能够成功完成SLAM任务,平均定位误差为2.3 m,优于基于点特征的SLAM方法,并通过基于不同特征的SLAM实验表明了本文提出的点、线、面特征融合的优越性.     

基于粒子滤波的移动机器人SLAM改进算法

针对未知环境中移动机器人同时定位和地图创建（Simultaneous Localization and Map Building,SLAM）由于机器人位姿和环境地图都不确定导致定位和地图创建变得更加复杂,提出一种局部最优（全局次优）参数法,即通过局部最优的位姿创建局部最优的环境地图,再通过局部最优的环境地图寻求局部最优的位姿,如此交替进行,直到得到全局确定性的位姿和确定性的环境地图。实验结果表明,同标准的基于粒子滤波的SLAM 算法（Particle Filtering-SLAM,PF-SLAM）比较,改进的算法提高了机器人SLAM过程中定位的准确度和地图创建的精确度,为机器人在未知的室外大环境同时定位和地图创建提供新的方法。     

基于激光雷达增强的视觉SLAM多机器人协作地图构建方法的研究

针对光线强度对机器人视觉同步定位与地图构建（Simultaneous Localization and Mapping, SLAM）建图信息量、时效性和鲁棒性影响大的问题,提出一种基于激光雷达（Light Detection And Ranging,LiDAR）增强的视觉SLAM多机器人协作地图构建方法。在地图构建过程中,将LiDAR深度测量值集成到现有的特征点检测和特征描述子同步定位与地图构建（Oriented FAST and Rotated BRIEF-Simultaneous Localization and Mapping,ORB-SLAM3）算法中,利用改进的扩展卡尔曼滤波算法将激光雷达的高精度数据和视觉传感器的时序信息融合在一起,获得单个机器人的位姿状态,结合深度图进行单个机器人稠密点云地图的构建;利用关键帧跟踪模型和迭代最近点（Iterative Closest Point, ICP）算法得到存在共识关系的机器人之间的坐标转换关系,进而得到各机器人的世界坐标系,在世界坐标系中实现多机器人协作地图的融合与构建。在Gazebo仿真平台中实验验证了方法的时效性和鲁棒性。     

基于近红外视觉的机器人室外定位系统

在光照条件可变且存在电磁干扰的环境下,针对机器人室外导航任务,提出了一种基于全景近红外视 觉和编码路标的自定位系统．通过近红外光源照明,利用全景视觉识别采用条形编码格式的路标,并利用扩展卡尔 曼滤波算法（EKF）融合视觉数据和里程计数据,从而实现机器人自定位．实验证明,该方法消除了室外大范围导航 时光照变化对机器人定位结果的影响．     

基于视觉的机器人自主定位与障碍物检测方法

针对稀疏型同时定位与地图构建（SLAM）算法环境信息丢失导致无法检测障碍物问题，提出一种基于视觉的机器人自主定位与障碍物检测方法。首先，利用双目相机得到观测场景的视差图。然后，在机器人操作系统（ROS）架构下，同时运行定位与建图和障碍物检测两个节点。定位与建图节点基于ORB-SLAM2完成位姿估计与环境建图。障碍物检测节点引入深度阈值，将视差图二值化；运用轮廓提取算法得到障碍物轮廓信息并计算障碍物凸包面积；再引入面积阈值，剔除误检测区域，从而实时准确地解算出障碍物坐标。最后，将检测到的障碍物信息插入到环境的稀疏特征地图当中。实验结果表明，该方法能够在实现机器人自主定位的同时，快速检测出环境中的障碍物，检测精度能够保证机器人顺利避障。     

一种改进的粒子滤波SLAM算法*

提出一种改进的粒子滤波SLAM（simultaneous localization and map building）同时定位和地图创建实现方法。改进方法让机器人大约行进10步完成基于局部已创建地图下的粒子滤波定位后,再利用激光传感器探测环境并更新创建的地图;同时在利用粒子滤波定位时,使粒子只分布在由航位推算法得出的机器人位姿附近,从而可有效地减少粒子的数量。实验结果表明,与标准的粒子滤波SLAM 算法比较,改进算法提高了机器人SLAM过程中定位和地图创建的精度和实时性,并为移动机器人在室外未知环境同时定位和地图创建提供了新方法。     

Virtual manipulator-based binocular stereo vision positioning system and errors modelling

There is a bottleneck of mobile robots positioning technologies for uncertain goals in complex field environment. Owing to the disturbance of the environment, the objects are hard to be located precisely by robot manipulator. Aiming at the positioning problem, binocular stereo vision system and positioning principle of the picking manipulator in virtual environment (VE) were proposed and expatiated upon; in addition, the manipulator positioning model was built in VE, and the manipulator positioning simulation system was developed by Microsoft Visual C++ 6.0; and the binocular stereo vision system platform with a three-coordinate guideway positioning was constructed for test; what’s more the error sources of vision positioning system was analyzed, and the camera system error was established; the mathematical model of experimental error and the camera calibration matching error were also found; with the developed robot manipulator positioning simulation software and vision system hardware, an experimental platform of positioning system was constructed, and using the platform, the stereo vision data was mapped to the manipulator and was guiding the accurate positioning in VE. Finally, experiment of positioning error compensation was carried out. Results of simulation in VE and the experiment showed that the vision positioning method was feasible for positioning in the field environment; it can be applied to control robot operation and to correct the positioning errors in real-time, especially to the long-range precision modelling and error compensation of robots.     

移动机器人超宽带与视觉惯性里程计组合的室内定位算法

对于移动机器人在室内环境的定位任务,新兴的基于视觉惯性里程计（VIO）的辅助定位技术受光线条件限制大,无法在黑暗环境中工作,且超宽带（UWB）定位易受非视距（NLOS）误差影响。针对以上问题,提出一种UWB与VIO组合的室内移动机器人定位算法。首先,采用立体视觉多状态约束下的Kalman滤波器（S-MSCKF）算法/双边双向测距（DS-TWR）算法和三边定位法,分别得到VIO输出的位置信息/UWB解算的定位信息;然后,建立位置测量系统的运动方程与观测方程;最后,通过误差状态扩展卡尔曼滤波（ES-EKF）算法来进行数据融合,得到机器人的最优位置估计。使用搭建的移动定位平台在不同的室内环境下对组合定位方算法进行验证。实验结果表明在有障碍物的室内环境下,与单一UWB定位方法相比,所提算法的总体定位的最大误差减小了约4.4%,均方误差减小了约6.3%;与VIO定位方法相比,所提算法的总体定位的最大误差减小了约31.5%,均方误差减小了约60.3%。可见所提算法可为室内环境下的移动机器人提供实时、精确且鲁棒的定位结果。     

基于多传感器融合的移动机器人定位

针对移动机器人定位系统中单一传感器定位精度低与环境地图的重要性问题, 提出了一种基于多传感器融合的移动机器人定位方法. 首先, 在未知环境下, 分别利用单一里程计, 扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter,EKF)算法融合里程计、惯性测量单元(inertial measurement unit, ...     

Vision-based 3-D trajectory tracking for unknown environments

This paper describes a vision-based system for 3-D localization of a mobile robot in a natural environment. The system includes a mountable head with three on-board charge-coupled device cameras that can be installed on the robot. The main emphasis of this paper is on the ability to estimate the motion of the robot independently from any prior scene knowledge, landmark, or extra sensory devices. Distinctive scene features are identified using a novel algorithm, and their 3-D locations are estimated with high accuracy by a stereo algorithm. Using new two-stage feature tracking and iterative motion estimation in a symbiotic manner, precise motion vectors are obtained. The 3-D positions of scene features and the robot are refined by a Kalman filtering approach with a complete error-propagation modeling scheme. Experimental results show that good tracking and localization can be achieved using the proposed vision system.     

图像尺寸对机器人视觉定位实时性的影响研究

尺度不变特征变换（Scale Invariant Feature Transform,SIFT）算法由于具有尺度、旋转和光照不变等特性,被广泛应用到移动机器人视觉定位领域。由于定位计算中使用的特定标示物图像及背景图像的尺寸对定位计算时间影响较大,为提高移动机器人视觉定位的实时性能,分别改变待识别图像以及背景图像的尺寸,进行了图像匹配实时性测试实验。实验结果表明,特定标示物图像和背景图像的尺寸缩小到40%～60%时,移动机器人视觉定位实时性提高30%～40%左右,特征点数减少20%～30%左右。在满足定位精度要求的情况下,大大提高了定位的实时性。由此可知,通过合理选择图像的尺寸不仅可以满足匹配精度,还能提高移动机器人的视觉定位效率,对于类似该实验使用的移动机器人视觉定位具有广泛的指导意义。     

结合机器视觉的采摘机械手的定位仿真研究

对水果采摘机械手空间定位机理进行了研究,分析了双目立体视觉系统的定位误差并建立视觉误差补偿机制,利用虚拟机械手开发软件和CCD视觉硬件构建了仿真系统,通过双目立体视觉获取空间位置数据映射到虚拟环境下引导机械手进行模拟采摘。该系统利用多领域知识融合实现了采摘机构与视觉关联精确定位的仿真,能有效地指导实际作业环境中采摘机械手精确定位的优化设计。     

纯方位角目标跟踪及移动平台可观性控制方法

为了解决未知环境下的单目视觉移动机器人目标跟踪问题,提出了一种将目标状态估计与机器人可观性控制相结合的机器人同时定位、地图构建与目标跟踪方法。在状态估计方面,以机器人单目视觉同时定位与地图构建为基础,设计了扩展式卡尔曼滤波框架下的目标跟踪算法;在机器人可观性控制方面,设计了基于目标协方差阵更新最大化的优化控制方法。该方法能够实现机器人在单目视觉条件下对自身状态、环境状态、目标状态的同步估计以及目标跟随。仿真和原型样机实验验证了目标状态估计和机器人控制之间的耦合关系,证明了方法的准确性和有效性,结果表明:机器人将产生螺旋状机动运动轨迹,同时,目标跟踪和机器人定位精度与机器人机动能力成正比例关系。     

WSNs网络下移动机器人HuberM-CKF离散滤波定位*

针对传统移动机器人定位算法精度不高的问题,提出一种基于无线传感器网络HurbM-CKalman滤波(HCKF)算法的移动机器人定位算法。利用HurbM极大似然估计代价函数,求解线性化后CKF观测矩阵,从而解决CKF滤波算法在未知非高斯白噪声干扰下估计精度不高问题。然后,在体育馆基于WSNs网络构建了移动机器人定位实验环境,并结合移动机器人动力学模型,对HCKF、CKF算法的定位精度进行对比。结果显示,在不含噪声干扰和含未知噪声干扰两种情况下,HCKF算法定位精度分别比CKF算法提高7%和15%。     

Optimal landmark selection for triangulation of robot position

A mobile robot can identify its own position relative to a global environment model by using triangulation based on three landmarks in the environment. It is shown that this procedure may be very sensitive to noise depending on spatial landmark configuration, and relative position between robot and landmarks. A general analysis is presented which permits prediction of the uncertainty in the triangulated position.

In addition an algorithm is presented for automatic selection of optimal landmarks. This algorithm enables a robot to continuously base its position computation on the set of available landmarks, which provides the least noise sensitive position estimate. It is demonstrated that using this algorithm can result in more than one order of magnitude reduction in uncertainty.     

冷凝管水下视觉定位系统研究

根据机器人水下工作环境和工况要求,针对冷凝管清洗设备坐标输入法定位不准的问题引入了机器视觉技术,分析了系统的可行性设计,设计了一套基于DSP的嵌入式机器视觉系统,并详细叙述了照明方式、图像采集模块、图像处理模块的组成及工作原理,最后结合系统应用要求和算法的实时性,通过最大方差法及重心法完成了管口圆心的定位。该视觉系统取得良好的实验结果,能在一定程度上提高整个机器人系统的集成度、定位的快速性与精确度。