考虑融合多传感器误差项优化方法的定位技术研究

为了实现移动机器人的精确自主定位,根据不同传感器的测量原理定义了视觉误差和惯性测量单元误差项,采用基于图优化的思想构建一个最小二乘问题的位姿估计器数学模型,并把多种传感器的误差项添加到估计器中,使用优化工具求解出最优的位姿,实现多传感器的融合定位。通过在仿真实验平台上运行公共数据集,实验结果表明单传感器的定位方案因为尺度模糊和累计漂移的问题在绝对位姿误差平均值达到7.942 m,而融合多传感器的定位方案的绝对位姿误差平均值为0.234 m,说明融合多传感器的定位方案比单传感器定位方案在定位上更加准确和鲁棒。     

基于二维码的相机位姿求解

针对视觉机器人定位问题,提出基于二维码的相机位姿求解方法,以实现视觉机器人的精准定位.利用开源计算机视觉库(open source computer vision library,OpenCV),首先对二维码的标准位置和相机进行标定;其次对图像进行预处理,得到二维码准确的边缘轮廓;然后利用循环遍历和最大距离算法求解特征点,对于像素过低导致的边缘失真采用"像素突变"算法进行优化;最后利用特征点通过坐标变换求解出相机位姿.在实际场景中对该方法进行测试,试验结果表明算法的旋转轴误差为±0.18 m,旋转角误差为±2°,平移量总误差为±0.02 m,可以有效地对视觉机器人进行精准定位.     

融合码盘和激光雷达的里程计与建图

提出了一种用于自动驾驶汽车的低漂移、低延迟的里程计与高精度建图的算法。该方法融合了多种传感器的测量结果，包括车轮编码器、转向盘转角编码器、激光雷达及可选GPS等的测量结果。里程计算法由车轮里程计和激光里程计组成：前者基于车辆运动学模型，高频、实时估计位姿增量，用于点云去畸变和为后者优化位姿提供可用的初值；后者以较低的频率估计车辆的精确位姿变化，以补偿前者累计的误差，其核心是一种基于角度度量的两阶段特征提取方法。建图算法基于因子图，包含激光里程计因子、回环因子和可选GPS因子，通过增量平滑和建图算法优化全局轨迹，在线生成全局地图，其中GPS因子能够自动对齐GPS坐标系和里程计坐标系，逐步融合GPS测量值，解除了算法初始化过程对于GPS的依赖。所提出的方法在自动驾驶汽车平台数据集上进行了评估，并和已开源的部分相关工作进行对比，结果表明它具有更低的漂移率，在本文进行的最大规模的测试中达到了0.53%。相关代码以开源形式供交流参考（https：//github.com/Saki-Chen/W-LOAM）。     

一种改进的面向SLAM系统的相机位姿估计方法

相机位姿估计是SLAM系统的关键环节,影响着整个SLAM系统的精度和效率.针对SLAM中相机位姿估计存在的问题,提出了一种改进的相机位姿估计方法.该方法的主要思路是将特征点法和直接法结合起来,以此来提升特征点数量不足时相机位姿估计的精度和鲁棒性.首先,提出了一个将相机运动模型和图像划分相结合的特征匹配算法,该算法在保证匹配速度的同时,提高了特征匹配的精度与数量.其次,在特征点的基础上,通过引入光度信息,提出了表观形状加权融合的相机位姿估计方法,该方法在缺乏特征点时依然可以稳定工作.最后,基于优选的关键帧,实现了局部与全局融合的相机位姿优化,其中局部优化通过构建局部关键帧共视关系实现;全局优化通过基于闭环检测构建的位姿图来实现.为验证上述位姿优化方法的性能,构建了基于该方法的SLAM系统,并在当前流行的场景图像数据集上进行了重建实验,重建结果验证了本文方法的有效性.     

基于改进ICP算法的室内环境三维地图创建研究

提出一种基于离散选取机制的改进特征点ICP算法,并设计了基于该算法的三维地图创建方法.该方法分为3个阶段,首先提取并匹配相机运动过程中采集的RGB彩色图像中的SURF特征点;然后结合RANSAC算法进行初始配准,优化特征点集初始位姿、去除误匹配,并结合基于离散选取机制的特征点ICP算法进行精确配准;最后利用g2o图优化算法结合关键帧实现对相机运动轨迹的优化,减少累计误差,并将相机采集到的点云数据根据相机当前位姿构建三维点云地图.经过在5个公开数据集环境下进行实验对比,证明本方法的可行性和有效性,在相机运动长度为15.989 m的情况下误差仅为0.059 m,且能够准确地创建实验环境的三维地图.     

移动卫星通信系统组合姿态估计算法

针对宽带移动卫星通信系统传感器直接融合姿态估计算法易受外界因素干扰、估算误差难以校正的问题,提出了一种移动卫星通信系统组合姿态估计算法。该算法以移动卫星地球站载体的位置误差、速度误差和姿态误差为系统状态量,建立了9状态的组合导航姿态估计模型;通过使用GPS航向角辅助观测解决了组合姿态估计算法航向角可观性弱、姿态角估计值易发散的问题;通过将转弯判断规则和Sage-Husa自适应控制算法进行融合,降低了GPS航向角测量误差对姿态估计的影响,提高了组合姿态估计算法的精度。实验结果表明:移动卫星通信系统组合姿态估计算法计算简单、实时性好,姿态估计精度优于传感器直接融合算法,其姿态估计误差可控制在±0.5°以内,最小均方误差值小于0.4,满足低成本宽带移动卫星通信波束对准要求。     

一种基于深度特征的室外环境下激光地图辅助视觉定位方法

针对无GPS或弱GPS信号下的室外环境中的车辆无法定位问题,提出了一种利用激光地图辅助视觉定位方法。首先利用双目相机的视差图的深度与三维激光雷达地图进行匹配,然后通过最小化深度残差来估计六自由度相机位姿,接着利用视觉跟踪产生的良好的初始估计和提出的深度残差方法可有效地估计相机的位姿,最终通过估计相机的位姿完成定位。通过对比多个公开数据集,验证所提方法的准确性和有效性,最后利用实验小车采集校园数据,仿真和实验结果都证明利用此方法的有效性和在室外环境下的视觉定位的准确性。     

基于图优化的单目线特征SLAM算法

提出了基于图优化的单目线特征同时定位和地图构建(SLAM)的方法.首先,针对主流视觉SLAM算法因采用点作为特征而导致构建的点云地图稀疏、难以准确表达环境结构信息等缺点,采用直线作为特征来构建地图.然后,根据现有线特征的SLAM算法都是基于滤波器的SLAM框架、存在线性化及更新效率的问题,采用基于图优化的SLAM解决方案以提高定位精度及地图构建的一致性和准确性.将线特征的Plücker坐标和Cayley参数化方式相结合,一方面采用Plücker坐标便于线性投影计算,另一方面采用Cayley参数化方式有利于线特征参数的非线性优化.仿真实验结果显示:所提出算法的位姿估计误差平方和与均方根误差分别是里程计位姿估计的2.5%和10.5%,是基于EKF线特征SLAM算法估计位姿误差的22.4%和33%,重投影误差仅为45.5像素;实际图像实验中的位姿估计误差平方和为958 cm~2,均方根误差为3.9413 cm,从而证明了所提出算法的有效性和准确性.     

基于改进ICP算法和CAD模型库的单目视觉位姿测量

针对单目视觉条件下测量三维物体的位姿问题,提出一种基于改进迭代最近点(iterative closest point, ICP)算法和CAD(computer aided design)模型库的单目相机位姿测量方法.首先,利用OpenGL绘制物体几何模型,基于一系列虚拟观察点得到物体在虚拟相机下的投影图,提取边缘点集构成模板库;然后,通过改进的Hausdorff距离将待处理图像的边缘点集与模板库的点集模型进行匹配,得到粗略位姿,再在此基础上采用改进的ICP算法对待测图像的边缘点集与物体三维边缘点集进行迭代优化得到精确的位姿参数.实验结果表明,该方法求得的位姿参数误差较小,进而验证了所提方法的有效性.     

一种融合点线特征的视觉里程计架构设计与定位实现

基于视觉的同时定位与地图构建（SLAM）技术是实现移动机器人自主导航的关键.当机器人处在陌生环境中时,通常会利用周围目标的点特征来估计导航相机的位姿,并利用光束法平差来估计相机位姿和特征空间位置.但如果环境中的特征信息不丰富,则无法准确估计相机轨迹,且欧式坐标与反深度信息下的光束法平差部分条件下不收敛.为此,提出了一种在缺少特征点的环境下通过收集深度相机信息,同时利用点特征与线特征融合的视觉里程计,构建了融合视差角光束法平差与基于线特征的光束法平差的策略,从而使重投影误差达到最小化.最后与其他基于特征的SLAM系统进行比较,实验结果表明,在缺少特征点的真实环境中,系统位姿估计的性能与准确度得到提升.      

基于RGB-D图像的具有滤波处理和位姿优化的同时定位与建图

RGB-D相机能够同时获得彩色图像和深度图像,广泛用于同时定位与建图(SLAM)的研究.本研究针对RGB-D SLAM方法进行了两方面的改进:一方面,改进点云滤波方法,从而更有效地去除RGB-D相机数据中的噪声和冗余;另一方面,采用ICP算法提高相机位姿估计的精度,从而提高估计的相机运动轨迹的精度.在公开的数据集上对提出的RGB-D SLAM方法进行实验验证,结果表明,该方法能够有效提高移动机器人自主定位与建图的精度.     

融合光度和深度的视觉里程计改进算法

针对视觉里程计中对纹理较少的环境难以获得高精度相机位姿的问题,提出一种融合光度和深度的视觉同步定位与绘图(SLAM)方法.首先构造基于光度和深度的相机位姿优化函数,通过t分布模型计算每个像素点的光度和深度误差权重,对每一帧图像引入帧权重系数λ来平衡光度和深度,并采用中值法求解帧权重λ,求得相机位姿.然后对10个国际标准数据集进行仿真实验,结果表明,对纹理丰富的环境,本方法能够保持DVO SLAM算法的建图精度;对纹理较少的环境,本方法的建图精度要高于DVO SLAM算法,绝对路径误差降低31.6%,相对位姿误差降低19.4%.     

综合卡尔曼滤波的多传感器协同室外定位研究

为了拓展移动机器人应用场景、满足室外定位的高精度需求,提出一种基于综合卡尔曼滤波的协同室外定位算法,可解决室外复杂环境下独立传感器失灵、机器人实时定位漂移的问题.首先构建GPS和超宽频非线性定位系统模型,测试不同滤波算法对该模型的预测效果,分析对比解算速度和均方根误差,从而确定适合定位系统的最优算法;然后针对GPS信号受环境遮挡导致丢失或失准的情况,构建超宽频和惯性测量单元非线性定位补偿系统,利用基于误差的卡尔曼滤波算法预测机器人位置姿态;通过融合两种非线性系统下估计得到的不同状态向量,确定机器人室外真实位置姿态,进一步提高机器人室外定位精度,保证定位系统的稳定性.试验验证表明,本文算法室外定位误差小于10 cm,在GPS信号微弱的环境下能实时估计目标位置姿态,大幅度降低障碍物干扰的影响,准确预测机器人位置.     

基于流形优化法的相机位姿估计

为了减小正交迭代法用于跟踪相机位姿的累积误差,提出基于流形优化方法的估计相机位姿新颖算法.算法利用共线性误差模型将位姿估计转化为流形上实值函数最小化问题,然后运用微分几何的结论进行目标优化.优化过程包括搜索更新向量和收缩映射:在流形仿射切空间内对目标函数进行泰勒展开以搜索函数的零切向量场;用收缩映射将偏离流形的点重新映...     

基于船舶的GPS/单陀螺航向融合算法

研究一种应用于船舶的GPS/单陀螺航向融合算法.首先,根据陀螺输出的角速率来估算船舶航向角信息;然后,采用改进的卡尔曼滤波的GPS/单陀螺融合算法,估算出陀螺的航向角估计误差和陀螺的漂移;最后,得出船舶航向角的准确信息.试验结果表明,该融合算法使得航向角实际应用误差控制在±1°之内,其输出值相当平滑,是一种有效的航向角确定算法.     

GPS/INS延时估计与基于残差重构的延时补偿算法

传感器采样延时是多传感器信息融合过程中面临的一个重要问题,全球定位系统/惯性导航系统(GPS/INS)的组合导航系统是智能汽车常用定位方式,但常面对GPS采样延时的问题,因而会造成对INS误差状态的错误估计,影响定位定速的精度.本文针对该问题,在传统的GPS/INS松耦合组合导航模型的基础上提出一种延时估计和补偿的算法.首先建立延时估计模型,估计时间同步误差,然后构建残差传播方程,利用残差重构的方式进行延时补偿,实现基于软件的时间同步.根据试验中对速度、位置误差及均方根误差的分析,改进的滤波算法有效地降低了GPS采样延时引入的误差,提高了定位和定速的精度.     

基于粒子滤波的移动机器人SLAM算法

针对FastSLAM算法对传感器精度要求较高,不适用于方向性差的超声传感器问题,提出了一种基于超声概率栅格地图环境特征点提取匹配的移动机器人粒子滤波同时定位与地图创建(SLAM)算法.该算法可分解为机器人位姿估计和环境路标估计2个部分.基于蒙特卡罗定位原理利用粒子滤波算法对机器人运动轨迹进行估计;在建立全局超声概率栅格地图的基础上,利用概率栅格地图环境特征提取算法对环境路标坐标进行估计.实验证明,该算法较好地解决了超声测距传感器由于散射角大带来的特征点估计不准的问题,对环境路标和机器人轨迹的估计都比较准确.并对移动机器人累计误差进行了有效的补偿,减少了由于累积误差造成的移动机器人轨迹扭曲失真.     

一种利用RAC模型改进的DLT相机位姿估计方法

相机的n点透视(PnP)问题在机器视觉、无人机自主降落、机器人控制以及相机测量等领域有着极其重要的意义。直接线性转换(DLT)算法作为一种经典的Pn P算法,能够快速地估计相机的位姿参数,但DLT算法的位姿估计结果,尤其是对转移矩阵的估计,误差较大,抗噪能力弱,很难应用于具有一定噪声的实际环境中。利用RAC模型对DLT算法进行改进,并通过模拟实验和真实实验进行算法测试。结果表明,改进的算法在保持了DLT高效率的同时,大大提升了算法的精度和稳定性。     

DOA估计的可靠性评判及多阵列三角定位

提出了一种DOA（derection of arrival）估计可靠性评判准则，试验数据验证了该可靠性评判准则的有效性。DOA估计误差分析表明，目标信号信噪比、传感器失效和采集系统故障等原因均可能导致传感器信号相关性下降或者丢失，而使得DOA估计出现重大偏差；利用可靠性条件，能够方便判定估计DOA的可靠程度。将DOA估计算法及可靠性条件，应用到多DOA三角定位试验中，定位结果表明，该可靠性条件能够有效避免目标位置估计出现野值。     

动态环境下改进ICP算法的RGB-D SLAM研究

针对传统的ICP(Iterative Closest Points)算法,无法满足室内动态环境下SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)算法的准确性要求,提出了一种融合特征点结构相似性判断的ICP改进算法;通过在特征点集中引入三角形结构约束,实现两组点集中的动态匹配点与误匹配点的剔除,进而提高ORB特征点匹配的准确性;与传统的SLAM算法相比,改进后的算法对相机位姿的估计更加准确;通过在Linux系统下的仿真实验,结合特征点三角几何约束的ICP算法能够有效解决动态对象对相机位姿估计的影响,提高RGB-D SLAM在动态场景下的定位精度。