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。     

基于人工路标的易部署室内机器人全局定位系统

在一些布局易变或存在较多动态障碍物的室内,移动机器人的全局定位依然面临较大的应用挑战.针对这类场景,实现了一种新的基于人工路标的易部署室内机器人全局定位系统.该系统将人工路标粘贴在不易被遮挡的天花板上来作为参照物,仅依赖一个摄像头即能实现稳定的全局定位.整个系统根据具体的功能分为地图构建和全局定位两个过程.在地图构建过程中,系统使用激光SLAM算法所输出的位姿估计结果为基准,根据相机对路标点的观测信息来自动估计人工路标点在全局坐标系中的位姿,建立人工路标地图.而在全局定位过程中,该系统则是根据相机对地图中已知位姿的人工路标点的观测信息,结合里程计与IMU融合的预积分信息来对位姿进行实时估计.充分的实验测试表明,机器人在该系统所部署范围内运行的定位误差稳定在10 cm以内,且运行过程可以保证实时位姿输出,满足典型实际室内移动机器人全局定位的应用需求.     

面向半稠密三维重建的改进单目ORB-SLAM

构建更详细的地图以及估计更精准的相机位姿一直都是同时定位与地图构建（Simultaneous Localization And Mapping,SLAM）技术所追求的目标,但是以上目标与实时性要求、较低的计算代价和受限的计算资源条件是相矛盾的。提出一种在单目ORB-SLAM（Oriented FAST and Rotated BRIEF-SLAM）方法的基础上利用关键帧中提取到的直线特征进行半稠密三维重建的方法。由ORB-SLAM实时提供一组关键帧及其对应的相机位姿信息和一系列地图点,提出一种关键帧再剔除算法进一步减少冗余帧数目,使用直线段提取方法提取各帧中的直线段,使用纯几何约束方法对以上检测得到的直线段进行匹配,生成一个由直线段构成的半稠密三维场景模型。实验结果表明新方法持续稳定的运行,能在低计算代价条件下快速地在线三维重建。     

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。     

煤矿巡检机器人同步定位与地图构建方法研究

针对煤矿井下无GPS环境下巡检机器人自主定位问题,研究了基于激光雷达的同步定位与地图构建方法。首先建立激光雷达观测模型和里程计预测模型,将机器人定位和地图构建的实际问题转换为概率数学模型的逻辑推理问题。同时采用自适应蒙特卡罗定位算法进行机器人实时位姿估计,提出了根据粒子权重(地图的匹配度)进行重采样的方法,以去除权重小的粒子,实现了用较少、较好粒子精确表达机器人位姿的后验概率分布,满足机器人利用传感器在栅格地图上实时定位的需求。通过对Fast-SLAM算法进行优化,减少了粒子数量,缓解了粒子耗散,提高了地图构建的精确性。实验结果表明,基于激光雷达的同步定位与地图构建方法有效解决了巡检机器人实时位姿估计和环境地图构建的问题,结合自适应蒙特卡罗定位算法和优化Fast-SLAM算法提高了机器人定位的自适应性和地图构建的精确性。     

融合直接法与特征法的快速双目SLAM算法

为了实时得到搭载双目相机的机器人准确的3维位姿状态和环境信息,提出一种融合直接法与特征法的双目SLAM(同时定位与地图创建)算法.该算法主要分为4个线程:跟踪线程、特征提取线程、局部建图线程和闭环线程.跟踪线程通过最小化图像光度误差,获取双目的初始位姿估计和特征对应关系,而后通过最小化局部地图点的重投影误差,得到更为准确的机器人位姿估计.特征提取线程负责提取关键帧的关键点和描述子,能够保证待处理的关键帧较多时不影响后续局部建图线程的执行.局部建图线程管理局部地图,执行局部BA(光束平差法),优化局部关键帧位姿和局部地图点的位置,提高SLAM的局部一致性.闭环线程通过对关键帧的闭环检测和优化,提高SLAM的全局一致性.另外利用闭环线程处理机器人被绑架后重回已探测环境的定位问题.KITTI数据集、TUM数据集以及采集的双目数据实验表明,本文算法相对于ORB-SLAM2算法,在保证定位精度的同时,有效提高了相机位姿的输出帧率,并且在机器人被绑架的情况下,能够得到更为丰富的姿态信息和环境信息.     

基于ORB-SLAM2的四足机器人定位和建图

四足机器人被认为是灾后救援、野外探索以及危险环境巡逻搜查的最佳移动平台,而定位与建图又是机器人在复杂地势环境进行自主行走的前提。搭建了一个基于四连杆并联机构的四足机器人运动平台,并且针对该四足机器人设计了相应的运动控制算法。为解决四足机器人在复杂环境中的地图构建与定位难题,采用ORB-SLAM2算法进行四足机器人的三维位姿估计,同时构建一个线程用于三维稠密点云信息的获取与拼接,并最终实现了在复杂环境中的四足机器人定位与建图功能。     

基于三角剖分的内窥镜肠道手术机器人体素地图构建方法

面向全自主内窥镜机器人诊疗系统,提出一种人体肠道内部结构体素地图构建方法,来实现内窥镜位姿的准确估计,同时构建可以用于手术机器人导航的体素地图.该方法使用单目内窥镜采集肠道内部图像序列,首先基于单目SLAM(同步定位与地图创建)方法估计内窥镜轨迹,同时针对肠道内部结构构建稀疏地图.然后基于稀疏特征点地图,提出一种基于三角剖分的稀疏地图稠密化方案,构建具有稠密几何信息、利于手术器械路径规划的体素地图.分别在模拟肠道和离体猪肠道内进行体素地图构建的实验研究和误差评估,在模拟肠道中直径和病灶尺寸的均方误差分别为1.16 mm和0.81 mm,内窥镜定位均方误差为2.163 mm.     

基于激光测距仪全局匹配扫描的SLAM算法研究

针对传统的SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)算法构建地图时容易受环境因素和外界条件的的影响,在非线性系统状态下误差修正能力不足,且当机器人位姿都处于未知状态时,移动机器人位姿获取不精确,地图构建SLAM技术特征量的获取比较繁琐、不准确等问题。以电力巡检机器人为平台,研究了基于全局匹配的扫描算法,摒弃传统的栅格地图模型的插值方法,采用双线性滤波的插值方法,保证子栅格单元的精确性,估算栅格占用函数的概率和导数。最后采用此算法解决了SLAM地图构建的问题,并分别在室内室外环境进行实验。实验结果表明：基于激光测距仪的全局匹配扫描的SALM算法,在室内室外两种不同环境下,不受复杂背景的影响,准确地进行机器人位姿定位,以及环境地图的构建     

面向室内动态环境的半直接法RGB-D SLAM算法

为了解决室内动态环境下移动机器人的准确定位问题,提出了一种融合运动检测算法的半直接法RGB-D视觉SLAM(同时定位与地图创建)算法,它由运动检测、相机位姿估计、基于TSDF (truncated signed distance function)模型的稠密地图构建3个步骤组成.首先,通过最小化图像光度误差,利用稀疏图像对齐算法实现对相机位姿的初步估计.然后,使用视觉里程计的位姿估计对图像进行运动补偿,建立基于图像块实时更新的高斯模型,依据方差变化分割出图像中的运动物体,进而剔除投影在图像运动区域的局部地图点,通过最小化重投影误差对相机位姿进行进一步优化,提升相机位姿估计精度.最后,使用相机位姿和RGB-D相机图像信息构建TSDF稠密地图,利用图像运动检测结果和地图体素块的颜色变化,完成地图在动态环境下的实时更新.实验结果表明,在室内动态环境下,本文算法能够有效提高相机位姿估计精度,实现稠密地图的实时更新,在提升系统鲁棒性的同时也提升了环境重构的准确性.     

基于混合位姿估计模型的移动机器人三维地图创建方法

针对室内复杂环境下的稠密三维建模问题, 提出一种基于RGB-D 相机的移动机器人同时定位与三维地图创建方法. 该方法利用架设在移动机器人上的RGB-D 相机获取环境信息, 根据点云和纹理加权模型建立结合局部纹理约束的混合位姿估计方法, 确保定位精度的同时减小失败率. 在关键帧选取机制下, 结合视觉闭环检测方法, 运用树结构网络优化(TORO) 算法最小化闭环误差, 实现三维地图的全局一致性优化. 在室内环境下的实验结果验证了所提出算法的有效性和可行性.

     

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。     

Development of a real-life EKF based SLAM system for mobile robots employing vision sensing

Developing real-life solutions for implementation of the simultaneous localization and mapping (SLAM) algorithm for mobile robots has been well regarded as a complex problem for quite some time now. Our present work demonstrates a successful real implementation of extended Kalman filter (EKF) based SLAM algorithm for indoor environments, utilizing two web-cam based stereo-vision sensing mechanism. The vision-sensing mechanism is a successful development of a real algorithm for image feature identification in frames grabbed from continuously running videos on two cameras, tracking of these identified features in subsequent frames and incorporation of these landmarks in the map created, utilizing a 3D distance calculation module. The system has been successfully test-run in laboratory environments where the robot is commanded to navigate through some specified waypoints and create a map of its surrounding environment. Our experimentations showed that the estimated positions of the landmarks identified in the map created closely tallies with the actual positions of these landmarks in real-life.     

基于超宽频距离传感器的移动目标定位系统

介绍了一种基于超宽频的高精度距离传感器P410（PulsON410）,阐明了它的测距与通信模块（RCM）和单基站雷达模块（MRM）的2种测距模式与原理,论述了典型的室内定位系统的原理与相关算法。在三边定位算法的基础上建立了参考节点呈等边三角形排列的定位系统,分别实现了在2种测距模式下单移动目标的定位跟踪。分析了该传感器在基于RCM测距模式下进行定位的定位精度。仿真实验结果表明：在等边三角形内部,定位误差分布呈现规律性,由三边向质心呈逐渐降低趋势,为进一步优化该系统的定位精度提供了依据。     

基于Kinect的改进移动机器人视觉SLAM

针对传统ICP（iterative closest points,迭代最近点算法）存在易陷入局部最优、匹配误差大等问题,提出了一种新的欧氏距离和角度阈值双重限制方法,并在此基础上构建了基于Kinect的室内移动机器人RGB-D SLAM（simultaneous localization and mapping）系统。首先,使用Kinect获取室内环境的彩色信息和深度信息,通过图像特征提取与匹配,结合相机内参与像素点深度值,建立三维点云对应关系;然后,利用RANSAC（random sample consensus）算法剔除外点,完成点云的初匹配;采用改进的点云配准算法完成点云的精匹配;最后,在关键帧选取中引入权重,结合g2o（general graph optimization）算法对机器人位姿进行优化。实验证明该方法的有效性与可行性,提高了三维点云地图的精度,并估计出了机器人运行轨迹。     

电缆隧道巡检机器人定位建图系统研究与实现

电缆隧道空间小、环境复杂,因老化及腐蚀易发生火灾,巡检机器人可以通过日常巡检提早发现隐患,但电缆隧道环境存在定位难度大、地图信息缺失的问题。针对以上问题,该文提出了电缆隧道环境下使用IMU、车轮里程计、激光雷达多传感器数据融合的定位建图方法,并设计了该方法的电缆隧道定位建图系统。为了验证定位建图系统的有效性,该文使用该系统进行实验测试,定位、建图能力均可满足巡检要求。     

基于粒子滤波的单目视觉SLAM算法

针对携带有单目摄像机和码盘的微小机器人的定位与建图问题,提出了基于粒子滤波的SLAM(同时定位与建图)算法.从摄像机中提取图像特征点,并在图像序列中加以匹配,根据相应时刻的摄像机位姿计算得到对应的环境标志点坐标;机器人的大致位姿估计由码盘运动模型获得.在机器人移动过程中,环境标志点的观测信息和码盘信息通过粒子滤波相融合,从而提高了机器人定位的精度,同时也得到了更为准确的环境标志点坐标.仿真实验结果表明本算法有效、可靠.     

移动机器人改进激光SLAM算法研究

针对传统RBPF(Rao-Blackwellised particle filter)算法存在定位精度低、粒子退化、粒子多样性丧失的问题,提出了一种基于激光雷达的改进SLAM(simultaneous localization and mapping)算法.首先基于主成分分析法对相邻帧的点云进行粗配准,再采用改进点到线...