基于综合特征SLAM的无人机多传感器融合导航算法研究
发布时间：2021-06-28 18:33
基于特征点或光流的即时定位与地图构建算法（Simutaniously Localization and Mapping,SLAM）与GPS组成的导航系统能满足无人机在大部分场景中的导航需求,但在光照变化大,纹理匮乏,定位精度要求高,GPS不稳定的场景中,上述导航系统表现不佳。此情况一般出现在人造结构环境中,例如射电望远镜等。这类场景包含钢架等结构的边缘产生的“线特征”。在SLAM中利用点和线组成的“综合特征”进行定位,将使无人机在纹理丰富或匮乏的场景中都能实现稳定、精确的导航。针对上述应用需求,本文首先研究了线特征在SLAM中的应用方法。理论层面,本文基于光束平差法（Bundle Adjustment,BA）,提出使用线段进行运动估计的新方法,内容包括线特征的空间表达定义、重投影误差定义,以及重投影误差函数关于相机位姿和三维线特征的雅可比矩阵推导。在此基础上,为实现基于点线综合信息的运动估计,本文提出点线综合图优化模型。实验表明,综合模型的估计精度相对纯点特征模型提高11.24%。为在软件层面实现综合特征SLAM,本文着重研究了前端的实现方法。针对线段的筛选,本文提出一种用于线特征的外...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：137 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 背景与研究意义
1.2 课题来源
1.3 课题研究现状
1.3.1 SLAM基本算法简介
1.3.2 SLAM中线段特征的应用
1.3.3 无人机多传感器融合算法
1.4 研究内容与论文框架
第二章 SLAM中线特征应用方法研究
2.1 李群和李代数意义下相机位姿的表达
2.2 线特征表达与误差选择
2.2.1 重投影误差定义方式分析
2.2.2 线特征的空间表达和误差定义
2.3 运动估计方法
2.3.1 基于点特征的运动估计
2.3.2 基于线特征的运动估计
2.4 基于图优化的综合特征运动估计
2.4.1 图优化与应用实例
2.4.2 综合特征运动估计的模型设计
2.5 本章小结
第三章 综合特征SLAM系统设计
3.1 SLAM系统基本框架
3.2 特征提取匹配的参数调整
3.2.1 ORB特征点提取匹配的参数调整
3.2.2 线段检测和匹配的参数调整
3.2.3 欠特征环境点线特征对比
3.3 特征筛选方法设计
3.3.1 点特征RANSAC框架简介
3.3.2 线特征RANSAC框架设计
3.3.3 基于汉明距离筛选特征点
3.3.4 基于长度和长度比值筛选特征线段
3.4 跟踪与后端机制
3.4.1 帧间跟踪方法
3.4.2 关键帧机制
3.4.3 回环检测
3.5 系统运行效率优化
3.6 保证系统稳定运行的改进
3.6.1 综合特征的筛选机制
3.6.2 鲁棒核函数
3.6.3 运动模型
3.7 本章小结
第四章 基于EKF的多传感器融合导航系统设计
4.1 EKF原理
4.1.1 卡尔曼滤波器
4.1.2 扩展卡尔曼滤波器
4.2 EKF数据融合算法设计
4.2.1 系统动力学模型
4.2.2 改进的EKF软件框架
4.2.3 EKF的参数整定
4.3 导航系统ROS程序架构
4.4 本章小结
第五章 仿真与实验分析
5.1综合特征SLAM的数据集验证实验
5.1.1 Kitti数据集简介
5.1.2 结果与分析
5.2 综合特征SLAM算法实际运行测试
5.2.1 综合特征建图
5.2.2 定位和建图结果分析
5.3基于ROS和 GAZEBO的组合导航系统仿真实验
5.3.1 仿真实验ROS架构
5.3.2 望远镜测量轨迹的飞行要求
5.3.3 仿真结果与循迹飞行分析
5.4 室外飞行测试
5.4.1 硬件测试平台简介
5.4.2 控制系统验证
5.4.3 慢速飞行测试
5.4.4 综合特征SLAM导航系统测试
5.4.5 GPS不稳定工况测试
5.5 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
附录1 室外飞行测试航点数据
附录2 计算机硬件配置表
附录3 ZED双目相机参数表
附录4 仿真时的ROS框图
附录5 实际飞行时的ROS框图
致谢
攻读学位期间的学术成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]新疆奇台110米射电望远镜[J]. 王娜. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2014(08)
硕士论文
[1]基于点线综合特征的双目视觉SLAM方法[D]. 谢晓佳.浙江大学 2017
本文编号：3254835
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：137 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 背景与研究意义
1.2 课题来源
1.3 课题研究现状
1.3.1 SLAM基本算法简介
1.3.2 SLAM中线段特征的应用
1.3.3 无人机多传感器融合算法
1.4 研究内容与论文框架
第二章 SLAM中线特征应用方法研究
2.1 李群和李代数意义下相机位姿的表达
2.2 线特征表达与误差选择
2.2.1 重投影误差定义方式分析
2.2.2 线特征的空间表达和误差定义
2.3 运动估计方法
2.3.1 基于点特征的运动估计
2.3.2 基于线特征的运动估计
2.4 基于图优化的综合特征运动估计
2.4.1 图优化与应用实例
2.4.2 综合特征运动估计的模型设计
2.5 本章小结
第三章 综合特征SLAM系统设计
3.1 SLAM系统基本框架
3.2 特征提取匹配的参数调整
3.2.1 ORB特征点提取匹配的参数调整
3.2.2 线段检测和匹配的参数调整
3.2.3 欠特征环境点线特征对比
3.3 特征筛选方法设计
3.3.1 点特征RANSAC框架简介
3.3.2 线特征RANSAC框架设计
3.3.3 基于汉明距离筛选特征点
3.3.4 基于长度和长度比值筛选特征线段
3.4 跟踪与后端机制
3.4.1 帧间跟踪方法
3.4.2 关键帧机制
3.4.3 回环检测
3.5 系统运行效率优化
3.6 保证系统稳定运行的改进
3.6.1 综合特征的筛选机制
3.6.2 鲁棒核函数
3.6.3 运动模型
3.7 本章小结
第四章 基于EKF的多传感器融合导航系统设计
4.1 EKF原理
4.1.1 卡尔曼滤波器
4.1.2 扩展卡尔曼滤波器
4.2 EKF数据融合算法设计
4.2.1 系统动力学模型
4.2.2 改进的EKF软件框架
4.2.3 EKF的参数整定
4.3 导航系统ROS程序架构
4.4 本章小结
第五章 仿真与实验分析
5.1综合特征SLAM的数据集验证实验
5.1.1 Kitti数据集简介
5.1.2 结果与分析
5.2 综合特征SLAM算法实际运行测试
5.2.1 综合特征建图
5.2.2 定位和建图结果分析
5.3基于ROS和 GAZEBO的组合导航系统仿真实验
5.3.1 仿真实验ROS架构
5.3.2 望远镜测量轨迹的飞行要求
5.3.3 仿真结果与循迹飞行分析
5.4 室外飞行测试
5.4.1 硬件测试平台简介
5.4.2 控制系统验证
5.4.3 慢速飞行测试
5.4.4 综合特征SLAM导航系统测试
5.4.5 GPS不稳定工况测试
5.5 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
附录1 室外飞行测试航点数据
附录2 计算机硬件配置表
附录3 ZED双目相机参数表
附录4 仿真时的ROS框图
附录5 实际飞行时的ROS框图
致谢
攻读学位期间的学术成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]新疆奇台110米射电望远镜[J]. 王娜. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2014(08)
硕士论文
[1]基于点线综合特征的双目视觉SLAM方法[D]. 谢晓佳.浙江大学 2017
本文编号：3254835
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/hangkongsky/3254835.html
