基于视觉SLAM建图的无人机路径规划
发布时间：2022-01-02 05:31
伴随着人工智能的研究热潮,无人机自主飞行受到了广泛的关注和研究,实现无人机自主飞行首先需要具备两个基础的关键技术,一个是三维建图,另一个则是路径规划。同时定位与建图（Simultaneous Localization and Mapping,SLAM）技术是一种十分常用的构建环境地图的核心技术,对无人机的路径规划以及实现自主飞行有着重要的意义。本课题选用深度相机作为感知环境的传感器,设计出能够构建高精度地图的SLAM系统。无人机的路径规划是其导航的基础。快速探索随机树（Rapidly-exploring Random Trees,RRT）算法以极高的灵活性应用广泛。但是RRT算法在三维空间中收敛速度下降,规划出的路径无法保证最优,针对RRT算法的弊端,本课题作出了改进,并将改进的RRT算法应用于无人机的三维路径规划,实现无人机的自主飞行。课题的主要研究内容如下:1、提出了基于ORB特征的一种基于多线程的RGB-D SLAM建图方法。提出在图像中分区域地提取ORB特征的方法,使得提取出的特征点能够均匀地分布在图像上。这一提取方法能有效减少特征误匹配的数量,提高匹配的鲁棒性。进而提出对图像...
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１视觉ＳＬＡＭ功能块划分??Ｆｉｇ．?１－１?Ｖｉｓｕａｌ?ＳＬＡＭ?ｆｕｎｃｔｉｏｎ?ｂｌｏｃｋ?ｄｉｖｉｓｉｏｎ??
Ａ＊?１９８５?：?Ｆｏｃｕｓｅｄ?Ｄ＊?１９９５?Ｌａｚｙ?Ｔｈｅｔａ＊?２０１０??ＰＲＭ??Ｄｉｊｋｓｔｒａ?Ａ＊?ＡＰＦ?Ｄ＊?甲?：Ｔｈｅｔａ＊??１?｜?１９７５?Ｉ?１９９２?丨?１９９５?Ｉ?１９９８?｜?＾??１９５９?１９６８?ｊ?１９８６?！?１９９４?ｉ?１９９６?Ｔ?２００７??－ＧＡ?■?ｉ?■?ＲＲＴ??ＡＣＯ?ＰＳＯ??－ＲＲＴ＊?２０１１??Ｂ基于图搜索算法?■基于智能仿生算法?基于虚拟势场算法?■基于概率采样算法??图１－２路径规划算法分类及发展时间轴??Ｆｉｇ．１－２?Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ?ａｎｄ?ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ?ｔｉｍｅｌｉｎｅ?ｏｆ?ｐａｔｈ?ｐｌａｎｎｉｎｇ?ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ??路径规划算法的分类还有很多［３２＿３５］，本文不再一一赘述。根据不同算法本身的特??点，本文将路径规划算法划分为四大类：基于图搜索的规划算法，基于概率采样的规??划算法，基于虚拟势场的规划算法和基于智能仿生的规划算法，图１－２给出了这四类??规划算法的发展时间轴，目前无人机的三维路径规划算法都是在这些算法的基础上根??据一些特定的要求进行改进的。??路径规划算法作为路径规划的核心，对于这类问题国外的研宄起步较早，己经形??成了比较完善的算法体系。对于全局路径规划算法来说，一般己知环境信息且这些信??息多为静态，常应用于全局规划的算法有：Ｄｉｊｋｓｔｒａ算法，Ａ＊算法等。而对于局部路??径规划则具有较强的动态性，即在检测到动态障碍物时也能重新规划出新路径，同时??具有良好的实时性，应用于这种场景的算法有［３４】：ＲＲＴ和ＡＰＦ以及ＰＲＭ等。??上述这些比
估计问题，但是ＳＬＡＭ模??型具有很强的非线性，因此使用卡尔曼滤波的求解方法得到的优化效果并不好。此外??在优化如视觉ＳＬＡＭ等的非线性系统时采用基于图优化的算法会有更大的优势，能够??更精确地估计出相机位姿和构建地图。因为本课题的主要研宄内容之一是如何使用视??觉ＳＬＡＭ技术进行建图，所以只需关心观测方程。为了构建图优化的目标函数，需要??给出观测方程的具体形式。因为传感器选用的是ＲＧＢ－Ｄ相机，因此有必要了解相机??的针孔成像原理。??广?＼?针孔成像模型??■??Ｚ??图２－１相机的针孔成像模型??Ｆｉｇ．２－１?Ｐｉｎｈｏｌｅ?ｉｍａｇｉｎｇ?ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?ｃａｍｅｒａ??１２??
【参考文献】：
期刊论文
[1]vSLAM在无人机平台上的发展研究综述[J]. 王冠政,汪海洋,程志伟,万紫嫣,文雪,何建华. 计算机工程与应用. 2019(14)
[2]中国无人机遥感技术突破与产业发展综述[J]. 晏磊,廖小罕,周成虎,樊邦奎,龚健雅,崔鹏,郑玉权,谭翔. 地球信息科学学报. 2019(04)
[3]分段优化RRT的无人机动态航迹规划算法[J]. 李文广,孙世宇,李建增,胡永江,张岩. 系统工程与电子技术. 2018(08)
[4]基于双层启发RRT的轻小无人机路径规划研究[J]. 王潇翔,张昊. 航空计算技术. 2017(06)
[5]基于改进RRT算法的无人机航迹规划[J]. 尹高扬,周绍磊,吴青坡. 电子学报. 2017(07)
[6]基于蚁群和改进PRM算法的多目标点路径规划[J]. 杨岱川,文成林. 杭州电子科技大学学报(自然科学版). 2017(03)
[7]无人机快速三维航迹规划算法[J]. 尹高扬,周绍磊,吴青坡. 西北工业大学学报. 2016(04)
[8]基于单目视觉的同时定位与地图构建方法综述[J]. 刘浩敏,章国锋,鲍虎军. 计算机辅助设计与图形学学报. 2016(06)
[9]基于动态步长的无人机三维实时航迹规划[J]. 张帅,李学仁,张建业,张鹏,李博,赵晓林. 北京航空航天大学学报. 2016(12)
[10]基于图优化的同时定位与地图创建综述[J]. 梁明杰,闵华清,罗荣华. 机器人. 2013(04)
硕士论文
[1]面向群目标搜索的无人机航迹规划与跟踪控制研究[D]. 薛楷嘉.南京航空航天大学 2016
本文编号：3563571
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１视觉ＳＬＡＭ功能块划分??Ｆｉｇ．?１－１?Ｖｉｓｕａｌ?ＳＬＡＭ?ｆｕｎｃｔｉｏｎ?ｂｌｏｃｋ?ｄｉｖｉｓｉｏｎ??
Ａ＊?１９８５?：?Ｆｏｃｕｓｅｄ?Ｄ＊?１９９５?Ｌａｚｙ?Ｔｈｅｔａ＊?２０１０??ＰＲＭ??Ｄｉｊｋｓｔｒａ?Ａ＊?ＡＰＦ?Ｄ＊?甲?：Ｔｈｅｔａ＊??１?｜?１９７５?Ｉ?１９９２?丨?１９９５?Ｉ?１９９８?｜?＾??１９５９?１９６８?ｊ?１９８６?！?１９９４?ｉ?１９９６?Ｔ?２００７??－ＧＡ?■?ｉ?■?ＲＲＴ??ＡＣＯ?ＰＳＯ??－ＲＲＴ＊?２０１１??Ｂ基于图搜索算法?■基于智能仿生算法?基于虚拟势场算法?■基于概率采样算法??图１－２路径规划算法分类及发展时间轴??Ｆｉｇ．１－２?Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ?ａｎｄ?ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ?ｔｉｍｅｌｉｎｅ?ｏｆ?ｐａｔｈ?ｐｌａｎｎｉｎｇ?ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ??路径规划算法的分类还有很多［３２＿３５］，本文不再一一赘述。根据不同算法本身的特??点，本文将路径规划算法划分为四大类：基于图搜索的规划算法，基于概率采样的规??划算法，基于虚拟势场的规划算法和基于智能仿生的规划算法，图１－２给出了这四类??规划算法的发展时间轴，目前无人机的三维路径规划算法都是在这些算法的基础上根??据一些特定的要求进行改进的。??路径规划算法作为路径规划的核心，对于这类问题国外的研宄起步较早，己经形??成了比较完善的算法体系。对于全局路径规划算法来说，一般己知环境信息且这些信??息多为静态，常应用于全局规划的算法有：Ｄｉｊｋｓｔｒａ算法，Ａ＊算法等。而对于局部路??径规划则具有较强的动态性，即在检测到动态障碍物时也能重新规划出新路径，同时??具有良好的实时性，应用于这种场景的算法有［３４】：ＲＲＴ和ＡＰＦ以及ＰＲＭ等。??上述这些比
估计问题，但是ＳＬＡＭ模??型具有很强的非线性，因此使用卡尔曼滤波的求解方法得到的优化效果并不好。此外??在优化如视觉ＳＬＡＭ等的非线性系统时采用基于图优化的算法会有更大的优势，能够??更精确地估计出相机位姿和构建地图。因为本课题的主要研宄内容之一是如何使用视??觉ＳＬＡＭ技术进行建图，所以只需关心观测方程。为了构建图优化的目标函数，需要??给出观测方程的具体形式。因为传感器选用的是ＲＧＢ－Ｄ相机，因此有必要了解相机??的针孔成像原理。??广?＼?针孔成像模型??■??Ｚ??图２－１相机的针孔成像模型??Ｆｉｇ．２－１?Ｐｉｎｈｏｌｅ?ｉｍａｇｉｎｇ?ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?ｃａｍｅｒａ??１２??
【参考文献】：
期刊论文
[1]vSLAM在无人机平台上的发展研究综述[J]. 王冠政,汪海洋,程志伟,万紫嫣,文雪,何建华. 计算机工程与应用. 2019(14)
[2]中国无人机遥感技术突破与产业发展综述[J]. 晏磊,廖小罕,周成虎,樊邦奎,龚健雅,崔鹏,郑玉权,谭翔. 地球信息科学学报. 2019(04)
[3]分段优化RRT的无人机动态航迹规划算法[J]. 李文广,孙世宇,李建增,胡永江,张岩. 系统工程与电子技术. 2018(08)
[4]基于双层启发RRT的轻小无人机路径规划研究[J]. 王潇翔,张昊. 航空计算技术. 2017(06)
[5]基于改进RRT算法的无人机航迹规划[J]. 尹高扬,周绍磊,吴青坡. 电子学报. 2017(07)
[6]基于蚁群和改进PRM算法的多目标点路径规划[J]. 杨岱川,文成林. 杭州电子科技大学学报(自然科学版). 2017(03)
[7]无人机快速三维航迹规划算法[J]. 尹高扬,周绍磊,吴青坡. 西北工业大学学报. 2016(04)
[8]基于单目视觉的同时定位与地图构建方法综述[J]. 刘浩敏,章国锋,鲍虎军. 计算机辅助设计与图形学学报. 2016(06)
[9]基于动态步长的无人机三维实时航迹规划[J]. 张帅,李学仁,张建业,张鹏,李博,赵晓林. 北京航空航天大学学报. 2016(12)
[10]基于图优化的同时定位与地图创建综述[J]. 梁明杰,闵华清,罗荣华. 机器人. 2013(04)
硕士论文
[1]面向群目标搜索的无人机航迹规划与跟踪控制研究[D]. 薛楷嘉.南京航空航天大学 2016
本文编号：3563571
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/hangkongsky/3563571.html
