微惯性辅助的激光雷达室内同步建图与定位技术研究

发布时间：2017-06-03 14:01

  本文关键词：微惯性辅助的激光雷达室内同步建图与定位技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：基于激光雷达的同步定位与地图构建系统（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）可以为微小型无人机提供实时的周围未知环境探测与相对定位，是微小型无人机实现未知环境探测与自主导航定位、提升其自主能力的重要支撑系统，是无人机能够进行更高层次自主能力发展的关键性节点。本文研究主要针对基于激光雷达的SLAM系统在微小型无人机平台上的应用需求，开展了激光雷达数据特征提取、环境特征匹配与定位、微惯性/超声波信息融合及对激光雷达信息处理的辅助等关键性技术研究。 论文首先研究了激光雷达传感器信号预处理算法，提出了激光雷达数据采集方案，为了提取环境中的特征模型，研究了区域分割方法、角点和线段特征提取算法，有效地提高了特征提取精度。 然后，为抑制微惯性导航系统长时间运行造成的姿态角偏差过大的问题，同时，减少载体运动加速对姿态算法的影响，本文研究了超声波阵列姿测系统与微惯性系统输出姿态信息互补滤波算法，提出了微惯性数据采集方案，利用微惯性传感器输出的数据解算载体的姿态、位置变化、速度变化，与超声波阵列系统测得的姿态信息互补滤波，通过滤波后的姿态角辅助激光雷达进行测距误差补偿，有效地抑制微惯性发散性的同时提供激光雷达精确的姿态信息。 接着，针对无人机飞行时会带有姿态变化的特殊性从而导致激光雷达参数提取存在一定的误差，研究了环境特征参数姿态角耦合误差补偿算法；在局部特征地图的基础上，建立全局地图，提出了双特征库筛选的方法，，对局部地图中的特征点进行筛选，将可信的角点特征和线段特征与特征库内的特征进行混合特征匹配，实现全局地图的更新以及无人机室内未知环境下的自定位。 论文最后搭建了微惯性辅助的激光雷达同步建图与定位系统实验平台，在室内环境下进行飞行实验，得到飞行结果，验证了系统方案的可行性，论文所取得的成果具有应用参考价值。
【关键词】：SLAM系统 超声波阵列测高 测姿系统 微惯性系统 特征提取 特征匹配
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：V243.2
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 图表清单9-11
• 注释表11-12
• 第一章 绪论12-19
• 1.1 论文研究背景12-13
• 1.2 微惯性辅助激光雷达同步建图与定位技术发展状况与研究进展13-17
• 1.2.1 微惯性辅助激光雷达同步建图与定位技术发展状况13-15
• 1.2.2 同步建图与定位问题研究进展15-16
• 1.2.3 微惯性辅助激光雷达同步建图与定位问题研究进展16-17
• 1.3 论文研究目的与意义17
• 1.4 论文主要的研究内容与章节安排17-19
• 第二章 激光雷达传感器信号预处理算法研究19-29
• 2.1 引言19
• 2.2 激光雷达数据实时采集算法研究19-21
• 2.3 环境特征提取算法研究21-25
• 2.3.1 特征地图的描述方法分析21
• 2.3.2 激光雷达测量方法研究21-22
• 2.3.3 区域分割方法研究22-23
• 2.3.4 角点特征的提取算法研究23-24
• 2.3.5 线段特征的提取算法研究24-25
• 2.4 特征提取算法验证与分析25-26
• 2.5 微小型无人机平台上的激光雷达应用方案分析26-27
• 2.6 本章小结27-29
• 第三章 基于超声波阵列/微惯性姿态互补滤波算法研究29-44
• 3.1 引言29
• 3.2 超声波阵列相对高度和姿态测量技术研究29-31
• 3.2.1 超声波阵列测距方法研究29-30
• 3.2.2 相对高度与相对姿态测量方法研究30-31
• 3.3 超声波阵列测高、测姿系统算法研究31-37
• 3.3.1 姿测算法研究与分析31-32
• 3.3.2 超声波阵列测距方法分析与优化32-36
• 3.3.3 超声波阵列测高、测姿系统算法验证与分析36-37
• 3.4 微惯性系统姿态解算算法研究37-42
• 3.4.1 微惯性数据实时采集算法研究37-38
• 3.4.2 姿态解算算法研究38-39
• 3.4.3 姿态解算算法验证与分析39-42
• 3.5 超声波阵列/微惯性姿态互补滤波算法研究42-43
• 3.5.1 姿态互补滤波算法研究42
• 3.5.2 姿态互补滤波算法验证与分析42-43
• 3.6 本章小结43-44
• 第四章 微惯性辅助的同步建图与定位算法研究44-57
• 4.1 引言44
• 4.2 全局地图创建方法研究与分析44-54
• 4.2.1 全局地图创建方法建模分析44-45
• 4.2.2 环境特征参数姿态角耦合误差补偿算法研究45-49
• 4.2.3 双特征库筛选方法分析49-50
• 4.2.4 基于微惯性辅助的混合特征匹配方法研究50-52
• 4.2.5 全局地图的更新方法研究与分析52-54
• 4.3 同步定位建模与分析54-55
• 4.3.1 自定位建模分析与研究54
• 4.3.2 自定位算法的研究与分析54-55
• 4.4 同步定位精度实验验证与分析55-56
• 4.4.1 实验验证环境模型搭建55
• 4.4.2 实验验证结果分析55-56
• 4.5 本章小结56-57
• 第五章 微惯性辅助激光雷达同步建图与定位实验分析57-63
• 5.1 引言57
• 5.2 系统硬件设计方案研究57-61
• 5.2.1 系统功能需求分析57-58
• 5.2.2 系统硬件结构方案设计58-61
• 5.3 系统地图构建与定位结果分析61-62
• 5.4 本章小结62-63
• 第六章 全文总结与展望63-65
• 6.1 本文工作总结63-64
• 6.2 后续工作展望64-65
• 参考文献65-68
• 致谢68-69
• 在学期间的研究成果即学术论文情况69

【参考文献】

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1 章大勇;激光雷达/惯性组合导航系统的一致性与最优估计问题研究[D];国防科学技术大学;2010年

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