视觉辅助车载导航关键技术研究
发布时间：2021-02-25 05:03
近年来,对智能车辆（无人地面车辆或自动驾驶汽车）自主能力的需求持续增高,对于基于低成本传感器的车载导航性能的要求也越来越高,典型的惯导卫星组合可靠运行的前提是卫星导航信号连续可获得。但卫星导航信号在城市峡谷、森林、隧道等情况下存在遮挡、多径等效应,并且易受干扰,还可能面临欺骗的威胁。因此卫星信号失效的情况下,研究约束低成本导航系统误差发散的方法以及新型组合导航方案有很大的现实意义,同时也是导航领域的热点和难点问题。论文着重研究了利用视觉传感器辅助惯导进行组合导航的关键技术,包括视觉运动信息计算和新型组合方式及其相应算法。同时也研究了提高里程计和运动学约束与惯导组合标定精度的新方法。本文主要工作和研究成果包括:1.提出了基于UKF的惯导/非完整性约束/里程计（INS/NHC/OD）高精度组合标定方法。其中针对四元数的无迹变换（UT）进行了扰动量的指数-对数映射特殊处理。针对低成本惯导的特点,从理论上分析了INS/NHC/OD组合导航与标定的可观测性。仿真结果表明,在安装偏角稍大时,利用UKF的标定方案显著优于传统EKF方案。2.提出了基于车道线消失点（VP）检测获得相对姿态并辅助惯导的方...
【文章来源】：西北工业大学陕西省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：182 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
缩略语与符号列表
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 国内外相关研究现状
1.2.1 车载导航研究和发展现状
1.2.2 惯导精度等级及应用
1.2.3 惯导/卫星组合
1.2.4 惯导/车体速度组合
1.2.5 惯导/视觉组合
1.3 论文主要工作及内容安排
第二章 惯性导航与相机位姿估计
2.1 坐标系定义
2.2 捷联惯性导航系统
2.2.1 惯导力学编排
2.2.2 惯导误差模型
2.2.3 b系下导航误差模型
2.3 相机位姿估计
2.3.1 相机投影模型
2.3.2 对极约束与相对位姿估计
2.3.3 特征检测与关联
2.4 本章小结
第三章 车体速度量测辅助导航
3.1 导航状态与车体速度的数学关系
3.1.1 杆臂效应和安装偏角定义
3.1.2 杆臂效应和安装偏角影响分析
3.2 基于EKF的 INS/NHC/OD组合导航与传感器间联合标定
3.2.1 EKF量测模型
3.2.2 可观测性分析
3.3 基于UKF的 INS/NHC/OD组合导航与传感器间联合标定
3.3.1 UT变换
3.3.2 系统为加性噪声的UKF
3.3.3 用于INS/NHC/OD组合的UKF算法
3.3.4 仿真结果
3.4 姿态速度约束
3.4.1 两种姿态速度约束的定义
3.4.2 姿态角误差和姿态失准角的关系
3.4.3 姿态速度约束用于惯导辅助
3.4.4 姿态速度约束与NHC的理论等价性
3.4.5 杆臂与安装偏角补偿校正
3.5 运动学约束车载实验结果
3.5.1 车载实验环境描述
3.5.2 GPS失效段导航误差结果
3.6 本章小结
第四章 基于消失点观测的视觉辅助惯导方法
4.1 消失点
4.2 平行车道线形成的消失点
4.2.1 VP坐标与相对姿态的数学关系
4.2.2 直线车道确定与消失点检测
4.2.3 不确定性分析
4.3 NHC/OD与 VP联合辅助组合导航
4.3.1 状态空间
4.3.2 INS/VP组合算法
4.3.3 状态扩增处理
4.3.4 仿真与实验结果
4.3.5 VP辅助方法的敏感性分析
4.4 结合电子地图绝对航向信息的VP辅助算法
4.5 本章小结
第五章 单目视觉里程计辅助惯导方法
5.1 单目相机2D-2D相对位姿估计
5.2 相对位姿误差分析
5.2.1 不确定性传播:从特征点量测到本质矩阵
5.2.2 不确定性传播:从本质矩阵到旋转矩阵
5.2.3 不确定性传播:从旋转矩阵到相对姿态角
5.2.4 数值仿真测试
5.3 INS/NHC/VO松组合方案
5.3.1 INS/VO组合
5.3.2 INS/NHC组合
5.3.3 可观测性分析
5.4 实验结果
5.4.1 相对姿态不确定性估计算法评估
5.4.2 滤波融合结果
5.4.3 VO失效检测与处理
5.5 本章小结
第六章 视觉/惯性导航的紧组合方法
6.1 基于点特征的多状态约束的滑窗滤波方法
6.1.1 状态向量构成
6.1.2 量测更新流程
6.2 垂直线观测与点观测联合辅助的VINS
6.2.1 空间垂直线的观测与横滚角辅助
6.2.2 基于点+垂直线特征的VINS导航流程
6.2.3 结果与分析
6.3 直线地标的表示与相机投影
6.3.1 直线参数化表示
6.3.2 基于Plücker坐标的直线投影
6.3.3 非延迟直线参数化表示
6.4 线特征量测模型
6.4.1 线段端点到预测直线的距离
6.4.2 量测模型
6.5 使用线特征的视觉辅助惯导
6.5.1 状态空间模型
6.5.2 使用AIDPL的直线路标初始化
6.5.3 基于直线特征的VINS仿真验证
6.6 本章小结
第七章 论文总结
7.1 论文主要研究内容
7.2 论文主要创新点
7.3 下一步工作的建议
附录 A 惯性导航基本公式与证明
A.1 叉乘公式
A.2 INS数学符号与取值
A.3 姿态表示与转换关系
A.3.1 从四元数到方向余弦矩阵
A.3.2 从姿态到方向余弦矩阵
A.4 旋转四元数与旋转矢量的转化关系
A.5 相对姿态失准角于相对旋转矩阵误差之间的关系
A.6 w系下的INS公式
A.6.1 w系的惯导力学编排
A.6.2 w系 INS误差方程
附录 B VINS中的部分Jacobian矩阵
B.1 向量归一化函数的Jacobian矩阵
B.2 单位向量的扰动
参考文献
致谢
攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况
【参考文献】：
期刊论文
[1]捷联惯导/里程计高精度组合导航算法[J]. 赵洪松,缪玲娟,沈军. 兵工学报. 2014(04)
[2]相对姿态匹配传递对准方法[J]. 刘镇波,李四海,王珏,张亚崇. 系统工程与电子技术. 2014(08)
[3]速度约束辅助车载捷联惯导系统零速校正算法[J]. 付强文,秦永元,李四海. 系统工程与电子技术. 2013(08)
[4]基于GPS轨迹数据的地图匹配算法[J]. 李清泉,黄练. 测绘学报. 2010(02)
[5]UKF在INS/GPS直接法卡尔曼滤波中的应用[J]. 杨波,秦永元,柴艳. 传感技术学报. 2007(04)
[6]一种新的INS/GPS组合导航技术[J]. 杨艳娟,卞鸿巍,田蔚风,金志华. 中国惯性技术学报. 2004(02)
[7]INS/GPS组合导航系统的数据同步技术研究[J]. 游文虎,姜复兴. 中国惯性技术学报. 2003(04)
博士论文
[1]车载自主定位定向系统研究[D]. 严恭敏.西北工业大学 2006
本文编号：3050485
【文章来源】：西北工业大学陕西省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：182 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
缩略语与符号列表
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 国内外相关研究现状
1.2.1 车载导航研究和发展现状
1.2.2 惯导精度等级及应用
1.2.3 惯导/卫星组合
1.2.4 惯导/车体速度组合
1.2.5 惯导/视觉组合
1.3 论文主要工作及内容安排
第二章 惯性导航与相机位姿估计
2.1 坐标系定义
2.2 捷联惯性导航系统
2.2.1 惯导力学编排
2.2.2 惯导误差模型
2.2.3 b系下导航误差模型
2.3 相机位姿估计
2.3.1 相机投影模型
2.3.2 对极约束与相对位姿估计
2.3.3 特征检测与关联
2.4 本章小结
第三章 车体速度量测辅助导航
3.1 导航状态与车体速度的数学关系
3.1.1 杆臂效应和安装偏角定义
3.1.2 杆臂效应和安装偏角影响分析
3.2 基于EKF的 INS/NHC/OD组合导航与传感器间联合标定
3.2.1 EKF量测模型
3.2.2 可观测性分析
3.3 基于UKF的 INS/NHC/OD组合导航与传感器间联合标定
3.3.1 UT变换
3.3.2 系统为加性噪声的UKF
3.3.3 用于INS/NHC/OD组合的UKF算法
3.3.4 仿真结果
3.4 姿态速度约束
3.4.1 两种姿态速度约束的定义
3.4.2 姿态角误差和姿态失准角的关系
3.4.3 姿态速度约束用于惯导辅助
3.4.4 姿态速度约束与NHC的理论等价性
3.4.5 杆臂与安装偏角补偿校正
3.5 运动学约束车载实验结果
3.5.1 车载实验环境描述
3.5.2 GPS失效段导航误差结果
3.6 本章小结
第四章 基于消失点观测的视觉辅助惯导方法
4.1 消失点
4.2 平行车道线形成的消失点
4.2.1 VP坐标与相对姿态的数学关系
4.2.2 直线车道确定与消失点检测
4.2.3 不确定性分析
4.3 NHC/OD与 VP联合辅助组合导航
4.3.1 状态空间
4.3.2 INS/VP组合算法
4.3.3 状态扩增处理
4.3.4 仿真与实验结果
4.3.5 VP辅助方法的敏感性分析
4.4 结合电子地图绝对航向信息的VP辅助算法
4.5 本章小结
第五章 单目视觉里程计辅助惯导方法
5.1 单目相机2D-2D相对位姿估计
5.2 相对位姿误差分析
5.2.1 不确定性传播:从特征点量测到本质矩阵
5.2.2 不确定性传播:从本质矩阵到旋转矩阵
5.2.3 不确定性传播:从旋转矩阵到相对姿态角
5.2.4 数值仿真测试
5.3 INS/NHC/VO松组合方案
5.3.1 INS/VO组合
5.3.2 INS/NHC组合
5.3.3 可观测性分析
5.4 实验结果
5.4.1 相对姿态不确定性估计算法评估
5.4.2 滤波融合结果
5.4.3 VO失效检测与处理
5.5 本章小结
第六章 视觉/惯性导航的紧组合方法
6.1 基于点特征的多状态约束的滑窗滤波方法
6.1.1 状态向量构成
6.1.2 量测更新流程
6.2 垂直线观测与点观测联合辅助的VINS
6.2.1 空间垂直线的观测与横滚角辅助
6.2.2 基于点+垂直线特征的VINS导航流程
6.2.3 结果与分析
6.3 直线地标的表示与相机投影
6.3.1 直线参数化表示
6.3.2 基于Plücker坐标的直线投影
6.3.3 非延迟直线参数化表示
6.4 线特征量测模型
6.4.1 线段端点到预测直线的距离
6.4.2 量测模型
6.5 使用线特征的视觉辅助惯导
6.5.1 状态空间模型
6.5.2 使用AIDPL的直线路标初始化
6.5.3 基于直线特征的VINS仿真验证
6.6 本章小结
第七章 论文总结
7.1 论文主要研究内容
7.2 论文主要创新点
7.3 下一步工作的建议
附录 A 惯性导航基本公式与证明
A.1 叉乘公式
A.2 INS数学符号与取值
A.3 姿态表示与转换关系
A.3.1 从四元数到方向余弦矩阵
A.3.2 从姿态到方向余弦矩阵
A.4 旋转四元数与旋转矢量的转化关系
A.5 相对姿态失准角于相对旋转矩阵误差之间的关系
A.6 w系下的INS公式
A.6.1 w系的惯导力学编排
A.6.2 w系 INS误差方程
附录 B VINS中的部分Jacobian矩阵
B.1 向量归一化函数的Jacobian矩阵
B.2 单位向量的扰动
参考文献
致谢
攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况
【参考文献】：
期刊论文
[1]捷联惯导/里程计高精度组合导航算法[J]. 赵洪松,缪玲娟,沈军. 兵工学报. 2014(04)
[2]相对姿态匹配传递对准方法[J]. 刘镇波,李四海,王珏,张亚崇. 系统工程与电子技术. 2014(08)
[3]速度约束辅助车载捷联惯导系统零速校正算法[J]. 付强文,秦永元,李四海. 系统工程与电子技术. 2013(08)
[4]基于GPS轨迹数据的地图匹配算法[J]. 李清泉,黄练. 测绘学报. 2010(02)
[5]UKF在INS/GPS直接法卡尔曼滤波中的应用[J]. 杨波,秦永元,柴艳. 传感技术学报. 2007(04)
[6]一种新的INS/GPS组合导航技术[J]. 杨艳娟,卞鸿巍,田蔚风,金志华. 中国惯性技术学报. 2004(02)
[7]INS/GPS组合导航系统的数据同步技术研究[J]. 游文虎,姜复兴. 中国惯性技术学报. 2003(04)
博士论文
[1]车载自主定位定向系统研究[D]. 严恭敏.西北工业大学 2006
本文编号：3050485
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/qiche/3050485.html
