基于视觉—惯性—激光融合感的实时6DOF定位与3D环境建模研究

发布时间：2020-06-13 07:18

【摘要】：随着我国科学技术的日益进步发展,无人系统广泛应用于车间工厂,新型智能移动机器人也将逐渐出现在人们的生活之中。即时定位与建图(Simultaneous Localization And Mapping,SLAM)技术,是无人系统自主定位与导航的核心技术。目前单纯的使用激光雷达或者是视觉惯性系统(Visual Inertial Odometry,VIO)进行定位与建图都存在受环境限制的问题。本文以此为背景,使用三传感器融合的方式,进行机器人的自主定位研究。首先,由于雷达快速运动下存在运动畸变,本文对现有的雷达与惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)的融合方法进行了改进,采用单线激光雷达与IMU紧耦合的方式对点云进行扭曲校正。这有效地校正了点云运动畸变,使得雷达在数据匹配上更加准确,从而提高了系统的定位精度。另外,针对结构化场景特征约束不足以及视觉纹理缺失造成的里程计漂移的问题,本文将单目相机与单线激光雷达数据融合,使用单线激光雷达建立深度图恢复出视觉特征点深度,求解视觉里程计作为雷达点云姿态的先验估计。这种融合视觉辅助定位的方式,弥补了不同传感器之间的缺陷,解决了部分场景下传感器使用受限的问题,有效的提高了定位系统的鲁棒性。本文首先对实验系统的硬件平台以及底层数据融合进行了介绍,包括底层雷达云台的设计,传感器之间外参数的标定原理。在硬件的基础之上,介绍了雷达特征提取、匹配、紧耦合求解里程计的过程,阐述了视觉与雷达融合、视觉里程计的基本算法,最后描述了地图建立的过程。最后,在校园室内外场景下,使用传感器进行实地测试对算法进行验证,在机器人操作系统(Robot Operating System,ROS)上,使用可视化工具对定位和建图结果进行显示。实验结果表明,该算法较之前的激光雷达定位算法性能有所提升,在定位精度和建图效果上有所改善。
【图文】：

坐标系统

义世界坐标系为｛Ｗ｝系，世界坐标系原点与传感器初始位置重合，定义局部坐标为逡逑｛Ｓ｝系，局部坐标系有两个，相机坐标系与雷达坐标系，相机坐标系与雷达坐标系逡逑之间通过外参数可以相互转换。下图２－１显示了定义的坐标系统。逡逑ｒ逡逑Ｙ逡逑＾｜ｚ逡逑ｗ逡逑雷达坐标系逦ＩＭＵ坐标系逡逑图２－１坐标系统逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－１邋Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑２．１．１硬件器材逡逑本小结对系统的硬件器材进行介绍，主要包括：ＳＴＭ３２单片机，单线激光雷逡逑达，单目相机，惯性器件与数字舵机。逡逑单线激光雷达：型号为日本北阳株式ＵＴＭ－３０ＬＸ激光雷达，室内外皆可使用。逡逑激光雷达内部含有一个激光发射探头，使用机械装置带动探头旋转，通过测量激光逡逑发射接收的光束相位差计算出物体的距离。本型号雷达发射激光波长８７０ｍｎ，最大逡逑测量范围６０ｍ，测量角度可变，最大角度２７０度，角度分辨率０．２５度，测量频率逡逑９逡逑

舵机,数字

逑４０ＨＺ，每２５ｍｓ采集测量点数最多达１０８０个，采用ＵＳＢ通信接口。激光雷达实物逡逑图如下图２－２所示。逡逑ｌｌｌｌ—１ｌ邋ｆ逡逑图２－２北阳激光雷达逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－２邋Ｈｏｋｕｙｏ邋ｌｉｄａｒ逡逑ＳＴＭ３２单片机：型号为ＳＴＭ３２Ｆ１０３，基于ＡＲＭ内核的３２位微处理器，拥有逡逑ＵＳＢ、ＣＡＮ总线等外部设备，有１１个定时器和３路ＡＤ转换芯片。逡逑数字舵机：单总线回读数字舵机，具备角度读取的功能，，可以得到舵机的实时逡逑旋转角度，多种工作模式切换，舵机内部自带一块主控芯片，内部己经集成ＰＷＭ逡逑的控制，只需要单片机发送对应指令，即可实现舵机运动控制与角度查询功能。扭逡逑力１５ｋｇ／ｃｍ，供电范围４．８－８．４Ｖ，单总线通讯波特率１１５２００，舵机之间可以通过总逡逑线串联，蛇机与单片机可以迪过串口进行通丨目。实物图如２－３所不。逡逑｜ｎｉ逡逑图２－３数字舵机逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－３邋Ｄｉｇｉｔａｌ邋ｓｅｒｖｏ逡逑单目相机：型号ＰＯＩＮＴＧＲＡＹ－ＢＦＬＹ－Ｕ３－０３Ｓ２Ｃ－ＣＳ
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242

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