单目视觉SLAM关键技术研究
发布时间：2022-02-15 10:11
在万物互联的发展趋势下,无人运载系统在航空航天、武器制造、数据采集、工业加工等领域发挥着越来越重要的作用,同步定位与制图技术是无人运载体发挥作用的重要基础。视觉传感器作为存在最广泛的传感器,在信息收集方面有着无可比拟的优势,很多算法着力于研究如何从海量的视觉信息中抽象出鲁棒的特征。特征在载体坐标系中的变化反映了载体在世界坐标系中的变化,两种方法完美地从抽象特征的变化中恢复出了载体运动的最优估计。本文在严格对比二维图像特征提取算法和同步定位与制图后端优化算法的基础上,提出了一种基于单目传感器的视觉测量与定位算法,实现了全局一致地图的构建与相对误差小于10%精度下的位姿恢复。本文主要研究内容如下:（1）通过对成像模型的研究,建立了真实空间中一点到像素空间中一点的映射,使用不同坐标基准准确地描述了映射过程中的每个中间量。通过统一的校正模型实现了径向畸变误差与切向畸变误差的补偿。在实验部分中,得到了准确的传感器参数。（2）对图像特征提取算法进行了研究,将唯一维度的单张图像扩充为连续维度的塔状结构,得到了鲁棒的图像特征及其描述。研究了对极几何和PnP方法,实现了特征运动与传感器运动的转换。从特征...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：116 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
机器手臂Figure1-1RobotArm不论是工业机器人还是服务机器人，
1绪论11绪论1Introduction1.1背景及研究意义（BackgroundandResearchSignificance）当今世界是数字化和信息化的世界，在网络通信建设的基础上，人、流程、物与反馈之间的关联变得更加紧密，沟通效率得到了极大的提升。在万物互联（InternetofEverything，IoE）的发展趋势下，传统测绘正向短时延、高动态方向发展。这样的趋势同时也对数据获取与处理的新设备与新方法的出现提出了要求。我国政府于2015年印发了《中国制造2025》，该文件将对我国制造强国战略的实施起到指导作用[1]。文件指出的有关重点发展工程和关键领域的内容都突出了机器人产业发展对我国产业升级的必要性。世界范围内，2012年美国提出的《先进制造业国家战略计划》报告指出将加强包括“先进机器人”在内的产业公地建设[2]；欧盟于2014年启动了预算达28亿欧元的“SPARC”机器人计划，目的在于促进机器人产业发展；日本和韩国也都发布了各自版本的先进科学研究报告，旨在促进包括机器人产业在内的先进领域发展。根据工业和信息化部发布的《中国机器人产业发展报告（2019）》[3]来看，2019年度全球机器人市场规模将达到294.1亿美元，而国内规模将达到86.8亿美元。图1-1机器手臂图1-2服务机器人Figure1-1RobotArmFigure1-2ServiceRobot不论是工业机器人还是服务机器人，在其面对非规律性、无先验信息的复杂环境时，都需要使用到环境感知、建模与自身定位技术。中国航天载人登月计划中的嫦娥三号巡视器在基于SIFT特征的视觉测量与定位技术的辅助下首次实现了我国在地外天体表面无人自动巡视[4]。对于中国航天国际空间站计划中“神州九号”与“天宫一号”的整个对接过程来说，主导包括远距离导引、自主控制、
硕士学位论文81.3.2论文组织结构图1-3章节配置及组织结构Figure1-3ChapterConfigurationandOrganizationStructure本文的组织结构如图1-3所示，章节内容设计如下：第一章：绪论。针对视觉测量与定位技术，阐述了本文研究的背景和意义，概括介绍了近年来针对SLAM问题的研究进展和SLAM问题未来的发展方向，明确了本文主要研究内容，描述了本文的组织方式和结构。第二章：视觉SLAM的观测模型及状态表示。本章介绍了基于视觉传感器的SLAM中涉及前端观测模型的基本理论，主要包括小孔成像模型、畸变原理、畸变矫正模型、空间描述方法和空间转换模型等。在此基础上，推导了非结合代数上利用扰动进行求导的方法。第三章：特征点定位、特征点关联及运动恢复方法。本章对基于特征点的SLAM前端中几种常用的特征点提取模型、特征点关联和关联筛选方法以及利用关联恢复传感器运动的方法进行了介绍。在特征点提取模型和关联的基础上，利用实验分析对比了这些方法在关联正确率和时间等方面的表现。在运动恢复中，分别推导了利用平面特征点和三维特征点恢复传感器运动的对极几何和N点透视方法。作为对比，概括性介绍了SLAM前端中基于光流的方法。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于深度学习的动态场景语义SLAM[J]. 房立金,刘博,万应才. 华中科技大学学报(自然科学版). 2020(01)
[2]多镜头组合式相机的全景SLAM[J]. 季顺平,秦梓杰. 测绘学报. 2019(10)
[3]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)
[4]中国制造2025[J]. 黎丽,谢伟,魏书传,汪杨. 金融经济. 2015(13)
[5]基于Harris角点和SIFT算法的车辆图像匹配[J]. 吕恒利,尚振宏,刘辉,吁冬兰. 昆明理工大学学报(自然科学版). 2015(01)
[6]基于降落图像匹配的嫦娥三号着陆点位置评估[J]. 万文辉,刘召芹,刘一良,刘斌,邸凯昌,周建亮,王保丰,刘传凯,王镓. 航天器工程. 2014(04)
[7]参考地物的飞航导弹视觉辅助导航[J]. 张友安,寇昆湖,柳爱利. 海军航空工程学院学报. 2012(04)
[8]美国“先进制造业国家战略计划”对我国的启示[J]. 左世全. 经济. 2012(06)
[9]广义New ton法求解非线性优化问题[J]. 戴云仙,张建军,乌云花. 内蒙古农业大学学报(自然科学版). 2001(04)
博士论文
[1]基于贝叶斯滤波器的移动机器人同时定位与地图创建算法研究[D]. 徐巍军.浙江大学 2016
硕士论文
[1]SIGMA点非线性滤波器及应用研究[D]. 熊星.南京邮电大学 2018
[2]三维成像系统中投影镜头畸变的标定与修正研究[D]. 谢丽丽.河北工业大学 2015
[3]摄像机标定方法的研究[D]. 舒娜.南京理工大学 2014
本文编号：3626441
【文章来源】：中国矿业大学江苏省211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：116 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
机器手臂Figure1-1RobotArm不论是工业机器人还是服务机器人，
1绪论11绪论1Introduction1.1背景及研究意义（BackgroundandResearchSignificance）当今世界是数字化和信息化的世界，在网络通信建设的基础上，人、流程、物与反馈之间的关联变得更加紧密，沟通效率得到了极大的提升。在万物互联（InternetofEverything，IoE）的发展趋势下，传统测绘正向短时延、高动态方向发展。这样的趋势同时也对数据获取与处理的新设备与新方法的出现提出了要求。我国政府于2015年印发了《中国制造2025》，该文件将对我国制造强国战略的实施起到指导作用[1]。文件指出的有关重点发展工程和关键领域的内容都突出了机器人产业发展对我国产业升级的必要性。世界范围内，2012年美国提出的《先进制造业国家战略计划》报告指出将加强包括“先进机器人”在内的产业公地建设[2]；欧盟于2014年启动了预算达28亿欧元的“SPARC”机器人计划，目的在于促进机器人产业发展；日本和韩国也都发布了各自版本的先进科学研究报告，旨在促进包括机器人产业在内的先进领域发展。根据工业和信息化部发布的《中国机器人产业发展报告（2019）》[3]来看，2019年度全球机器人市场规模将达到294.1亿美元，而国内规模将达到86.8亿美元。图1-1机器手臂图1-2服务机器人Figure1-1RobotArmFigure1-2ServiceRobot不论是工业机器人还是服务机器人，在其面对非规律性、无先验信息的复杂环境时，都需要使用到环境感知、建模与自身定位技术。中国航天载人登月计划中的嫦娥三号巡视器在基于SIFT特征的视觉测量与定位技术的辅助下首次实现了我国在地外天体表面无人自动巡视[4]。对于中国航天国际空间站计划中“神州九号”与“天宫一号”的整个对接过程来说，主导包括远距离导引、自主控制、
硕士学位论文81.3.2论文组织结构图1-3章节配置及组织结构Figure1-3ChapterConfigurationandOrganizationStructure本文的组织结构如图1-3所示，章节内容设计如下：第一章：绪论。针对视觉测量与定位技术，阐述了本文研究的背景和意义，概括介绍了近年来针对SLAM问题的研究进展和SLAM问题未来的发展方向，明确了本文主要研究内容，描述了本文的组织方式和结构。第二章：视觉SLAM的观测模型及状态表示。本章介绍了基于视觉传感器的SLAM中涉及前端观测模型的基本理论，主要包括小孔成像模型、畸变原理、畸变矫正模型、空间描述方法和空间转换模型等。在此基础上，推导了非结合代数上利用扰动进行求导的方法。第三章：特征点定位、特征点关联及运动恢复方法。本章对基于特征点的SLAM前端中几种常用的特征点提取模型、特征点关联和关联筛选方法以及利用关联恢复传感器运动的方法进行了介绍。在特征点提取模型和关联的基础上，利用实验分析对比了这些方法在关联正确率和时间等方面的表现。在运动恢复中，分别推导了利用平面特征点和三维特征点恢复传感器运动的对极几何和N点透视方法。作为对比，概括性介绍了SLAM前端中基于光流的方法。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于深度学习的动态场景语义SLAM[J]. 房立金,刘博,万应才. 华中科技大学学报(自然科学版). 2020(01)
[2]多镜头组合式相机的全景SLAM[J]. 季顺平,秦梓杰. 测绘学报. 2019(10)
[3]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)
[4]中国制造2025[J]. 黎丽,谢伟,魏书传,汪杨. 金融经济. 2015(13)
[5]基于Harris角点和SIFT算法的车辆图像匹配[J]. 吕恒利,尚振宏,刘辉,吁冬兰. 昆明理工大学学报(自然科学版). 2015(01)
[6]基于降落图像匹配的嫦娥三号着陆点位置评估[J]. 万文辉,刘召芹,刘一良,刘斌,邸凯昌,周建亮,王保丰,刘传凯,王镓. 航天器工程. 2014(04)
[7]参考地物的飞航导弹视觉辅助导航[J]. 张友安,寇昆湖,柳爱利. 海军航空工程学院学报. 2012(04)
[8]美国“先进制造业国家战略计划”对我国的启示[J]. 左世全. 经济. 2012(06)
[9]广义New ton法求解非线性优化问题[J]. 戴云仙,张建军,乌云花. 内蒙古农业大学学报(自然科学版). 2001(04)
博士论文
[1]基于贝叶斯滤波器的移动机器人同时定位与地图创建算法研究[D]. 徐巍军.浙江大学 2016
硕士论文
[1]SIGMA点非线性滤波器及应用研究[D]. 熊星.南京邮电大学 2018
[2]三维成像系统中投影镜头畸变的标定与修正研究[D]. 谢丽丽.河北工业大学 2015
[3]摄像机标定方法的研究[D]. 舒娜.南京理工大学 2014
本文编号：3626441
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/3626441.html
