單目視覺移動機(jī)器人SLAM方法建模與仿真分析.pdf

1、玉兔號月球車成功登月并開展月球表面的巡游探測工作,被認(rèn)為是我國第一次在月球留下足跡,標(biāo)志著我國星球探測進(jìn)入了星球表面未知環(huán)境自主探測領(lǐng)域。同時定位與構(gòu)圖思想(SLAM)被學(xué)術(shù)界認(rèn)為是移動機(jī)器人實(shí)現(xiàn)真正自主化的關(guān)鍵,它將移動機(jī)器人的定位與地圖構(gòu)建融為一體,機(jī)器人在運(yùn)動過程中根據(jù)自身位姿估計和環(huán)境感知構(gòu)建增量式環(huán)境地圖的同時實(shí)現(xiàn)自身定位,可以較好地解決未知環(huán)境下機(jī)器人的定位與構(gòu)圖。視覺傳感器可以獲取比較直觀和豐富的環(huán)境信息,且具有成本低、技

2、術(shù)成熟、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于移動機(jī)器人領(lǐng)域。因此研究視覺機(jī)器人同時定位與構(gòu)圖方法具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。
　　針對未知環(huán)境下移動機(jī)器人的定位與構(gòu)圖問題,本論文建立了基于單目視覺移動機(jī)器人的SLAM系統(tǒng)模型以及EKF-vSLAM算法框架,并研制了單目視覺移動機(jī)器人用于后續(xù)SLAM系統(tǒng)測試,最后通過仿真以及實(shí)驗(yàn)對相關(guān)理論以及算法進(jìn)行了驗(yàn)證。首先,在總結(jié)同時定位與構(gòu)圖技術(shù)和視覺移動機(jī)器人發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上對同

3、時定位與構(gòu)圖方法的基本理論、技術(shù)難點(diǎn)、EKF實(shí)現(xiàn)算法以及常見地圖構(gòu)建方法進(jìn)行了介紹;接著對移動機(jī)器人EKF-vSLAM系統(tǒng)進(jìn)行了建模,重點(diǎn)對單目視覺移動機(jī)器人的運(yùn)動模型、視覺觀測模型以及EKF-vSLAM算法流程進(jìn)行了研究;然后搭建了vSLAM系統(tǒng)的測試平臺,重點(diǎn)對單目視覺移動機(jī)器人的運(yùn)動機(jī)構(gòu)、運(yùn)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)等部分進(jìn)行了設(shè)計,并通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)對里程計和路標(biāo)觀測誤差進(jìn)行了測試分析;為了驗(yàn)證課題提出的模型和算法的有效性,基于課題

4、安排進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計與仿真分析,主要包括KF及EKF濾波仿真實(shí)驗(yàn)、攝像機(jī)參數(shù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)、二維以及三維EKF-vSLAM算法仿真實(shí)驗(yàn)、路標(biāo)數(shù)量與系統(tǒng)性能關(guān)系以及運(yùn)動路徑與誤差消除關(guān)系探究實(shí)驗(yàn)。
　　通過實(shí)驗(yàn)和仿真分析,驗(yàn)證了卡爾曼濾波和擴(kuò)展卡爾曼濾波分別在線性信號濾波和非線性信號濾波方面具有較好的效果,本文所提出的EKF-vSLAM算法能夠?qū)锍逃嬆Ｐ秃鸵曈X觀測帶來的誤差累計進(jìn)行約束,降低移動機(jī)器人在未知環(huán)境中定位與構(gòu)圖的不確定性,一定