融合颜色和深度信息的三维同步定位与地图构建研究

【摘要】摘要：同步定位与地图构建(SimultaneousLocalizationandMapping,SLAM)是移动机器人实现未知环境中自主导航的基础,也是其实现自主化和智能化的前提条件之一。近年来,二维地图自主构建的理论与方法得到了深入研究并取得了丰富成果。随着传感器技术的进步和SLAM计算理论的不断发展,面向6自由度机器人的三维地图构建引起了研究者的关注。微软公司在2010年6月推出的廉价的RGB-D传感器——Kinect,为创建拥有丰富三维空间信息与颜色纹理信息的环境地图提供了新的可能。本文针对室内未知环境下基于颜色信息与深度信息的三维同步定位和地图构建进行研究。在不需要任何先验知识的情况下,Kinect在室内场景中作6自由度运动并感知周围环境信息。同时提取稳定的环境特征点来表征3D空间实际物理点,以此作为路标来构建环境的三维几何地图。具体研究工作包括以下五个部分内容：(1)对典型的深度摄像机Kinect在计算机视觉处理方面的应用进行了综述,针对Kinect的深度信息随着距离的增大出现显著畸变的问题,提出了一种无需人工干预的无监督学习的深度乘子图学习算法,从而达到深度校正的目的。该方法首先利用近距离测量的具有相对高精度的测量数据,采用常见的视觉测程+位姿图优化的RGB-DSLAM算法构建环境地图(须有闭环),然后利用该地图与深度测量数据的误差对深度乘子图进行学习,采用极大似然估计法逐步对其进行优化。与需要人工干预的方法不同,该方法可以在SLAM的过程中自动地完成深度校正的学习,便于用户使用。(2)为了降低SLAM的复杂度和提高数据关联的可信度,对图像兴趣点的检测算法进行了深入研究。通过分析阈值t与层数o两个主要参数对OpenCV库中BRISK-AGAST检测算法性能的影响,提出了一种可调节的自适应特征检测方法——可调节的BRISK-AGAST检测器。该检测器的优点在于增强所提取的环境特征点的稳定性,提高SLAM过程中数据关联的几率和可信度,同时避免过多的环境特征在地图中表示,从而降低SLAM的复杂度。(3)为了充分利用RGB-D图像的深度信息来更有效地区分环境特征点,对融合外观和深度信息的RGB-D图像特征描述符进行了研究,重点分析了BRAND描述符的机理。通过实验方法从运行时间、内存消耗,匹配性能等三个方面,将BRAND与EDVD、SURF、SIFT、CSHOT、SPIN几种典型的特征描述算法作了比较,证明了它的优越性。(4)为了克服目前基于图优化的RGB-DSLAM算法在缺少大的闭环约束情况下误差累积过大,不适用于在线应用的缺陷,提出了一种基于视觉航迹推算和扩展信息滤波的RGB-DSLAM方法,简称VO-EIFSLAM。利用相机针孔模型和基于高斯混合的深度不确定性度量模型,建立了RGB-D特征观测的三维不确定性模型,从而得到EIFSLAM的观测模型；设计了一种基于视觉残差的视觉航迹推算算法,用来估计运动控制输入信息；采用了二进制的特征描述BRAND来进行特征匹配,有效降低了数据关联的复杂度。同时,建立空间几何不确定性和二进制描述不确定性的统一模型,避免了显示地进行数据关联。(5)深入研究了基于二进制描述符的快速特征关联算法,并将其应用于RGB-DSLAM快速闭环检测。分别设计和实现了二进制描述符的局部敏感哈希搜索算法和基于分层聚类树的快速二进制特征搜索算法来解决单个特征的快速关联问题；在此基础上,提出了一种融合局部几何约束的多特征点快速匹配算法,从而达到RGB-DSLAM快速闭环检测的目的。该算法利用了汉明距离来比较匹配度,有效提高了闭环检测的速度与精度。最后,对全文进行了总结,并对今后进一步的研究方向进行了展望。文中共有图53幅、表3个、参考文献189篇。
【作者】刘艳丽；
【导师】樊晓平；
【作者基本信息】中南大学，计算机科学与技术，2014，博士
【关键词】深度信息；同步定位与地图构建；图像特征；二进制描述符；几何特征；视觉里程计；闭环；

【参考文献】
[1]刘辰.黑龙江省大豆种植成本效益与激励机制研究[D].黑龙江八一农垦大学,会计,2014,硕士.
[2]袁由光.980FT86实时容错计算机的研制[J].舰船科学技术.1991(04)
[3]徐子慧.媒体曝光与上市公司盈余管理的实证研究[D].云南财经大学,企业管理,2014,硕士.
[4]张执超.电力系统紧急状态下切负荷控制策略研究[D].华北电力大学,电力系统及其自动化,2014,博士.
[5]钱陆明.超级电容器电极用新型杂化碳材料的制备[D].南京理工大学,高分子化学与物理,2013,硕士.
[6]苏慧婷.手机的奢侈品化研究[D].辽宁大学,传播学,2012,硕士.
[7]李劲龙.氯离子在后张法预应力筋保护体系中的传输特性研究[D].哈尔滨工业大学,结构工程,2013,硕士.
[8]贾云,刘佳欣.2011粉体行业年末大盘点[J].中国粉体工业,2011,06:2-7.
[9]叶芃杉.基于排队论的快速公交站点延误及缩减策略研究[D].西南交通大学,交通运输工程,2014,硕士.
[10]孙小泉.论刘知几的学术风格[D].曲阜师范大学,专门史,2004,硕士.
[11]郭海燕.让祖国之花开得更艳[D].安徽大学,社会工作,2013,硕士.
[12]孙琪娟,徐军礼,孙长顺.天然瓜尔胶改性研究[J].当代化工,2014,10:1971-1973.
[13]常伯慧.电磁轨道发射弹道图像处理研究[D].燕山大学,控制理论与控制工程,2014,硕士.
[14]刘彦.西昆之首，时文之冠[D].湖南师范大学,中国古代文学,2004,硕士.
[15]李苒.数据库中间件在航天地面应用系统中的应用研究[D].西安电子科技大学,计算机技术,2010,硕士.
[16]郭健,姚斌,吴益飞,陈庆伟.具有输入齿隙的一类非线性不确定系统自适应鲁棒控制[J].控制与决策,2010,10:1580-1584.
[17]李曲,王卫红,冯雯,王春平,韩姗姗.协同创新环境下的计算机科学问题求解能力培养[J].计算机教育,2014,06:1-4+9.
[18]霍燕清.立式炼镁系统温度场的数值模拟与研究[D].太原科技大学,材料物理与化学,2013,硕士.
[19]王冬梅.菲茨杰拉德与他的“美国梦”[D].吉林大学,比较文学与世界文学,2004,硕士.
[20]杨文佳,康重庆,夏清,刘润生,唐涛南,王鹏,张丽.基于预测误差分布特性统计分析的概率性短期负荷预测[J].电力系统自动化,2006,19:47-52.
[21]张宁宁.文化安全背景下美剧的意识形态问题研究[D].安徽大学,马克思主义基本原理,2014,硕士.
[22]钟卫鸿,吴婉欣,陈雯雯,金晶,邱乐泉,钟莉,吴石金.一株甲醛降解菌的分离鉴定及降解条件研究[J].浙江工业大学学报,2013,01:25-30.
[23]季佳俊.三车道大断面公路隧道照明节能参数优化研究[D].重庆交通大学,桥梁与隧道工程,2012,硕士.
[24]贾泞铭.基于纳米材料和聚赖氨酸修饰电极的几种过氧化氢电化学传感器[D].湖南师范大学,2014.
[25]谈述战,郭金明,陈丽娜,王梦媚,周厚强,王德禧.国内外石墨烯及其复合材料的产业化应用进展[J].新材料产业,2013,09:31-36.
[26]张哲,罗鑫圣,陶镜合,刘雅妮,刘清华.马铃薯废渣玉米秸秆活性炭的制备及其对亚甲基蓝的吸附性能[J].西北师范大学学报(自然科学版),2014,06:64-70.
[27]章的.纳米结构材料界面失配位错形核机理研究[D].湖南大学,力学,2014,硕士.
[28]朱韬.唐代道教“坐忘”思想研究[D].西北大学,中国史,2014,硕士.
[29]王震国.电子商务网站的客户关系管理[D].河海大学,2004.
[30]张玉巾.两种有机化合物（光致/化学）发光性能的优化及应用[D].北京交通大学,2014.
[31]万忠宏,闫玉魁,詹世凡,汪恩华.属性模型速度建场法[J].石油地球物理勘探,2006,03:333-336+362+18-19.
[32]冯丽凤.DGT的制备、性能测试及在海水分析中的应用[D].厦门大学,环境科学,2014,硕士.
[33]宁括步.云南省鹤庆县北衙金矿控岩控矿构造解析[D].成都理工大学,矿物学岩石学矿床学,2013,硕士.
[34]秦晓虹.《霜红龛集》诗歌研究[D].山西师范大学,中国古代文学,2013,硕士.
[35]秦艳.表面等离激元增强光学透射现象研究[D].西南大学,凝聚态物理,2014,硕士.
[36]彭思敏.原位法制备两种碳材料/聚酰亚胺纳米复合薄膜[D].湖北大学,材料学,2011,硕士.
[37]吴林娟.济南市郊泉水聚落结构形态及构成机制探析[D].山东建筑大学,建筑设计及其理论,2013,硕士.
[38]杨更青.计算机辅助工艺技术在汽车变速箱制造企业的应用研究[D].吉林大学,车辆工程,2012,硕士.
[39]黄辉洪.纸基微流控芯片用于葡萄糖快速检测的实验研究[D].福建医科大学,药学,2014,硕士.
[40]闫燕.《被误解的美国》翻译项目报告[D].华中科技大学,翻译,2013,硕士.
[41]乐浩成.基于子区动态划分的城市交通信号协调控制[D].浙江工业大学,2013.
[42]殷文英.高管过度自信、企业转型战略选择与转型绩效的关系研究[D].中国矿业大学,管理科学与工程,2014,硕士.
[43]向万新,欧阳湘达.一种高精度测量频率的方法[J].自动化学报,1990,05:475-477.
[44]王宏,李晓兵,余弘婧.基于NOAA/AVHRRNDVI监测中国北方典型草原的生长季及变化[J].植物生态学报,2006,03:365-374.
[45]李旭清.礼貌现象的跨文化语用分析及外语教学[D].福建师范大学,英语语言文学,2004,硕士.
[46]黄磊.基于GPGP机制的物联网任务协调机制研究[D].辽宁大学,计算机软件与理论,2012,硕士.
[47]汪洋.非解析复变电力系统电压稳定分析的动态等值原理研究[D].湖南大学,电气工程,2011,硕士.
[48]黄艳霞.食堂管理系统分析与设计[D].云南大学,软件工程,2012,硕士.
[49]钱茂华,李国芬,陈冬剑.混凝土的五种单轴受压曲线方程对比分析[J].四川建筑科学研究,2015,01:12-15.
[50]袁敏,田勇.1780轧线数学模型的应用及优化[J].冶金自动化,2006,04:15-19.