论文中文题名: | 人工地标约束的移动机器人 SLAM 技术研究 |
姓名: | |
学号: | 19210210069 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 085215 |
学科名称: | 工学 - 工程 - 测绘工程 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工程硕士 |
学位年度: | 2022 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 同步定位与地图构建 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
论文提交日期: | 2022-06-24 |
论文答辩日期: | 2022-06-05 |
论文外文题名: | :Research on SLAM Technology Of Mobile Robot Constrained by Artificial Landmarks |
论文中文关键词: | 同步定位与建图 ; AprilTag 码 ; 二维码识别 ; 位姿解算 ; 地图构建 |
论文外文关键词: | Simultaneous Localization and Mapping ; April Tag code ; QR code recognition ; Pose calculation ; Map Construction |
论文中文摘要: |
随着智能机器人技术的快速发展,加快了测绘行业智能化、实时化的改革进程。其 中,未知领域环境下的机器人同步定位与地图构建技术(Simultaneous Localiz Ationand Mapping, SLAM)成为整个行业的热点研究方向,推动了传统测绘向着实时动态的方向 发展,但经典 SLAM 算法仅依靠视觉里程计进行位置状态估计,易受光照、环境纹理和 动态场景等环境因素的影响,无法维持长时效、远距离的高精度定位,容易出现误差累 积定位不准确等问题。因此,本文提出一种基于人工地标约束的方法,对处于未知环境 中的机器人进行同步定位与建图技术研究,主要研究成果如下: (1)针对运动约束系统存在的多个坐标系之间的转换问题,本文探讨了不同坐标 系下的坐标表达以及相互转换关系,实现了坐标关系的统一;对旋转矩阵存在的自身约 束问题,探讨了基于李群李代数的位姿表达数学形式,并进行机器人位姿的局部非线性 优化,得到局部最优解。 (2)为解决视觉传感器在 AprilTag 码检测识别过程中存在的误识别、漏识别等问 题,本文在图像预处理基础上,对图像进行改进滤波处理,提高图像边缘信息的保留度, 结合四边形优化算法和 Canny 算子提高图像边缘提取的准确性,通过识别解码实现人工 地标位置信息获取。针对实际应用场景中 AprilTag 码的不同形态,进行识别鲁棒性和精 度的验证实验。实验结果表明,与传统识别算法相比,本文算法识别鲁棒性和精准性更 高,识别成功率提高了 5.40%,为后续约束机器人定位提供保障。 (3)针对经典 SLAM 技术出现的误差累积问题,本文提出一种人工地标约束的移 动机器人 SLAM 定位方法。通过相机对场景中布设的 AprilTag 码进行精准识别,结合 视觉里程计估计的机器人运动状态,建立运动位姿约束模型,实现机器人运动状态的全 局优化,获得最优位姿,并进行本文定位方法和经典 SLAM 定位方法的精度对比实验。 实验结果表明,在直线和环形两种不同运动形式下,本文提出的约束定位方法较经典 SLAM 定位方法均方根误差分别降低了 5.51%和 38.23%,验证了本文方法的有效性。 |
论文外文摘要: |
With the rapid development of intelligent robot technology, the process of intelligent and real-time reform in the surveying and mapping industry has been accelerated. Among them, the Simultaneous Localiz Action and Mapping (SLAM) technology of robots in the unknown environment has become a hot research direction in the entire industry, which has promoted the development of traditional surveying and mapping in the direction of real-time dynamics. However, the classical SLAM algorithm only relies on visual odometry. The location state estimation is easily affected by environmental factors such as lighting, environmental textures and dynamic scenes. Therefore, this paper proposes a method based on artificial landmark constraints to conduct synchronous positioning and mapping technology research on robots in unknown environments. The main research results are as follows: (1) For the conversion problem between multiple coordinate systems in the motion constraint system, this paper discusses the coordinate expression and mutual conversion relationship in different coordinate systems, and realizes the unification of the coordinate relationship; for the self-constraint problem of the rotation matrix, The mathematical form of pose expression based on Lie group Lie algebra is discussed, and the local nonlinear optimization of the robot pose is carried out to obtain the local optimal solution. (2) In order to solve the problems of misrecognition and missed recognition of the vision sensor in the process of AprilTag code detection and recognition, based on image preprocessing, this paper improves the filtering of the image, improves the retention of image edge information, and combines quadrilateral optimization. The algorithm and Canny operator improve the accuracy of image edge extraction, and realize the acquisition of artificial landmark position information through recognition and decoding. According to different forms of AprilTag codes in practical application scenarios, verification experiments of recognition robustness and accuracy are carried out. The experimental results show that compared with the traditional recognition algorithm, the algorithm in this paper has higher recognition robustness and accuracy, and the recognition success rate is increased by 5.40%, which provides a guarantee for the subsequent constrained robot positioning. (3) Aiming at the error accumulation problem of classical SLAM technology, this paper proposes a SLAM localization method for mobile robots constrained by artificial landmarks. The AprilTag code laid out in the scene is accurately identified by the camera, combined with the motion state of the robot estimated by the visual odometry, the motion pose constraint model is established, the global optimization of the motion state of the robot is realized, the optimal pose is obtained, and the positioning method and Accuracy comparison experiments of classic SLAM localization methods. The experimental results show that the constrained localization method proposed in this paper reduces the root mean square error by 5.51% and 38.23%, respectively, compared with the classical SLAM localization method under two different motion forms, namely linear and circular, which verifies the effectiveness of the proposed method. |
参考文献: |
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中图分类号: | TP242.6 |
开放日期: | 2022-06-27 |