基于圖像特征點(diǎn)的移動(dòng)機(jī)器人立體視覺(jué)SLAM研究.pdf

1、移動(dòng)機(jī)器人的同時(shí)定位與地圖創(chuàng)建(Simultaneous Localization and Mapping, SLAM)問(wèn)題是整個(gè)移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航的基礎(chǔ)，也是其真正實(shí)現(xiàn)自主化和智能化的最重要條件之一。所謂SLAM就是將移動(dòng)機(jī)器人定位與環(huán)境地圖創(chuàng)建融為一體，即機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中根據(jù)自身位姿估計(jì)和傳感器對(duì)環(huán)境的感知構(gòu)建增量式環(huán)境地圖，同時(shí)利用該地圖實(shí)現(xiàn)自身的定位。
　　本文針對(duì)室內(nèi)未知環(huán)境下基于圖像特征點(diǎn)的移動(dòng)機(jī)器人立體視覺(jué)SLAM

2、進(jìn)行研究。移動(dòng)機(jī)器人在場(chǎng)景中運(yùn)動(dòng)，不需要任何先驗(yàn)知識(shí)，利用雙目立體視覺(jué)來(lái)感知周?chē)h(huán)境信息。并提取穩(wěn)定的圖像特征點(diǎn)來(lái)表征3D空間實(shí)際物理點(diǎn)，以此作為自然路標(biāo)，來(lái)構(gòu)建環(huán)境的幾何地圖，同時(shí)通過(guò)與當(dāng)前時(shí)刻之前所創(chuàng)建的環(huán)境地圖（自然路標(biāo)庫(kù)）中的路標(biāo)進(jìn)行匹配，估計(jì)機(jī)器人當(dāng)前位姿并更新自然路標(biāo)庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的SLAM過(guò)程。本文著重于以下內(nèi)容展開(kāi)研究：圖像局部不變特征的提取算法、基于圖像特征點(diǎn)的全局定位方法和環(huán)境地圖表示方法。
　　為了表

3、征環(huán)境中典型的特征信息，本文首先針對(duì)圖像局部不變特征的提取算法進(jìn)行研究。而興趣點(diǎn)作為圖像的一種重要局部特征，保留了圖像場(chǎng)景中的重要特征信息并同時(shí)有效地減少了信息的數(shù)據(jù)量而且具有旋轉(zhuǎn)不變性，幾乎不受光照條件的影響。針對(duì)此，本文提出了基于圖像二階多項(xiàng)擴(kuò)展式局部方向張量的興趣點(diǎn)檢測(cè)PLOT(Polynomial Local Orientation Tensor)算子，能夠從場(chǎng)景圖像中提取尺度、旋轉(zhuǎn)、明亮、仿射等局部不變的興趣點(diǎn)，來(lái)表征機(jī)器人當(dāng)

4、前所在環(huán)境的典型局部特征。利用PLOT算子提取圖像局部特征不變興趣點(diǎn)，獲得相應(yīng)的位置和尺度等特征，為了區(qū)分這些不變的興趣點(diǎn)，本文利用SIFT描述符對(duì)其進(jìn)行特征描述。最后通過(guò)召回率與準(zhǔn)確率圖比較了目前典型的特征提取算子，可知PLOT算子對(duì)于各種圖像變換表現(xiàn)更穩(wěn)定。
　　移動(dòng)機(jī)器人SLAM問(wèn)題同時(shí)包括機(jī)器人的全局定位和環(huán)境地圖創(chuàng)建兩部分，兩部分是密切相聯(lián)且又相互影響的。移動(dòng)機(jī)器人的全局定位依賴(lài)于所創(chuàng)建的環(huán)境地圖。而基于圖像特征點(diǎn)的機(jī)器

5、人定位過(guò)程就是指將當(dāng)前幀圖像PLOT特征匹配點(diǎn)與路標(biāo)庫(kù)中PLOT自然路標(biāo)對(duì)應(yīng)匹配，獲得滿(mǎn)足一定約束條件的模型參數(shù)，最終得到機(jī)器人位姿的最佳估計(jì)。本文提出了擴(kuò)展隨機(jī)抽樣一致性算法來(lái)估計(jì)機(jī)器人的準(zhǔn)確位姿，即把機(jī)器人的全局定位看作模型參數(shù)估計(jì)問(wèn)題，獲得機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)平面中的位置和方向角參數(shù)。
　　把獲得的圖像PLOT特征匹配點(diǎn)當(dāng)作環(huán)境自然路標(biāo)，提出了基于圖像坐標(biāo)點(diǎn)PLOT特征及對(duì)應(yīng)空間3D坐標(biāo)等信息來(lái)創(chuàng)建環(huán)境的幾何特征地圖。左右攝像機(jī)特征

6、點(diǎn)匹配之后，可以獲得每一匹配點(diǎn)的特征信息，包括：全局3D坐標(biāo)、特征尺度、特征方向和描述符等。把觀測(cè)到的特征點(diǎn)當(dāng)作環(huán)境自然路標(biāo)，并建立自然路標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)記錄所獲得的路標(biāo)點(diǎn)。而機(jī)器人在環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，不斷地獲得圖像PLOT特征匹配點(diǎn)，故在每幀時(shí)刻需要維護(hù)更新自然路標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，包括：增加自然路標(biāo)、記錄自然路標(biāo)出現(xiàn)的次數(shù)、去除自然路標(biāo)等，來(lái)適合機(jī)器人的動(dòng)態(tài)工作環(huán)境。
　　針對(duì)基于圖像特征點(diǎn)的移動(dòng)機(jī)器人立體視覺(jué)SLAM，為了驗(yàn)證本文算法的有效性和準(zhǔn)