基于粒子濾波和一致性分析的同時(shí)定位與地圖構(gòu)建算法研究.pdf

1、I基于粒子濾波和一致性分析的同時(shí)定位與地圖構(gòu)建基于粒子濾波和一致性分析的同時(shí)定位與地圖構(gòu)建算法研究算法研究摘要摘要自主式水下機(jī)器人（AUV），也叫做無(wú)人操縱水下機(jī)器人，可以在沒(méi)有操作者介入的情況下自主完成調(diào)查任務(wù)，如對(duì)水下失事、巖石、障礙物等的探測(cè)。AUV還可以搭載多種海洋傳感器和聲納系統(tǒng)，為展開(kāi)各種海洋調(diào)查、數(shù)據(jù)搜集提供了有力的支持。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和人類(lèi)在海洋研究領(lǐng)域的不斷深入，AUV以其在水下探測(cè)領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的關(guān)

2、注，AUV的研發(fā)是未來(lái)水下航行器的必然發(fā)展方向，很多國(guó)家也都開(kāi)始密切關(guān)注AUV的研發(fā)并投入大量的科研力量。伴隨著自主式水下機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，自主導(dǎo)航技術(shù)也逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。機(jī)器人定位與實(shí)時(shí)地圖構(gòu)建的能力，即同時(shí)定位與地圖構(gòu)建算法，是實(shí)現(xiàn)真正意義上自主導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)。多年來(lái)，人們一直在為研究和改善導(dǎo)航算法進(jìn)行著不懈的努力。在所有的改進(jìn)方法中，算法一致性的改進(jìn)對(duì)于整個(gè)算法精度的提高有著極其重要的影響。在過(guò)去幾年里，粒子濾波在很多狀態(tài)估

3、計(jì)問(wèn)題中得到了較為成功的應(yīng)用，但是也存在一致性得不到滿足的問(wèn)題?；诖?，本文從提高算法一致性的角度入手，采用一種新的方法來(lái)提高算法一致性，從而提高算法估計(jì)的精度。本論文首先介紹了幾種主流的SLAM算法及其發(fā)展歷程，其次介紹了本實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)CRanger及所搭載的傳感器，然后詳細(xì)闡述了粒子濾波的基本原理及本文在傳統(tǒng)算法基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)室仿真、維多利亞公園數(shù)據(jù)集實(shí)驗(yàn)和海試實(shí)驗(yàn)對(duì)改進(jìn)算法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。其中海試實(shí)驗(yàn)采用實(shí)

4、驗(yàn)室自主研發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)CRanger，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為青島團(tuán)島灣。本文提出了一種改進(jìn)的粒子濾波方法：在路標(biāo)估計(jì)中使用首次估計(jì)雅克比的方法，通過(guò)修改狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和觀測(cè)矩陣中的相關(guān)項(xiàng)來(lái)提高路標(biāo)估計(jì)的精確度，這有助于建立一個(gè)滿足一致性的地圖，促進(jìn)位姿估計(jì)的準(zhǔn)確性，從而增強(qiáng)整個(gè)粒子濾波算法的一致性。同時(shí)，在重采樣過(guò)程中采用有效粒子數(shù)來(lái)控制重采樣過(guò)程，有效緩解粒子退化問(wèn)題。算法的一致性通過(guò)歸一化均方根誤差（NEES）進(jìn)行驗(yàn)IIITheStudyonSL

5、AMBasedonParticleFilterConsistencyAnalysisfAUVAbstractAutonomousUnderwaterVehicles(AUV)alsoknownasunmannedunderwatervehiclescanbeusedtoperfmunderwatersurveymissionssuchasdetectingmappingsubmergedwrecksrocksobstructionsth

6、atposeahazardtonavigationfcommercialrecreationalvessels.TheAUVconductsitssurveymissionwithoutoperatintervention.WhenamissioniscompletetheAUVwillreturntoapreprogrammedlocationthedatacollectedcanbedownloadedprocessedinthes

7、amewayasdatacollectedbyshipboardsystems.AUVscanbeequippedwithawidevarietyofoceanographicsensssonarsystems.AUVsdevelopmentistheinevitabletendencyofunderwatervehicleinthefuturemanycountriesbegintopayhighattentiontotheresea

8、rchofAUVshaveputintoalotofmoneytime.WiththewidelyapplicationofAUVsautonomousnavigationtechnologyhasgotmemeattention.Thecapacityofrobotlocalizationmapbuildingatthesametimenamelythesimultaneouslocalizationmapping(SLAM)，ist

9、hekeyofrealizingtrulyautonomousnavigation.Inlatestyearspeoplehavebeenresearchingimprovingthenavigationalgithmallthetime.Amongallofthosesolutionstheimprovingoftheefficiencycoherenceofthealgithmhasextremelyimptanteffectson

10、theaccuracyofthewholealgithm.Overthepastyearsparticlefiltershavebeenappliedwithgreatsuccesstoavarietyofstateestimationproblems，butitstillremainsproblemssuchasinconsistency.InthispaperwefirstlyintroducedseveralpopularSLAM

11、algithmtheirdevelopmenthisty.SecondlyourownAUVplatfmCRangerthesenssonitarepresented.ThenweelabatethebasicParticleFilteralgithmourimprovementbasedonthebasicalgithm.Atlasttheeffectivenessoftheimprovedalgithmisverifiedthoug