視覺(jué)慣導(dǎo)融合實(shí)時(shí)6DOF機(jī)器人定位方法研究.pdf

1、本文以德國(guó)IDS公司的ueye相機(jī)作為環(huán)境感知傳感器搭建平行式雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)，結(jié)合低成本的IMU(Inertial Measurement Unit)在圖像采樣間隔時(shí)間內(nèi)的短時(shí)平穩(wěn)性，深入研究視覺(jué)慣導(dǎo)融合的移動(dòng)機(jī)器人定位問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)精度高的、實(shí)時(shí)性好的6DOF(Degree of Freedom)的移動(dòng)機(jī)器人定位。主要工作如下:
　　首先，對(duì)如何通過(guò)慣性傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的實(shí)時(shí)定位問(wèn)題展開(kāi)深入討論和研究。先是對(duì)慣性導(dǎo)航所涉及的常

2、用坐標(biāo)系進(jìn)行描述，然后闡述表征慣導(dǎo)姿態(tài)的常用方式，包括方向余弦矩陣、歐拉角和四元數(shù)法，并詳細(xì)的介紹了四元數(shù)法以及四元數(shù)的定義、性質(zhì)、轉(zhuǎn)動(dòng)四元數(shù)微分方程和如何用四元數(shù)表征旋轉(zhuǎn)。接著以捷聯(lián)慣導(dǎo)(Strap-down Inertial Navigation System，SINS)為例，重點(diǎn)闡述了慣導(dǎo)系統(tǒng)的基本原理和基本方程并以簡(jiǎn)潔的語(yǔ)言描述了慣導(dǎo)的定位流程，以及如何進(jìn)行慣導(dǎo)姿態(tài)的解算。
　　其次，對(duì)如何通過(guò)視覺(jué)傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的實(shí)時(shí)定

3、位問(wèn)題展開(kāi)深入討論和研究。由于本課題的所有實(shí)驗(yàn)均是在ROS(Robot Operating System)即機(jī)器人操作系統(tǒng)中進(jìn)行，因此首先研究ROS操作系統(tǒng)以及如何在ROS中編寫(xiě)程序和運(yùn)行程序。然后，對(duì)攝像機(jī)成像模型、攝像機(jī)標(biāo)定、雙目立體圖像校正、特征點(diǎn)提取與匹配算法和運(yùn)動(dòng)估計(jì)展開(kāi)研究，并利用ROS操作系統(tǒng)中的ueye相機(jī)標(biāo)定包對(duì)雙目攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。最后，結(jié)合視覺(jué)導(dǎo)航的理論研究和LIBVISO2(Library of Visual Od

4、ometry)，在ROS中編寫(xiě)視覺(jué)導(dǎo)航代碼，并通過(guò)可視化工具RVIZ顯示包含視頻序列和以點(diǎn)云方式顯示運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　最后，本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種新的融合視覺(jué)和慣導(dǎo)的方法。結(jié)合低成本的IMU在圖像采樣間隔時(shí)間內(nèi)的短時(shí)平穩(wěn)性，深入研究視覺(jué)慣導(dǎo)融合的機(jī)器人定位問(wèn)題。在視覺(jué)里程計(jì)運(yùn)動(dòng)估計(jì)中，利用重投影誤差最小建立用于求解運(yùn)動(dòng)參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)。在視覺(jué)和慣導(dǎo)融合時(shí)，結(jié)合慣導(dǎo)解算出的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量重新建立目標(biāo)函數(shù)，并通過(guò)高斯-牛頓法進(jìn)