基于RGB-D摄像机的同步定位与建图研究

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所属分类:AGV设计资料
摘要

移动机器人的同步定位与建图(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)是实现移动机器人真正意义上自主导航的关键,同时它也是移动机器人技术研究中最具挑战性的问题之一。基于视觉的SLAM技术由于其价格低廉与信息丰富的优点受到了越来越来研究者的关注。微软于2010年推出的一款RGB-D摄像机Kinect,因其廉价性与高性能,在SLAM领域掀起了一股研究热潮。SLAM的研究就构建的地图维度来说一般分为二维SLAM与三维SLAM,其应用领域各有不同。二维地图一般用来进行移动机器人的导航与路径规划,而三维地图一般用来执行更高级的任务,如物体识别等。本论文主要研究了如何使用低成本的Kinect来进行2D SLAM与3D SLAM的实现。对Kinect 2.0摄像机的特性与标定方法进行了研究。主要研究了Kinect 2.0的深度获取原理,对Kinect 1.0与Kinect 2.0的特性进行了分析比较;通过Libfreenect2驱动在Linux系统上驱动Kinect 2.0,并基于张正友标定法对Kinect 2.0进行了标定,获取了Kinect 2.0的内外参数,从而基于Kinect获取的RGB图像与深度图像生成三维彩色点云。研究了Kinect 2.0模拟激光雷达数据在2D SLAM中的应用。研究了ROS系统与其相关工具的使用;针对二维激光雷达扫描环境得出的数据在高度方向不完备的问题,利用ROS上的depthimage_to_laserscan工具包将Kinect扫描得到的深度数据转换为激光雷达数据。针对Kinect深度数据存在的空洞问题,基于中值滤波与连通域的原理提出了一种简易的深度图修复方法,通过实验验证了该算法的有效性,并将Kinect模拟出的激光雷达数据应用在Gmapping和Hector SLAM算法中,仿真实验与真实环境实验证明了Kinect模拟激光雷达进行2D环境建图算法的有效性。研究了Kinect 2.0在3D SLAM中的应用。在特征提取与匹配算法中,使用实时性更高的ORB算法,研究了ORB算法的原理,将其与SIFT、SURF算法进行了对比实验,证明了ORB算法的高效性。使用比RANSAC算法速度更快的PROSAC算法进行外点剔除,并将ORB算法与PROSAC算法相结合来进行特征提取与匹配,实验结果表明了该方法的实时性。针对经典ICP算法存在的算法效率低、迭代易陷入局部极值等问题,提出了一种改进的ICP算法,由对比实验可知改进算法的高效性。最后,利用改进的RGBD SLAM算法对真实的环境进行了实验,得到了环境的三维点云地图与传感器的轨迹。

论文目录

摘要
Abstract

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义
1.2 国内外研究现状及分析
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内研究现状
1.2.3 现状分析
1.3 课题的主要研究内容

第2章 Kinect 2.0 数据获取与标定

2.1 Kinect简介
2.2 Kinect 2.0 深度图像获取原理
2.3 Kinect 2.0 环境信息获取
2.4 Kinect摄像机标定
2.4.1 引言
2.4.2 摄像机标定方法
2.4.3 Kinect 2.0 的标定实验与结果
2.5 三维彩色点云获取
2.6 本章小结

第3章 基于RGB-D摄像机的 2D SLAM

3.1 引言
3.2 ROS系统及主要工具介绍
3.2.1 ROS的基本介绍
3.2.2 IAI_Kinect2驱动
3.2.3 TF坐标变换
3.2.4 Rviz可视化平台
3.2.5 Gazebo仿真平台
3.3 Kinect 2.0 深度数据修复
3.3.1 Kinect 2.0 深度数据存在的问题
3.3.2 深度图像修复方法
3.3.3 实验验证
3.4 Gmapping与Hector SLAM算法
3.4.1 Gmapping算法基本原理
3.4.2 Hector SLAM算法基本原理
3.5 本章小结

第4章 基于RGB-D传感器的 3D SLAM

4.1 引言
4.2 ORB算法
4.2.1 oFAST特征检测
4.2.2 rBRIEF特征描述
4.2.3 特征匹配算法对比实验
4.3 外点剔除与运动估计
4.3.1 运动估计方法
4.3.2 RANSAC算法
4.3.3 PROSAC算法
4.3.4 对比实验
4.4 三维点云匹配
4.4.1 点云匹配基本理论
4.4.2 ICP算法
4.4.3 改进的ICP算法
4.4.4 对比实验
4.5 闭环检测与图优化
4.5.1 引言
4.5.2 关键帧选取机制
4.5.3 闭环检测算法
4.5.4 图优化方法
4.6 本章小结

第5章 SLAM实验设计与分析

5.1 引言
5.2 基于Kinect的 2D SLAM实验
5.2.1 Gmapping算法实验
5.2.2 Gmapping仿真实验
5.2.3 Hector SLAM算法实验
5.2.4 2D SLAM实验分析
5.3 基于Kinect的 3D SLAM实验
5.4 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
致谢

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