火星表面协同探测视觉/惯性组合导航方法研究

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所属分类:AGV设计资料
摘要

自主导航技术是火星探索活动的必备技术。对于火星表面探索,由于缺乏导航卫星和先验地图信息提供的全局导航坐标系,火星表面巡视器(Mars Rover)往往采用视觉导航方法,利用自身的局部坐标系进行导航。2015年美国宇航局提出利用火星直升机(Mars Helicopter)与火星车协同探索火星表面,机动灵活的火星直升机有望成为火星车的“天眼”,有效扩大探测区域,提高探测效率。但是火星表面稀薄的大气层严重限制了火星直升机的起飞重量,这就意味着火星直升机无法搭载重量和功耗可观的导航传感器,相比于火星车,火星直升机需要更加轻量化的位姿估计系统。除此以外,对协同探测的向往无疑是火星直升机诞生的一大推动力,统一各个探测器的导航坐标系以实现全局的任务和路径规划,是实现高效协同的必备技术。近年来,低成本的小型惯性测量单元(IMU)的测量精度逐步提高,视觉/惯性组合导航成为了一大研究热点,通过融合视觉观测信息和惯性测量信息,位姿估计可以获得更高的精度和鲁棒性。单目相机和IMU组成的单目视觉/惯性系统相比于双目相机以及激光雷达等传感器具备重量、体积和功耗方面的优势,非常适合承载能力有限的飞行平台使用;随着计算机视觉技术的发展,相似图像识别的准确度提高,为利用视觉信息进行地点识别、重定位和视觉地图的融合提供了条件,这就使得协同工作的多个火星表面探测器能够通过处理视觉图像,统一各自的导航坐标系。本文面向未来的火星表面探测活动,对协同探测单目视觉/惯性组合导航方法进行了研究,并讨论了将其应用于多架火星直升机的空中协同探测任务的可行性。按照从理论研究到实验验证的顺序,本文首先研究了视觉/惯性组合导航涉及的基础知识理论;然后研究了协同探测组合导航方法的两大核心——滑动窗口单目视觉/惯性里程计和基于视觉特征的回环检测、地图融合、全局位姿图优化方法;最后通过数据集测试、实物实验和仿真场景实验三种方式验证并分析了协同探测组合导航方法的性能。

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 国内外相关领域研究进展及分析
1.2.1 地外星体表面探测器发展概况
1.2.2 视觉/惯性SLAM技术发展概况
1.2.3 多机器人协同探测技术发展概况
1.3 论文的研究思路和内容安排
第2章 理论基础
2.1 引言
2.2 单目视觉/惯性SLAM问题的数学表述
2.3 刚体位姿表示
2.3.1 刚体姿态
2.3.2 刚体三维运动
2.4 惯性测量
2.4.1 惯性传感器测量模型
2.4.2 惯性测量信息预积分
2.5 视觉观测
2.5.1 单目相机测量模型
2.5.2 视觉特征点
2.5.3 相机运动估计
2.6 基于非线性优化的状态估计
2.6.1 极大似然估计与最小二乘问题
2.6.2 优化算法
2.6.3 图优化与Bundle Adjustment
2.7 本章小结
第3章 视觉/惯性融合位姿估计
3.1 引言
3.2 估计器初始化
3.2.1 视觉观测初始化
3.2.2 视觉/惯性对齐
3.3 基于滑动窗口的解耦合单目视觉/惯性里程计
3.3.1 惯性测量残差
3.3.2 视觉观测残差
3.4 边缘化
3.4.1 状态边缘化原理
3.4.2 针对旋翼飞行器运动特点的边缘化策略
3.5 本章小结
第4章 重定位、全局优化与地图融合
4.1 引言
4.2 回环检测与重定位
4.2.1 基于DBoW词袋的地点识别
4.2.2 回环检测
4.2.3 滑动窗口内重定位
4.3 全局位姿图优化
4.3.1 误差积累
4.3.2 4自由度位姿图优化
4.4 基于位姿图的地图融合
4.4.1 地图存储与重用
4.4.2 地图间重定位与地图融合
4.5 本章小结
第5章 视觉/惯性组合导航和协同探测实验
5.1 引言
5.2 实验方案设计
5.3 数据集实验
5.3.1 位姿估计精度分析
5.3.2 地图融合实验
5.4 实物实验
5.4.1 机载飞行回环实验
5.4.2 手持快速运动长轨迹回环实验
5.4.3 地图融合实验
5.4.4 泥土地表低空飞行实验
5.5 火星表面仿真场景实验
5.6 实验结果总结分析
5.7 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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