基于RGB-D SLAM算法的室内地图构建研究

论文摘要

目前,室内地图并不像室外地图一样内容丰富,大部分的室内地图以二维的CAD平面图为主,视觉效果较差,由于对室内地图的研究缺乏系统性的指导原则和统一的标准,室内地图的构建方法以及信息获取程度也没有受到足够的重视,到目前为止还难以辅助人们的日常生活。常规的三维激光扫描仪能够完成室内三维模型的构建,但是激光传感器体积庞大、价格昂贵,并不适用于室内环境,传统的近景摄影测量技术可以通过重复架站的方式完成对环境数据的获取,但是操作繁琐,数据处理费时费力。本文对智能机器人领域的同步定位与地图构建（Simultaneous Localization and Mapping,SLAM）技术进行深入研究,将SLAM技术应用于测绘领域,解决室内地图的实时构建问题。本文研究定位在搭建廉价的、能够快速检测环境变化的设备,并发展相应的应用,具体研究基于消费级视觉传感器的室内地图实时构建问题,采用微软公司的RGB-D相机Kinect作为环境感知传感器,对SLAM技术展开理论学习并进行相关实验分析。论文主要完成了以下工作:（1）阐述了常用RGB-D类型相机Kinect的针孔相机模型,简要介绍了Kinect相机的组成和深度探测原理。重点研究了产生相机畸变的来源且对其进行数学建模。使用棋盘格对Kinect相机标定得到相机的内部参数和畸变参数,并利用标定后的相机完成了数据的采集实验。获取了标定以后对齐的彩色图和深度图。（2）研究了RGB-D SLAM的理论基础,内容包括:前端视觉里程计中的基于特征点法的相对运动估计,主要对特征检测算子的性能进行对比分析、对ORB算法的提取特征进行初匹配。同时,介绍了传统基于三维相机的视觉里程计实现方法,明确了基于三维点云的ICP算法实现的原理和存在的问题。并对后端图优化以及基于词袋的回环检测流程进行了详细描述。（3）在误匹配剔除方面,本文引入了RANSAC算法的特征点匹配优化方法。同时利用P3P与ICP结合的方式对相机的位姿进行实时的估计,提出了基于SBA算法的视觉里程计的实现方法,用以降低系统的累积误差,保证整个系统的精度和可靠性。并提出了合理的关键帧选择机制来减小视觉里程计的累积误差。本文针对SIFT、SURF、ORB三种视觉里程计中常用的特征检测算法进行了对比实验,从实时性和高效性两方面比较了它们的性能,搭建了RGB-D SLAM系统软硬件实验平台并将不同的特征检测算法应用于RGB-D SLAM,进行了具体的对比试验,利用RANSAC算法剔除误匹配的特征点并与ICP算法相结合,实现了基于特征点的视觉里程计估计。在室内场景下使用Turtlebot机器人进行RGB-D SLAM实验完成了室内环境三维点云地图的实时构建。验证了系统方案的可行性,并利用坐标转换等方式完成了对其精度的评定,实验结果表明点云地图的点位精度为0.0398m,点云地图中特征物的尺寸精度为0.0135m。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 研究内容及目的
• 第2章 Kinect相机特性及成像模型
•   2.1 Kinect相机工作原理
•   2.2 Kinect相机成像模型
•     2.2.1 针孔成像模型
•     2.2.2 相机畸变
•   2.3 相机标定实验分析
•     2.3.1 标定流程及结果分析
•     2.3.2 标定后的Kinect图像采集实验
• 第3章 RGB-D SLAM算法理论基础
•   3.1 前端视觉里程计
•     3.1.1 典型特征点检测算法
•     3.1.2 特征点提取过程
•     3.1.3 图像特征点匹配
•     3.1.4 图像特征检测与匹配实验分析
•   3.2 基于ICP算法的视觉里程计实现
•   3.3 后端位姿图优化
•   3.4 基于词袋模型的回环检测
•   3.5 不同前端特征检测算法RGB-D SLAM实验分析
• 第4章 基于局部算法改进的整体算法实现
•   4.1 误匹配剔除算法的引入
•     4.1.1 RANSAC算法误匹配点对剔除流程
•     4.1.2 RANSAC算法误匹配点对剔除实验分析
•   4.2 相机位姿估计
•   4.3 估计值调整
•   4.4 局部SBA和全局SBA的实现
•   4.5 关键帧选取策略
•   4.6 改进ORB特征检测算子实验分析
•     4.6.1 四叉树均匀分布算法框架
•     4.6.2 均匀化处理实验
• 第5章 移动机器人RGB-D SLAM系统实验分析
•   5.1 TUM数据集测评实验
•   5.2 移动测试平台环境场地实验
•   5.3 SLAM点云地图精度评定方式
•     5.3.1 SLAM点云地图特征物尺寸精度验证
•     5.3.2 SLAM点云地图点位精度误差验证
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 翁福洲

导师: 罗德安,黄鹤

关键词: 同步定位,地图构建,特征点法

来源: 北京建筑大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 自然地理学和测绘学,计算机软件及计算机应用,自动化技术

单位: 北京建筑大学

分类号: TP212;P283.7

总页数: 63

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