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基于RGB-D相机的SLAM技术研究1
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摘要随着科技的发展,服务机器人慢慢进入了人们的生活,变成人们生活中很重要的一部分,目前各个领域对机器人的要求都包括实现机器人的自主定位和路径规划,要实现这 些
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专 业 学 位 硕 士 学 位 论 文
基于 RGB-D 相机的 SLAM 技术研究
Study on Technology of SLAM Based on RGB-D Camera
作 者 姓 名: 李 彤
工 程 领 域: 电子与通信工程
学 号: 31709068
指 导 教 师: 殷福亮 教授
完 成 日 期: 2019 年 5 月 18 日
大连理工大学
Dalian University of Technology
万方数据
大连理工大学专业学位硕士学位论文
- I -
摘 要
随着科技的发展,服务机器人慢慢进入了人们的生活,变成人们生活中很重要的一
部分,目前各个领域对机器人的要求都包括实现机器人的自主定位和路径规划,要实现
这些功能,首先要完成机器人的同时定位与地图构建,即 SLAM(Simultaneous
Localization and Mapping)。SLAM 系统能够在机器人所处环境未知的情况下,通过传感
器获得的环境信息,完成机器人的自主定位与环境地图构建。
本文研究了基于 RGB-D 相机的视觉 SLAM 系统,主要研究工作如下。
(1)介绍了经典的视觉 SLAM 框架,然后详细介绍了基于 KINECT 相机的 SLAM 系
统的整体流程,研究了 KINECT 相机的结构、原理和成像模型,并对它进行标定,得到
了相机的内参和外参。
(2)利用特征点法实现了 SLAM 系统的前端。图像特征的选择为 ORB(Oriented FAST
and Rotated BRIEF)特征,在为 ORB 特征添加了尺度不变性和旋转不变性后,使用汉明
距离作为度量进行特征匹配,针对在匹配结果中出现的误匹配,通过设置距离阈值和利
用次优匹配来剔除,实验结果表明利用上述方法剔除误匹配之后可以得到正确的特征匹
配结果。之后利用 EPnP( Efficient Perspective-n-Point )的方法估计相机的位姿,然后用图
优化的方法对估计的位姿进行优化。
(3)实现了系统的回环检测、后端优化以及环境地图构建的功能。首先定义关键帧的
概念,通过词袋模型的方法选取关键帧来进行回环检测,以消除误差累积产生的定位漂
移问题,在回环之后进行全局位姿优化,然后构建地图。
(4)为了验证本文 SLAM 系统的有效性和实用性,利用数据集和真实环境进行了实
验。首先利用 TUM 数据集中的序列进行实验,对全局优化前后系统估计的相机运动轨
迹和真实的轨迹分别进行对比,并计算全局优化前后轨迹的误差,实验结果表明,在经
过系统后端的全局优化之后,系统的定位精度增强,位姿跟踪效果较好。之后利用数据
集以及真实的室内环境进行系统地图构建的实验。结果表明,无论是数据集还是真实环
境,系统都能实时构建地图,并且构建的地图可应用于定位和导航,验证了本文 SLAM
系统的有效性和实用性。
关键词:视觉 SLAM;RGB-D;ORB 特征;回环检测;图优化
万方数据
基于 RGB-D 相机的 SLAM 技术研究
- II -
Study on SLAM Based on RGB-D Camera of Mobile Robot
Abstract
With the development of science and technology, mobile robots have gradually entered
people's lives and become a very important part. At present, the requirements for robots in
various fields include the autonomous positioning and path planning of robots. To achieve
these functions, we must first realize the simultaneous localization and mapping of the robot,
namely SLAM. The system of SLAM can complete the robot's autonomous positioning and
environment map construction through the environmental information obtained by the sensor
when the environment of the robot is unknown.
This paper studies the visual SLAM system based on RGB-D camera. The main research
work is as follows.
(1) A classic framework of visual SLAM is introduced, then is the complete circuit of the
SLAM system based on KINECT. And the structure, principle and imaging mode of KINECT
is also introduced. The KINECT is calibrated so that the internal and external parameters of the
camera are obtained.
(2) The realization of the visual odometer at the front of the SLAM system is based on the
method of feature. The image features are selected as ORB (Oriented FAST and Rotated
BRIEF) features. Scale invariance and rotation invariance are added to the ORB feature by
image pyramid and gray centroid method. Then, the Hamming distance is used as the metric for
feature matching. To eliminate the mismatching in the matching result, the distance threshold is
set and the suboptimal matching is used. The experimental results show that the correct feature
matching result can be obtained after using the method of eliminating the mismatch above.
Then, the method of EPnP (Efficient Perspective-n-Point) is used to estimate the motion of the
camera between two adjacent frames, and then the estimated pose is optimized by the method
of graph optimization.
(3) The function of loop closing, global optimization and environment map construction of
the system is implemented. The concept of key frame is defined first. The key frame is selected
based on the bag of words to perform loop closing detection so that problem of position drift
caused by error accumulation can be solved. The global pose optimization is performed using
graph optimization after the loop closing, and then the globally consistent trajectories and maps
are constructed.
(4) In order to verify the validity and practicability of the system in this paper, experiments
were carried out using datasets and real environment. First, the experiments in the TUM dataset
万方数据
大连理工大学专业学位硕士学位论文
- III -
are used to conduct experiments. The trajectories estimated before and after the global
optimization are compared with the real trajectories, and the errors of the trajectories are
calculated. The experimental results show that the accuracy of positioning is enhanced and the
effect of pose tracking is better after the global optimization of the system. The results show
that the system can construct maps in real time, whether it is used in dataset or real environment,
and the constructed maps can be applied to positioning and navigation, which verifies the
validity and practicability of the system.
Key Words:Visual SLAM; RDB-D; Feature of ORB; Loop Closing; Graph Optimization
万方数据
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