【摘要】：融合多傳感器的自主定位與導(dǎo)航技術(shù)是當(dāng)前移動智能機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)課題之一。相比于其他類型傳感器,視覺傳感器具有制造成本較低、采集視頻信息量較大且圖像直觀等優(yōu)點(diǎn)。但需解決實際運(yùn)行場景中,由于相機(jī)快速轉(zhuǎn)動造成的圖像模糊、障礙物遮擋、純轉(zhuǎn)動以及尺度不確定性一系列問題,導(dǎo)致的圖像特征點(diǎn)缺失、精度和魯棒性降低等問題;而IMU可以通過加速度計和陀螺儀直接測得載體的運(yùn)動速度數(shù)據(jù)信息,為載體運(yùn)動提供必要約束,與視覺傳感器互補(bǔ),可以有效解決運(yùn)動載體在快速運(yùn)動以及純轉(zhuǎn)動下存在的問題。本文立足立體視覺與IMU融合技術(shù),旨在提高室內(nèi)移動機(jī)器人定位導(dǎo)航的精度與魯棒性,主要研究內(nèi)容包括:1.探討了慣性測量定位基本理論。包括加速度計和陀螺儀測量理論原理、坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換,機(jī)器人空間姿態(tài)描述的四種方式:旋轉(zhuǎn)變換矩陣、歐拉角、旋轉(zhuǎn)向量以及四元數(shù),并進(jìn)一步研究了四種方式之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。2.研究了視覺SLAM定位導(dǎo)航算法。首先分析了雙目立體視覺相機(jī)定位原理,建立了針孔相機(jī)模型和相機(jī)畸變模型;利用張正友棋盤式標(biāo)定法,使用MATLAB自帶標(biāo)定工具包對雙目立體相機(jī)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定,首先分別標(biāo)定了兩個單目相機(jī)的內(nèi)參和外參以及畸變參數(shù),再對雙目相機(jī)進(jìn)行立體標(biāo)定,確定兩個單目相機(jī)的空間對應(yīng)關(guān)系,進(jìn)而通過特征提取與匹配,構(gòu)建PnP方法,利用非線性優(yōu)化來求解相機(jī)位姿,并利用光束平差法對位姿進(jìn)行后端優(yōu)化。3.分別實現(xiàn)了基于單目視覺融合IMU和雙目立體視覺的單傳感器定位方式,采用特征匹配的方法對相鄰單幀圖像進(jìn)行特征提取與匹配,利用對極幾何算法求解相機(jī)位姿,并通過實驗分析單傳感器在實際環(huán)境下定位失敗的原因,為本文研究雙目立體視覺融合IMU傳感器奠定基礎(chǔ)。4.深入研究了慣性與雙目立體視覺融合定位導(dǎo)航算法。探討了緊耦合和松耦合下融合數(shù)據(jù)的魯棒性和精確性,選取緊耦合作為本文融合方案;提出了一種IMU初始化方法,利用IMU預(yù)積分得到當(dāng)前幀估計下一幀相對關(guān)系,分別計算速度、陀螺儀、加速度計以及重力方向的偏差;將IMU預(yù)積分?jǐn)?shù)據(jù)與雙目視覺信息融合,構(gòu)建視覺慣性里程計,聯(lián)立視覺與慣性估計誤差,通過不斷迭代優(yōu)化確定載體姿態(tài)信息。5.利用Turtlebot3移動機(jī)器人搭載PC機(jī)和ZED雙目視覺傳感器搭建實驗移動平臺,基于Ubuntu16.04操作系統(tǒng),建立ROS機(jī)器人操作環(huán)境,實現(xiàn)數(shù)據(jù)和圖像的可視化,再將運(yùn)行中移動機(jī)器人位姿數(shù)據(jù)導(dǎo)出,利用MATLAB對數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析,從實際誤差分析可得,在穩(wěn)定的室內(nèi)環(huán)境下,融合IMU與雙目立體視覺信息定位精度能達(dá)到0.04m,相比于單視覺融合IMU以及純雙目視覺具有更高的定位精度和魯棒性。
【學(xué)位授予單位】：成都理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP212;TP242
【圖文】：

相對坐標(biāo)系變換圖

圖 2-4 慣性導(dǎo)航解算圖解上圖 2-4 所示的為慣性導(dǎo)航解算過程流程圖，首先通過初始化校準(zhǔn)獲得變換矩陣的初值 (0)，陀螺儀所測量數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波與誤差補(bǔ)償后可獲得載體的角速度 ，然后利用 與 對變換矩陣進(jìn)行修正，接著利用四元數(shù)結(jié)合初值 (0)計算得到旋轉(zhuǎn)變換矩陣 。加速度計測量后的值經(jīng)過補(bǔ)償后結(jié)合變換矩陣 即可求得載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系下的加速度 ，從而得到載體自身運(yùn)動姿態(tài)以及位置。另外，利用變換矩陣 還可以估算出載體的姿態(tài)。2.3 IMU 測量基礎(chǔ)理論原理介紹慣性測量單元 IMU 是由加速度計和陀螺儀構(gòu)成，本節(jié)將主要介紹這兩種核心測量元器件的理論工作原理。2.3.1 加速度計測量原理

a g = = 質(zhì)量所受的非引用外力 f 為比力。為了獲取基座較為準(zhǔn)確要對加速度計輸出數(shù)據(jù)做容差處理。對公式（2-2）轉(zhuǎn)換 = 阻 a 逐漸變小，使得-ma+F阻=0，此時 x 為 0，加速度卻不為有輸出。加速度計的精度由其靈敏閥描述，即加速度計可值，其動態(tài)特性是由自身自然頻率體現(xiàn)出來的，假設(shè)其自 = √ 小是根據(jù)實際應(yīng)用要求來確定的，取值范圍一般在 10~100來后，加速度計的頻率范圍就確定了。

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 田晉宇;王創(chuàng)創(chuàng);何平;熊興中;;非完整網(wǎng)絡(luò)移動機(jī)器人的一致性[J];華中師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2019年06期

2 王宏玉;;移動機(jī)器人行業(yè):百花齊放,快速發(fā)展[J];物流技術(shù)與應(yīng)用;2019年03期

3 王賽;劉子龍;;基于4G網(wǎng)絡(luò)的移動機(jī)器人遠(yuǎn)程控制研究[J];軟件導(dǎo)刊;2019年11期

4 張淇元;;自適應(yīng)巡航移動機(jī)器人的構(gòu)建與編程[J];數(shù)字通信世界;2017年10期

5 趙杰;;以世賽集訓(xùn)為引領(lǐng) 推動學(xué)院水平提升——44屆世賽移動機(jī)器人項目集訓(xùn)介紹[J];中國培訓(xùn);2018年03期

6 楊洪志;;移動機(jī)器人的雙臂結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)研究[J];南方農(nóng)機(jī);2018年14期

7 任芳;;移動機(jī)器人助力無人倉落地——訪杭州�？禉C(jī)器人技術(shù)有限公司副總裁吳堯[J];物流技術(shù)與應(yīng)用;2018年10期

8 劉銀萍;;全向移動機(jī)器人中電動機(jī)控制系統(tǒng)的研究[J];微電機(jī);2016年12期

9 張燕;徐一超;盛洲;;A*算法在移動機(jī)器人自學(xué)習(xí)中的使用[J];單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用;2016年11期

10 薛金水;張新政;;改進(jìn)遺傳算法優(yōu)化移動機(jī)器人動態(tài)路徑研究[J];機(jī)床與液壓;2017年07期

相關(guān)會議論文 前10條

1 陳煒;馬利;王立柱;;雙臂移動機(jī)器人在不平路面激勵下的振動特性分析[A];第十屆動力學(xué)與控制學(xué)術(shù)會議摘要集[C];2016年

2 王潤孝;仲于海;;四足移動機(jī)器人研究現(xiàn)狀及核心關(guān)鍵技術(shù)[A];2017年第七屆全國地方機(jī)械工程學(xué)會學(xué)術(shù)年會暨海峽兩岸機(jī)械科技學(xué)術(shù)論壇論文集[C];2017年

3 湯亞鋒;姚紅;楊慶;;氣浮式移動機(jī)器人的模糊運(yùn)動控制方法[A];2009年中國智能自動化會議論文集（第一分冊）[C];2009年

4 李斌;劉景泰;孫雷;王鴻鵬;李寶炯;;面向復(fù)雜環(huán)境作業(yè)的輪式滑動轉(zhuǎn)向移動機(jī)器人平臺設(shè)計[A];2009年中國智能自動化會議論文集（第二分冊）[C];2009年

5 趙暉;王天然;劉德林;;分布式數(shù)據(jù)庫在移動機(jī)器人中的應(yīng)用[A];第十屆全國數(shù)據(jù)庫學(xué)術(shù)會議論文集[C];1992年

6 李偉;江曉佳;王彥昕;王永強(qiáng);;基于模糊邏輯推理的室外移動機(jī)器人道路邊沿抽取的方法[A];1995年中國智能自動化學(xué)術(shù)會議暨智能自動化專業(yè)委員會成立大會論文集（上冊）[C];1995年

7 高志軍;顏國正;丁國清;顏德田;;多移動機(jī)器人間通訊機(jī)制的設(shè)計與實現(xiàn)[A];中國儀器儀表學(xué)會第三屆青年學(xué)術(shù)會議論文集（上）[C];2001年

8 郭丙華;胡躍明;吳忻生;;未知或已知環(huán)境中的非完整移動機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃[A];第二十一屆中國控制會議論文集[C];2002年

9 劉國棟;呂福生;謝宏斌;;基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的移動機(jī)器人的路徑規(guī)劃研究[A];2003年中國智能自動化會議論文集（上冊）[C];2003年

10 李世華;田玉平;;一種非完整移動機(jī)器人有限時間跟蹤控制算法[A];江蘇省自動化學(xué)會七屆四次理事會暨2004學(xué)術(shù)年會青年學(xué)者論壇論文集[C];2004年

相關(guān)重要報紙文章 前10條

1 記者 張紅波;云南技師學(xué)院鄭棋元勇奪第45屆世界技能大賽移動機(jī)器人項目金牌[N];云南經(jīng)濟(jì)日報;2019年

2 本報記者 黃辛 趙廣立;給移動機(jī)器人裝上“最強(qiáng)大腦”[N];中國科學(xué)報;2018年

3 整理 任紫;技能報國 正當(dāng)其時[N];中國勞動保障報;2019年

4 湖南日報記者 姚學(xué)文;馳眾 躋身工業(yè)移動機(jī)器人第一方陣[N];湖南日報;2018年

5 本報記者 郝曉明;移動機(jī)器人“冰屏”炫舞“北京八分鐘”[N];科技日報;2018年

6 沈陽日報、沈報融媒記者 李海英;炫舞“北京8分鐘” 沈陽新松移動機(jī)器人團(tuán)隊榮獲“市長特別獎”[N];沈陽日報;2018年

7 本報記者 孫宏陽;移動機(jī)器人巡邏機(jī)場高速[N];北京日報;2017年

8 本報記者 周明陽;移動機(jī)器人：“百變?nèi)f用”真神奇[N];經(jīng)濟(jì)日報;2015年

9 朱偉良 穗人社宣;廣州選手摘金奪銀創(chuàng)歷史佳績[N];南方日報;2017年

10 中國工業(yè)報記者 李芳蕾;履坦科技：打造地面行走的農(nóng)機(jī)典范[N];中國工業(yè)報;2019年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 林俊欽;非結(jié)構(gòu)環(huán)境中移動機(jī)器人視覺定位技術(shù)研究[D];北京理工大學(xué);2017年

2 熊輝;基于分層優(yōu)化的移動機(jī)器人即時定位與地圖構(gòu)建方法研究[D];華中科技大學(xué);2019年

3 王志瑞;四面體桿式移動機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計與研究[D];北京交通大學(xué);2019年

4 張啟彬;基于不確定性分析的移動機(jī)器人室內(nèi)定位與導(dǎo)航控制方法研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2018年

5 李曄卓;可重構(gòu)多模式地面移動機(jī)器人的構(gòu)型設(shè)計與性能研究[D];北京交通大學(xué);2018年

6 黃辰;基于智能優(yōu)化算法的移動機(jī)器人路徑規(guī)劃與定位方法研究[D];大連交通大學(xué);2018年

7 程傳奇;非結(jié)構(gòu)場景下移動機(jī)器人自主導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)研究[D];戰(zhàn)略支援部隊信息工程大學(xué);2018年

8 馮晟;基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動機(jī)器人室內(nèi)動態(tài)定位[D];東北大學(xué);2017年

9 邱增帥;面向室外環(huán)境的移動機(jī)器人自主場景理解[D];大連理工大學(xué);2018年

10 陳偉華;社會環(huán)境的輪式移動機(jī)器人定位導(dǎo)航方法研究[D];華南理工大學(xué);2018年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 黃偉;基于激光雷達(dá)的移動機(jī)器人室內(nèi)三維地圖構(gòu)建[D];南京航空航天大學(xué);2018年

2 石長興;基于多傳感器信息融合的室內(nèi)移動機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)研究與實現(xiàn)[D];重慶郵電大學(xué);2019年

3 朱家遠(yuǎn);移動機(jī)器人自抗擾控制技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2019年

4 丁晟輝;地面多移動機(jī)器人協(xié)同避障與路徑規(guī)劃技術(shù)[D];南京航空航天大學(xué);2019年

5 劉思明;移動機(jī)器人銑削系統(tǒng)控制技術(shù)[D];南京航空航天大學(xué);2019年

6 王晨琳;基于多源傳感器信息融合的移動機(jī)器人協(xié)同導(dǎo)航研究[D];南京航空航天大學(xué);2019年

7 金兆遠(yuǎn);移動機(jī)器人局部路徑規(guī)劃及其無盲區(qū)避障研究[D];南昌大學(xué);2019年

8 李科;六輪腿式移動機(jī)器人設(shè)計及動力學(xué)建模研究[D];安徽工業(yè)大學(xué);2019年

9 王蒙;室內(nèi)移動機(jī)器人的定位與建圖技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2019年

10 韓文華;基于單線激光雷達(dá)的移動機(jī)器人動態(tài)環(huán)境導(dǎo)航研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2019年

本文編號：2788781