摘 要

视觉传感器因其廉价、采集的信息丰富等优点逐渐成为了移动机器人自主定位及地图创建（SLAM）领域的热点研究方向，由此出现了VSLAM技术。由于双目相机能够模拟人眼获取环境的深度信息,因此双目视觉SLAM技术也成为了VSLAM的一大研究方向。本文设计了一种利用双目相机完成移动机器人自主定位及地图创建的方法，为移动机器人进一步完成自主导航及路径规划等功能做好了准备。具体研究过程如下：

首先，阐述移动机器人SLAM技术的重要性，引入基于视觉的SLAM技术并概述了相关技术的国内外研究现状。

其次，设计了一种以双目视觉为主的移动机器人自主定位及地图创建的方法，并从感知系统、定位系统及地图创建系统三个方面分别阐述了整个系统的设计思路及所需的理论方法。

最后，基于一款双目相机及NVIDIA公司退出的计算平台NVIDIA Jetson TX2搭建了本次设计所需的软硬件平台，依据所使用的ROS的系统特点设计了感知层、系统层、算法层的软件层级结构，并在此基础上进行了在室外环境下的移动机器人自主定位及地图创建实验，实验结果验证了该系统的有效性。

关键词：无人车；移动机器人；视觉；自主定位；地图创建

Abstract

With its advantages of low cost and abundant information collection, vision sensor has gradually become a research hotspot in the field of simultaneous localization and mapping(SLAM) of mobile robots, and VSLAM came into being. Stereo camera is able to get the depth information about the environment by simulating human eyes, thus the stereoscopic visual SLAM technology became one of the main research directions in the field of VSLAM. This paper designs a method to accomplish the mission of simultaneous localization and mapping of mobile robots via stereoscopic camera as a main sensor, which is ready for the mobile robot to accomplish autonomous navigation and path planning. The specific research process is as follows:

Firstly, the importance of mobile robot SLAM technology is expounded, the visual SLAM technology is introduced, and the research status of relevant technology at home and abroad is summarized.

Secondly, a method of simultaneous localization and mapping of mobile robots based on stereoscopic vision is designed, expounding the design idea and the required theoretical method of the whole system respectively from three aspects of perception system, localization system and mapping system.

Finally, based on a stereo camera and NVIDIA Jetson TX2 computing platform set up the design for hardware and software platform, based on the use of the system characteristics of ROS design the perception layer, system layer, algorithm of hierarchical structure of software, and on the basis of the outdoor environment of autonomous mobile robot localization and map to create the experiment, the experimental results verify the effectiveness of the system.

Key Words: automatic vehicle; mobile robot; vision; mapping; localization

目录

摘 要 3

Abstract 4

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外研究现状 2

1.3本文研究内容与方法 4

1.4本章小结 5

第二章 感知系统 6

2.1单目相机模型 6

2.1.1针孔相机模型 6

2.1.2鱼眼相机模型 8

2.2双目立体相机模型 9

2.2.1双目立体相机的基本原理 9

2.2.2极线约束 10

2.2.3双目立体匹配 10

2.3本章小结 11

第三章 定位系统 12

3.1视觉里程计 12

3.1.1基于特征的间接法 12

3.1.2直接法 15

3.2后端优化 16

3.3闭环检测 17

3.4本章小结 18

第四章 环境模型构建系统 19

4.1三维点云模型建立 19

4.1.1点云滤波 19

4.1.2点云拼接与优化 19

4.2环境地图构建 21

4.2.1环境地图的表示方法 21

4.2.2环境地图生成 22

4.3本章小结 23

第五章 系统概述 24

5.1硬件系统 24

5.2软件系统 26

5.2.1ROS 26

5.2.2Nodelet功能包 27

5.2.3软件分层 28

5.3测试结果 29

5.3.1EuRoC数据集测试 29

5.3.1实际测试 30

5.4本章小结 31

第六章 总结与展望 32

参考文献 33

致谢 36

第一章 绪论

1.1研究背景

计算机技术、电子信息技术、人工智能技术的快速发展带动了汽车工业的技术发展，无人驾驶汽车也开始走向汽车工业领域的舞台中央。无人驾驶汽车在广泛意义上也是一种移动机器人，无人驾驶技术需要研究和解决自主定位，目标导航，路径规划，运动控制等方面的技术问题^[1]。