移动机器人的同时定位和地图创建方法
移动机器人同时定位与地图构建技术研究
移动机器人同时定位与地图构建技术研究作者：郑丽楠来源：《无线互联科技》2013年第12期摘要：移动机器人同时定位与地图创建（SLAM）是实现未知环境下机器人自主导航的关键性技术，具有广泛的应用前景，也是目前机器人研究的热门课题之一。
本文针对近年来关于移动机器人同时定位与地图创建的研究工作进行了总结和分析，重点介绍了移动机器人SLAM 的问题描述、关键性技术、SLAM方法的发展现状及存在的不足。
关键词：移动机器人；同时定位与地图构建1 SLAM问题描述同时定位与地图构建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）问题是指把移动机器人放在未知环境中，机器人依靠自身所带的传感器递增式地创建未知环境的连续地图，同时利用所建立的地图刷新自身的位置[1]。
在SLAM过程中，机器人需要构建环境地图，为的是精确定位，而环境地图的构建又由机器人在每个时刻的位置决定。
定位是为了确定移动机器人在其所处环境的全局坐标系中的坐标以及机器人本身的姿态，即移动机器人在全局坐标系中的位姿。
地图创建是为了得到移动机器人对其工作环境的一种描述，所使用的地图模型依据其工作环境特点的不同而不同。
近年来，SLAM问题为越来越多的专家学者所关注，并根据工作环境不同划分为室内环境SLAM、室外环境SLAM、水下环境SLAM、航空环境SLAM等。
2 解决SLAM问题的关键性技术2.1 不确定性信息的处理移动机器人在运动过程和观测过程中都存在一定程度的不确定性，如在运动过程中，移动机器人本身受到的未知外力或机械性能造成的不确定性以及里程计误差所带来的不确定性将导致机器人的位姿估计出现偏差。
在观测过程中，传感器的测量误差所带来的不确定性以及数据关联的不确定性都将导致滤波发散，位姿校正失败。
机器人工作环境越复杂，上述不确定性就会越大程度地影响SLAM的实现。
2.2 数据关联数据关联是指移动机器人利用当前传感器的观测值对地图中已经存在的特征进行更新时，必须明确指出某个观测值对应于哪个特征、或是一个新特征、或是一个噪声数据。
基于图优化的移动机器人SLAM建图算法研究
基于图优化的移动机器人SLAM建图算法研究一、本文概述随着移动机器人技术的快速发展，同时定位与地图构建（Simultaneous Localization and Mapping，简称SLAM）已成为该领域研究的热点。
SLAM技术通过机器人自身的传感器，如激光雷达、深度相机等，实现在未知环境中的自主导航和地图构建。
基于图优化的SLAM建图算法因其高精度和鲁棒性受到了广泛关注。
本文旨在深入研究基于图优化的移动机器人SLAM建图算法，分析其原理、特点及应用现状，并在此基础上提出改进策略，为提升移动机器人SLAM 建图的准确性和效率提供理论支持和实践指导。
本文首先对SLAM技术的发展历程进行简要回顾，然后重点介绍基于图优化的SLAM建图算法的基本原理和关键技术。
接着，通过对比分析不同算法的优势与不足，探讨影响算法性能的关键因素。
在此基础上，本文提出一种改进的图优化SLAM建图算法，通过优化图模型的构建和求解过程，提高算法的收敛速度和精度。
通过实验验证所提算法的有效性，并讨论其在复杂环境下的应用前景。
本文的研究内容不仅对移动机器人SLAM技术的发展具有重要意义，也为相关领域如无人驾驶、增强现实等提供了有益的参考和借鉴。
二、移动机器人建图算法基础在移动机器人技术中，同时定位与地图构建（SLAM，Simultaneous Localization and Mapping）是一个关键的问题，它涉及到机器人在未知环境中如何同时估计自身的位置和构建环境的地图。
基于图优化的SLAM建图算法，则是解决这一问题的有效手段之一。
SLAM问题的本质是一个估计问题，即在给定的传感器数据下，如何最优地估计机器人的轨迹和环境的几何结构。
这个问题通常被建模为一个概率推断问题，即求解一个后验概率分布。
由于后验概率分布的复杂性，实际应用中往往采用近似方法进行求解。
基于图优化的SLAM方法是一种将SLAM问题转化为图优化问题的方法。
在这个框架下，机器人轨迹和环境几何结构被表示为图中的节点，而节点之间的相对约束关系则被表示为图中的边。
slam实现方法
slam实现方法SLAM实现方法什么是SLAMSLAM，即Simultaneous Localization and Mapping，即同时定位与地图构建。
它是一种同时进行自主定位和地图建立的技术，通常用于无人机、自动驾驶和机器人等领域。
相关方法介绍基于视觉的SLAM方法基于视觉的SLAM方法主要利用摄像头获取环境信息，并通过图像处理和计算机视觉算法来实现同时定位和地图构建。
常用的方法包括：- 特征点法：通过提取图像中的特征点，利用这些特征点之间的匹配关系来计算相机的运动和地图的构建。
- 直接法：通过建立图像亮度的灰度残差模型，直接估计相机的运动和地图的构建。
- 深度学习法：利用深度学习的方法，通过训练神经网络来实现相机的定位和地图的构建。
基于激光的SLAM方法基于激光的SLAM方法主要利用激光雷达获取环境信息，并通过激光数据处理和SLAM算法来实现同时定位和地图构建。
常用的方法包括：- 自适应模型法：通过分析激光数据的反射特性，自适应地建立地图模型，同时进行定位。
- 点云拼接法：通过将多帧激光数据进行拼接，建立点云模型，同时进行定位。
- 分段匹配法：将激光数据进行分段匹配，利用匹配关系来计算相机的运动和地图的构建。
基于惯性传感器的SLAM方法基于惯性传感器的SLAM方法主要利用加速度计和陀螺仪等传感器来获取相机的运动信息，并通过滤波和融合算法来实现同时定位和地图构建。
常用的方法包括： - 扩展卡尔曼滤波法：通过预测和更新步骤，利用卡尔曼滤波算法来估计相机的位姿和地图的构建。
- 粒子滤波法：通过随机采样的方法，利用粒子滤波算法来估计相机的位姿和地图的构建。
- 单纯惯导法：通过积分惯性传感器的数据，估计相机的位姿变化，实现定位和地图构建。
结论SLAM是一种重要的技术，在无人机、自动驾驶和机器人等领域具有广泛应用。
基于视觉、激光和惯性传感器的SLAM方法都有各自的特点和适用场景，开发者可以根据具体应用需求选择合适的方法来实现SLAM。
同步定位与地图构建
同步定位与地图构建（来自维基百科，自由的百科全书）同步定位与地图构建（SLAM或Simultaneous localization and mapping）是一种概念：希望机器人从未知环境的未知地点出发，在运动过程中通过重复观测到的地图特征（比如，墙角，柱子等）定位自身位置和姿态，再根据自身位置增量式的构建地图，从而达到同时定位和地图构建的目的。
目录1 操作性定义2 技术上的问题2.1 地图构建2.2 传感2.3 定位2.4 建模3 相关文献4 参见5 参考资料6 外部链接1 操作性定义这里说的地图，是用来在环境中定位，以及描述当前环境以便于规划航线的一个概念；它通过记录以某种形式的感知获取的信息，用以和当前的感知结果相比较，以支撑对现实定位的评估。
在定位评估方面，地图提供的帮助程度，与感知的精度和质量成反相关。
地图通常反映了它被描绘出来的时刻的环境状态，所以它并不一定反映它被使用的时刻的环境状态。
在误差和噪音条件下，定位和地图构建技术上的复杂度不支持两者同时获得连续的解。
即时定位与地图构建（SLAM）是这样一个概念：把两方面的进程都捆绑在一个循环之中，以此支持双方在各自进程中都求得连续解；不同进程中相互迭代的反馈对双方的连续解有改进作用。
地图构建，是研究如何把从一系列传感器收集到的信息，集成到一个一致性的模型上的问题。
它可以被描述为第一核心问题：这个世界长什么样？地图构建的核心部分是环境的表达方式以及传感器数据的解释。
与之相比，定位，是在地图上估测机器人的坐标和姿势形态的问题；换而言之，机器人需要回答这里的第二核心问题，我在哪？典型的解包含以下两个方面：追踪——通常机器人的初始位置已知；全局定位——通常只给出很少，甚至不给出有关于起始位置环境特征的先验信息。
所以，同步定位与地图构建（SLAM）被定义为以下问题：在建立新地图模型或者改进已知地图的同时，在该地图模型上定位机器人。
实际上，这两个核心问题如果分开解决，将毫无意义；必须同时求解。
slam方案
slam方案随着人工智能技术的迅猛发展，同步定位与地图构建（Simultaneous Localization and Mapping, SLAM）成为了当今研究的热点之一。
SLAM是指在未知环境中，通过一种自主构建地图的方法，同时实现机器人的定位，从而使机器人能够在未知环境中进行导航和路径规划。
本文将介绍SLAM方案的原理、应用以及其在实际场景中的挑战。
一、SLAM原理SLAM方案的核心原理是利用传感器获取环境信息，并结合机器人运动信息进行建图和定位。
具体来说，SLAM方案通常会使用激光雷达、相机、惯性测量单元（IMU）等传感器来获取环境信息和机器人的运动信息。
通过不断地采集传感器数据，SLAM方案可以根据机器人的移动轨迹和传感器数据估计机器人的位置，并构建出当前环境的地图。
SLAM方案的核心思想是建立一个由特征点或网格表示的地图。
在运动过程中，机器人根据传感器获取的新数据与已知的地图进行比对，通过最小化地图与实际观测之间的误差，更新地图的信息，并获得机器人的准确定位。
通过不断地迭代这个过程，SLAM方案可以实现高精度的定位和地图构建。
二、SLAM应用SLAM方案在许多领域都有重要应用，特别是在自动驾驶、无人机和机器人领域。
以下是SLAM方案应用的几个典型案例：1. 自动驾驶：自动驾驶汽车需要准确的定位和地图信息才能进行路径规划和导航。
SLAM方案可以通过激光雷达和相机等传感器获取车辆周围环境的信息，并实时更新地图和定位信息，为自动驾驶汽车提供精准的导航和避障能力。
2. 无人机导航：无人机需要在无人机导航系统中实时获取环境信息和定位信息，以进行精确的飞行控制。
SLAM方案可以将无人机配备的传感器数据与地面地图进行融合，实现无人机在未知环境中的自主飞行和避障。
3. 机器人路径规划：SLAM方案可以帮助机器人实现在未知环境中的路径规划。
机器人可以通过激光雷达和相机等传感器获取环境信息，实时更新地图和定位信息，并根据地图信息规划最优路径，实现自主导航和完成指定任务。
移动机器人SLAM技术
移动机器人SLAM技术在当今科技迅速发展的时代，移动机器人已经成为了人们生活和工作中的重要角色。
从家庭中的智能扫地机器人到工业生产线上的自动化搬运机器人，它们的身影无处不在。
而在移动机器人能够自主行动、感知环境并完成各种任务的背后，一项关键技术起着至关重要的作用，那就是同步定位与地图构建（Simultaneous Localization and Mapping，简称 SLAM）技术。
SLAM 技术，简单来说，就是让机器人在未知环境中一边移动一边构建环境地图，同时利用这个地图来确定自己的位置。
想象一下，当你走进一个完全陌生的黑暗房间，你需要在摸索中了解房间的布局，并且清楚自己在这个布局中的位置，这就是移动机器人面临的挑战，而 SLAM 技术就是帮助它们解决这个难题的“法宝”。
为了实现这一目标，移动机器人通常会配备多种传感器，比如激光雷达、摄像头、超声波传感器等。
这些传感器就像是机器人的“眼睛”，能够收集周围环境的各种信息。
以激光雷达为例，它通过发射激光束并测量反射回来的时间和强度，来获取周围物体的距离和形状。
摄像头则可以捕捉图像，提供更丰富的视觉信息。
在收集到这些原始数据后，接下来就是对数据进行处理和分析。
这涉及到一系列复杂的算法和数学模型。
一种常见的方法是基于特征提取的算法。
通过从传感器数据中提取出有代表性的特征，比如点、线、面等，然后将这些特征与之前构建的地图进行匹配和对比，从而确定机器人的位置和姿态。
另一种方法是基于滤波的算法，如卡尔曼滤波和粒子滤波。
这些滤波算法可以对机器人的位置和地图进行估计和更新，以逐步提高精度。
在 SLAM 技术中，地图的表示形式也是多种多样的。
常见的有栅格地图、特征地图和拓扑地图。
栅格地图将环境划分为一个个小格子，每个格子表示环境中的一个区域，这种地图直观易懂，但数据量较大。
特征地图则重点关注环境中的显著特征，如墙角、柱子等，数据量相对较小，但对特征的提取和描述要求较高。
移动机器人同时定位和地图创建的一种新方法
ｔｖ ｌ ｉｅ ｙ，ａ ｄ ｍｕｔｐ ｅ ｐ ｒｉｌ ｌｅ ｓａ ｅ ａ ｐ ｉｄ ｔ ｓｉ ｔ ｈ ｏ ｏ ｏ ｉｉｎ ａ ｄ ｔ ｅ ｏ ｓａ ｌ ｏ ｉｉ ｎ ｎ ｌ ｌ ａ ｔｃｅ ｆ ｔ ｒ ｐ ｌｅ ｏ ｅ ｔｍａｅ ｔ ｅｒ ｂ ｔｐ ｓｔ ｎ ｈ ｂ ｔｃ ｅ ｐ ｓｔｏ ｉ ｉ ｒ ｏ
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移 动 机 器 人 同 时 定 位 和 地 图 创 建 的 一 种 新 方 法
厉 茂 海 ， 炳 熔 洪
（ 哈尔滨工业大学 计算机科学与技术学 院， 黑龙江 哈尔滨 １０ ０ ） ５０ １
摘 要 ： 了实现 室 内环 境 中移动 机 器人 的 同时定位 和地 图创 建 ， 出 了一 种新 方 法 ， 方 法应 为 提 该 用顺序 蒙特 卡 罗方法 ， 定位 和地 图 生成分 成状 态估 计 和参 数 估 计 ， 用 多粒 子 滤 波 器 实现 同 把 应 时估 计机 器人 位 置和 障碍 物位 置 。环境 感知 采 用机 器人 自身配置 的声 纳传 感 器 ， 用哈 夫 变换 应 提取 环境 障碍 物边 界特 征 ， 直线近似 表 示 ， 用 并提 出 了一 种 可 靠 的特 征 匹配 方 法。Ｐｏ ｅｒ ｉｎｅ ２移 动机 器人 在 实际 室 内环 境 中完成的 实验证 明 了该 方法 的可 行性 。
Ａｂ ｔａ ｔ ｈｓｐ ｐ ｒｐ ｏ ｉｅ ｏ ｅ ｔｏ ｅ ｌ ｅｔｅｍｏ ｉ ｏ ｏ ｄ ｏ ｉ ｌ ｎ ｏ ｓｌｃ ｌ ｓｒ ｃ ：Ｔ ｉ ａ ｅ ｒｖｄ ｓａｎ ｖ ｌ ｍｅｈ ｄｔ ｒａｉ ｈ ｂｌ ｒｂ ｔｉ ｏ ｒｓ ｏ ｚ ｅ ｎ ｍｕｔ ｅ ｕ ｏ ａｉ ａ —
ｉｓ ｌ． Ｔ ｕ ｈ Ｔｒ ｎｓｏ ｓ ｕ ｅ ｒｅ ｔａ ｔ ｇ ｅ ｖ ｒ ｎ ｎ ｂｓａ ｌ ｉ ｔｆａ ｕ ｅ ｆｏ ｔ ｅ ｓ ｎａ ｔｅｆ ｈｅ Ｈｏ ｇ ａ ｆ ｒ ｉ ｓ ｄ ｆ ｘ ｒ ｃｉ ｎ ｉｏ ｍｅ ｔｏ ｔ ｃｅ ｌｍｉ ｅ ｔ ｒ ｒ ｍ ｈ ｏ ｒ ｍ ｏ ｎ
SLAM经典入门教程
SLAM经典入门教程SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）是指机器人或移动设备在未知环境中同时实现自身定位和环境地图构建的技术。
SLAM技术广泛应用于自动驾驶、无人机、智能家居等领域。
下面是一个经典的SLAM入门教程，帮助初学者了解SLAM的基本概念和实现方法。
一、SLAM的基本概念1. 定位（Localization）：机器人或移动设备在地图中确定自身位置的过程。
2. 地图构建（Mapping）：机器人或移动设备在移动过程中构建环境地图的过程。
3. 同步（Simultaneous）：指机器人或移动设备在进行定位和地图构建时同时进行，相互依赖、相互影响。
4. 自身定位误差（Self-localization error）：机器人或移动设备定位的准确性，影响其整体性能。
5. 地图构建误差（Mapping error）：机器人或移动设备构建环境地图的准确性，影响其对环境的理解能力。
二、SLAM的实现方法1.基于视觉的SLAM：利用摄像头或激光传感器获取环境信息，通过图像处理、特征提取、匹配等算法实现定位和地图构建。
2.基于激光雷达的SLAM：利用激光传感器扫描环境，通过计算得出物体的距离和位置，从而实现定位和地图构建。
3.基于惯性测量单元（IMU）的SLAM：利用加速度计、陀螺仪等传感器获取机器人的加速度和角速度信息，通过积分计算位姿，实现定位和地图构建。
4.基于里程计的SLAM：利用机器人的里程计测量轮子转动的距离，通过计算位姿变化来实现定位和地图构建。
三、经典SLAM算法1. EKF-SLAM（Extended Kalman Filter SLAM）：基于扩展卡尔曼滤波器的SLAM算法，利用状态估计和协方差矩阵来实现定位和地图构建。
2. FastSLAM：基于粒子滤波器的SLAM算法，将地图分解为多个粒子，每个粒子都有自己的状态和权重，通过多次重采样来更新地图。
智能移动机器人同步定位与地图构建算法研究
…
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智能移动机器人 同步定位与地图构建算法研究
北华大学电气信 息工程 学院 崔 杨
【 摘要 】以移动机器 人的同步定位 与地 图构建 （ Ｓ Ｌ Ａ Ｍ）算法为研究对象 ，介 绍了机器 人同步定位 与地 图构建的原理 ，并对现有Ｓ Ｌ Ａ Ｍ算法进行 深入 研究。对现有 的Ｓ Ｌ Ａ Ｍ 算 法 进 行 改 进 ，提 出基 于 平 方 根 ＵＫＦ的Ｓ Ｌ ＡＭ算 法 ，仿 真 结 果 表 明 ， 新算 法 达 到提 高Ｓ Ｌ ＡＭ算 法 的稳 定 性 ，减 少 算 法运 算 复 杂 度 并 得 到 较 高 的 估 计 精 度 的 目
使 用１ Ｏ 只蚂 蚁 。
扑 地 图 中存 在 两 个 非 常 相 似 的 特 征 点 ， 机 器 人也很难 区分它们 。 ２ ． 移 动 机 器 人 同 时 定 位 与 地 图 构 建
（ Ｓ Ｌ Ａ Ｍ ）
移动机 器人 的Ｓ Ｌ Ａ Ｍ 算法最 早是 由Ｓ ｍ ｉ ｔ ｈ ￥ ￣ Ｃ ｈ ｅ ｅ ｓ ｅ ｍ ａ ｎ 在１ ９ ８ ５ Ｎ１ ９ ８ ６ 年 间提 出 来 的 。 他 们 在 这 一 时 期 创 建 了描 述 几 何 不 确 定 性 和 特征 与 特征 之 间 （ 或 路 标 与 路 标 之 间 ） 的 相 互关 系 的统 计 学原 理 。这 些工 作 成为 了 Ｓ Ｌ Ａ Ｍ 问 题解 决 方 法 的数 学 基 础 。在 １ ９ ８ ６ 年 的
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在 挫索 中获
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《机器人控制理论与技术》课程论文_SLAM技术发展及研究综述
SLAM技术发展及研究综述摘要：本文对SLAM（同时定位与地图创建）的技术发展进行综述，介绍SLAM 技术的发展历程，对SLAM问题进行了数学描述，对现在的几种SLAM技术的实现方法进行论述，简单介绍SLAM技术的工作原理，对现在遇到的关于SLAM 的技术难点进行叙述，进一步探讨了SLAM技术的发展方向。
关键词：同时定位与地图创建、自主导航、地图创建一．引言移动机器人的同步定位与地图创建(Simultaneous Localization and Mapping ,简称SLAM)作为当前移动机器人定位技术的最主流的研究方法之一，它最早是由Randall Smith 和Peter Cheseseman 在1988年发表的论文当中提出来在他们的论文中，利用移动机器人的运动方式和装置的传感器获得的测量数据，分别设计了移动机器人的运动模型和观测模型，结合概率学的贝叶斯理论，实现了对轮式移动机器人在未知环境中的运动状态进行实时估计。
Leonard 和Durrant-Whyte 在他们的研究中指出，所有移动机器人导航的基本过程可以总结为三个最基本的关键问题，即“Where am I now?”、“What is the structure of my environment?”以及“How can I get that target position?”，这三个问题的实质指的就是机器人定位和地图创建、障碍物的识别和避免，以及机器人导航路径规划问题。
SLAM 问题的解决直接影响着后面两个问题能否正确处理。
所以说，移动机器人的同步定位与地图创建是实现机器人自主导航，提高机器人的智能化水平的关键和首要解决的基础性难题。
二．研究发展现状自从19世纪60年代，尼尔森等人将人工智能的方法结合到机器人的自动导航开始，移动机器人的定位技术的研究就开始走向了广大的研究者和工程师们的视野中，拉开了这项技术研究高潮的序幕。
然而早期的定位技术由于研制的传感器种类有限，精度不高以及相关的理论尚未成熟的原因，其试验和应用范围都受到了很大的限制。
《移动机器人》课件-第6章 移动机器人定位
传感器动态性能还需提高，地图 存在累积误差
12
6.2 同时定位与建图
SLAM问题可以描述为： 移动机器人从一个未知的位置出发，在不断运动过程中根据自身位姿估计和传感 器对环境的感知构建增量式地图，同时利用该地图更新自己的定位。 定位与增量式建图融为一体，而不是独立的两个阶段。
13 移动机器人
6.2 同时定位与建图
移动机器人
三维正态分布曲线
6.3.2 NDT算法
6.3.2 NDT算法
移动机器人
6.3.2 NDT算法
移动机器人
6.3.2 NDT算法
相对于ICP需要剔除不合适的点对（点对距离过大、包含边界点的点对）的 缺点，NDT算法不需要消耗大量的代价计算最近邻搜索匹配点，并且概率密度函 数在两幅图像采集之间的时间可以离线计算出来；
Cartographer的核心内容是融合多传感器数据的局部子图创建以及闭环检测 中的扫描匹配。该方案的不足是没有对闭环检测结果进行验证，在几何对称的环 境中，容易引起错误的闭环。
移动机器人
6.3 基于激光雷达的定位方法
激光雷达点云数据是由一系列空间中的点组成的，属于稀疏点云。 点云处理的关键在于点云的配准，是通过点云构建完整场景的基础。 目前常用的配准方法有ICP算法和 NDT算法。 典型的基于激光雷达的定位方法主要有：Gmapping、Hector SLAM和
6.1 定位
（2）绝对定位 原理：确定移动机器人在全局参考框架下的位姿信息。 特点：不依赖于时间和初始位姿，没有累积误差问题，具有精度高、可靠性
强等特点。 采用导航信标、主动或被动标识、地图匹配、全球定位系统、超声波、激光、
卫星、WiFi、射频标签、蓝牙、超宽带、计算机视觉等定位方法，属于绝对定位 范围。
slam原理
slam原理SLAM原理。
SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）即同时定位与地图构建，是指机器人或无人驾驶汽车等自主移动设备在未知环境中同时实现自身定位和环境地图构建的过程。
SLAM技术在无人驾驶、智能导航、室内定位等领域有着广泛的应用，是实现自主移动设备智能化的关键技术之一。
SLAM的基本原理是通过传感器获取环境信息，包括视觉、激光雷达、超声波等传感器，利用这些信息实现自身定位和地图构建。
在SLAM中，自身定位是指确定自身在环境中的位置和姿态，地图构建是指利用传感器信息构建环境的地图。
通过不断地获取传感器信息，并结合运动模型和观测模型，实现自身定位和地图构建的过程。
在SLAM中，传感器起着至关重要的作用。
视觉传感器能够获取环境的图像信息，通过图像处理和特征提取，实现对环境的感知和地图构建；激光雷达能够获取环境的三维点云信息，通过对点云数据的处理和分析，实现对环境的感知和地图构建；超声波传感器能够获取环境的距离信息，通过对距离数据的处理和分析，实现对环境的感知和地图构建。
不同的传感器在SLAM中各有优势和局限，可以根据具体的应用场景选择合适的传感器组合。
SLAM的实现过程中，运动模型和观测模型是至关重要的。
运动模型描述了自主移动设备的运动规律，包括平移和旋转；观测模型描述了传感器获取环境信息的规律，包括特征提取和匹配。
通过运动模型和观测模型，可以将传感器信息和自身运动进行融合，实现自身定位和地图构建的精确度和稳定性。
SLAM技术的发展离不开计算机视觉、机器学习和传感器技术的进步。
计算机视觉为SLAM提供了强大的图像处理和特征提取能力，机器学习为SLAM提供了强大的模式识别和数据分析能力，传感器技术为SLAM提供了丰富的环境感知和信息获取能力。
这些技术的不断进步和融合，推动了SLAM技术的不断发展和应用。
总之，SLAM作为一种重要的自主移动设备技术，具有广阔的应用前景和发展空间。
基于ORB-SLAM2的移动机器人定位与建图研究
2023年 / 第10期 物联网技术39引 言随着机器人在生活方面的应用越来越广泛，社会生产对机器人行动精准度的要求也日益提高，传统机器人定位系统已经无法满足，因此，SLAM （同步定位与地图构建）方法应运而生。
考虑到成本和研发精力等各方面问题，视觉SLAM 理所应当的成为当下研究的主流之一。
视觉里程表、非线性优化和环回检测这三个主要部分共同构成了视觉SLAM [1-2]实现中公认的经典框架，如图1所示。
图1 SLAM 框架在该框架中，视觉里程表作为前端部分，负责使用过滤和预处理的视觉传感器信息数据构建地图轮廓；该框架的另一个主体，即后端优化部分的非线性优化和环回检测，优化了来自视觉里程表的位置和姿态信息的重复信息处理，以最小化其累积误差。
最后，完成路线的地图规划。
由上述可知，视觉SLAM 的精度主要受到传感器数据和算法方式的影响，因此基于算法融合并使用特殊相机的研究，仍具有较高的研究价值和实际意义。
本文基于ORB-SLAM2算法[3-4]，进行视觉同步定位和地图构建。
1 特征点的提取与匹配1.1 特征点提取在图像处理中，特征点的形成来自于图像灰度值的急剧变化或图像边缘上的大曲率（即边缘的相交）。
特征点由关键点和描述点组成。
关键点直接指特征点的图像位置，而描述点被设计为以向量的形式描述关键点周围的像素信息。
SIFT 、ORB 和SURF 是三种常用的特征提取算法[5-6]。
SIFT （尺度不变特征变换）是一种尺度不变的特征变换，其稳定性主要体现在透视变换、仿射变换和噪声等方面。
它具有良好的差异性、多样性、高速性、可扩展性等优点；同时其缺点也非常明显，由于大量的计算，其实用性大大降低。
SURF （加速强健功能）与SIFT 算法相比，仍具有特征稳定性、旋转不变性、尺度变换、亮度等优点，视角变换具有一定的稳定性，但缺点是不实时，提取边缘平滑对象特征点的能力较弱。
ORB （Oriented Fast and Rotated Brief ）可以以最快的速度为图像的关键点创建特征向量。
基于低成本移动机器人设计的超声SLAM
基于低成本移动机器人设计的超声SLAM 超声SLAM是一种基于超声波传感技术的同时定位与地图构建方法，适用于低成本移动机器人。
本文将从超声SLAM的原理、算法、应用以及未来的发展方向等方面进行详细阐述。
一、超声SLAM的原理与算法超声SLAM的原理是通过超声波传感器获取环境的距离信息，并结合机器人的运动控制信息，利用计算机算法实时估计机器人的位置和构建地图。
常用的超声波传感器包括二维扫描传感器和多段探测传感器。
二维扫描传感器可以通过旋转测量环境中各个方向的距离信息，而多段探测传感器则通过多个固定的超声波传感器探测离机器人一定距离处的障碍物。
超声SLAM的算法通常采用粒子滤波器（Particle Filter）和扩展卡尔曼滤波器（Extended Kalman Filter）两种方法。
粒子滤波器是一种基于蒙特卡洛采样的非线性滤波算法，适用于非高斯分布的状态估计问题。
扩展卡尔曼滤波器则是一种线性化的滤波算法，适用于高斯分布的状态估计问题。
二、超声SLAM的应用超声SLAM在室内导航、环境建模、自主探测和人机交互等方面具有广泛的应用。
在室内导航方面，超声SLAM可以帮助机器人在未知环境中实现定位和路径规划，以便完成室内巡航、自主清扫等任务。
在环境建模方面，超声SLAM可以根据采集到的超声波数据实时构建机器人周围的环境地图，为后续的自主导航提供依据。
在自主探测方面，超声SLAM可以通过超声波传感器检测环境中的障碍物，以及对障碍物的距离进行估计，从而实现智能避障和环境感知。
在人机交互方面，超声SLAM可以帮助机器人定位和识别人体，提高机器人与人类的互动效果。
三、超声SLAM的未来发展方向超声SLAM在低成本移动机器人领域具有广阔的应用前景，未来还有以下几个方向可以进一步发展。
1.算法优化：超声SLAM的算法需要不断优化和改进，提高定位和地图构建的精度和稳定性。
例如，可以将深度学习等机器学习方法引入超声SLAM，提高对环境和障碍物的自动识别和分类能力。
机器人导航中的地图构建方法教程
机器人导航中的地图构建方法教程机器人导航是指利用机器人自动感知和决策能力，使其能够在未知环境中准确地定位和规划路径，以达到预定目标的技术。
而地图构建作为机器人导航过程中的重要一环，是机器人能够正确理解和感知环境的先决条件之一。
本文将介绍机器人导航中常见的地图构建方法，帮助读者更好地了解和应用于实际场景中。
一、基于激光雷达的地图构建方法激光雷达是机器人导航中常用的传感器之一，其具有高精度和高分辨率的特点，能够提供环境中物体的准确二维位置信息。
基于激光雷达的地图构建方法主要分为概率栅格法和特征提取法两种。
1. 概率栅格法概率栅格法是一种基于栅格的地图表示方法，将环境划分成棋盘状的小方格，每个方格表示一个栅格单元。
该方法通过在每个栅格单元中维护一个概率值来表示该单元的空闲或占用概率。
机器人通过激光雷达扫描得到的距离数据，根据障碍物与激光束的交点来更新栅格单元的概率。
该方法得到的地图可以直观地表示环境的占用情况，适用于静态环境的地图构建。
2. 特征提取法特征提取法是一种基于特征的地图表示方法，通过提取环境中的特征点或特征线段来构建地图。
机器人通过激光雷达扫描得到的距离数据，通过聚类或线段检测算法提取出环境中的特征点或特征线段，并将其保存为地图。
该方法适用于具有明显特征的环境，如室内房间或办公室。
二、基于视觉传感器的地图构建方法除了激光雷达之外，视觉传感器也是常用于机器人导航的传感器之一。
视觉传感器能够获取环境中的图像信息，通过图像处理和计算机视觉算法来构建地图。
基于视觉传感器的地图构建方法主要有视觉里程计法和稠密重建法两种。
1. 视觉里程计法视觉里程计法是一种基于图像序列的地图构建方法，通过连续图像之间的匹配和运动估计来计算机器人的位姿变化，并以此构建轨迹和地图。
该方法需要机器人在运动中采集图像序列，并通过特征匹配和运动估计算法来计算位姿变化。
视觉里程计法适用于机器人在室内或室外环境中的导航。
2. 稠密重建法稠密重建法是一种基于图像深度估计的地图构建方法，通过从图像中估计场景中每个像素点的深度信息来构建三维地图。
机器人视觉系统中的定位与地图构建
机器人视觉系统中的定位与地图构建随着人工智能技术的快速发展，机器人视觉系统的应用已经成为现实。
机器人视觉系统是指通过机器人的摄像头和传感器，让机器人能够感知周围环境，并进行决策、规划和控制行动。
而在机器人视觉系统中，定位和地图构建是其中重要的一环。
一、定位技术在现实生活中，人类常常通过地图和定位系统来确认自己的位置并导航，机器人也需要进行类似操作。
定位技术可以让机器人在现实世界中定位、导航和执行精确动作。
本文将简要介绍目前较为流行的几种机器人定位技术。
1.全球定位系统全球定位系统（GPS）是一种基于卫星的定位技术，可以通过三个或更多卫星的信号进行定位。
GPS定位具有精度高、稳定性好、易于使用和广泛应用等优点。
但是由于GPS信号在复杂的环境中受到干扰较大，因此常常需要结合其他定位技术进行辅助。
2.惯性导航系统惯性导航系统（INS）是通过加速度计和陀螺仪的测量值来计算速度、位置和方向的一种定位技术。
INS具有响应速度快、精度高、可靠性强和不依赖于外界环境的优点。
但是由于INS存在漂移的问题，因此需要结合其他定位技术对其进行修正。
3.视觉定位系统视觉定位系统（VLS）是利用机器人摄像头的图像信息进行定位的一种技术。
VLS具有对环境要求低、响应速度快、精度高和实时性好等优点。
但是由于VLS对环境中的光照和纹理等因素敏感，因此需要在不同环境中进行校准和调整。
二、地图构建技术地图构建技术是指通过机器人的感知设备，对周围环境进行检测和识别，从而构建出机器人周围的地图。
地图构建技术不仅有助于机器人的定位和导航，同时也为机器人进行任务规划和执行提供了基础。
1.视觉地图构建视觉地图构建是指利用机器人摄像头获取环境图像，通过图像处理技术进行建图的技术。
视觉地图构建在实现方面相对容易，可以按照机器人运动路径不断地更新地图。
但是视觉地图构建需要对环境中的物体、纹理、光照等因素进行识别和区分，对要求较高。
2.激光雷达地图构建激光雷达地图构建是一种常用的机器人地图构建技术，通过机器人上搭载的多个激光雷达扫描周围环境，获取环境中物体的三维信息，并通过三角测量等方法构建地图。
即时定位与地图构建SLAM
图1：初始位置 （由于机器人相对于路标A的位置为估计值，所以路标A用圆圈表示A的实际的可能值在圆圈内）
图2：机器人移动到新位置 （在新的位置，机器人相对于A的真实值可能落在圈内）
图3：路标C被观测到 （在新的位置，路标C被观测到，路标C的相对于A的位置也是一个估计值（更大的圈）
图4：路标B被观测到
对于SLAM的认识
Simultaneous Localization and Mapping 即时定位与地图构建
SLAM指的是机器人在自身位置不 确定的条件下,在完全未知环境中 创建地图,同时利用地图进行自主 定位和导航。
SLAM问题可以描述为: 机器 人在未知环境中从一个未知位置开 始移动,在移动过程中根据位置估 计和传感器数据进行自身定位,同 时建造增量式地图。
环境的描述--地图 目前各国研究者已经提出了多种表示法，大致可分为三类：栅格表示、几何信 息表示和拓扑图表示，每种方法都有自己的优缺点。 栅格地图表示法即将整个环境分为若干相同大小的栅格，对于每个栅格各指出 其中是否存在障碍物。这种方法最早由Elfes和Moravec提出，而后Elfes进行了 进一步的研究。优点是(1)创建和维护容易，(2)尽量保留了整个环境的各种信息， (3)借助于该地图，可以方便地进行自定位和路径规划。缺点在于：当栅格数量增 大时(在大规模环境或对环境划分比较详细时)，对地图的维护行为将变得困难， 同时定位过程中搜索空间很大，如果没有较好的简化算法，实现实时应用比较困 难。 几何信息地图表示法是指机器人收集对环境的感知信息，从中提取更为抽象的 几何特征，例如线段或曲线，使用这些几何信息描述环境。该表示法更为紧凑， 且便于位置估计和目标识别。几何方法利用卡尔曼滤波在局部区域内可获得较高 精度，且计算量小，但在广域环境中却难以维持精确的坐标信息。几何信息的提 取需要对感知信息作额外处理，且需要一定数量的感知数据才能得到结果。 拓扑地图抽象度高，特别在环境大而简单时。这种方法将环境表示为一张拓扑 意义中的图(graph)，图中的节点对应于环境中的一个特征状态、地点。如果节点 间存在直接连接的路径则相当于图中连接节点的弧。优点是：(1)有利于进一步的 路径和任务规划，(2)存储和搜索空间都比较小，计算效率高，(3)可以使用很多 现有成熟、高效的搜索和推理算法。缺点在于对拓扑图的使用是建立在对拓扑节 点的识别匹配基础上的，如当环境中存在两个很相似的地方时，拓扑图方法将很 难确定这是否为同一点。
机器人导航定位的SLAM技术与路径规划方法
机器人导航定位的SLAM技术与路径规划方法随着科技的不断发展，机器人的应用范围日益扩大。
机器人导航是机器人能够自主移动和定位的关键技术。
同时，为了提高机器人的导航和定位能力，SLAM（同时定位与地图构建）技术以及路径规划方法也变得至关重要。
本文将介绍机器人导航定位的SLAM技术以及路径规划方法，帮助读者更好地理解这些关键技术的应用。
SLAM技术是指在未知环境中，机器人通过传感器信息进行自主定位和地图构建的能力。
传统的SLAM技术通常采用激光雷达、摄像头、里程计等传感器来获取环境信息，并使用滤波器、图优化、粒子滤波等算法来实现定位和地图的构建。
这些传感器提供的数据被用来建立机器人位置与环境地图之间的关系。
激光雷达是常用的传感器之一，它可以通过发射激光束并测量其返回时间来获得障碍物的位置信息。
激光雷达可以快速、精确地获取环境地图的信息，并与机器人当前位置进行匹配，从而实现机器人的定位。
另外，摄像头也经常被用于SLAM技术中。
通过图像处理技术，机器人可以从图像中提取特征点，并将其与地图进行匹配，实现定位和地图构建。
除了传感器的选择，SLAM技术中的算法也起着重要的作用。
常用的算法包括滤波器、图优化和粒子滤波。
滤波器是一种基于状态估计的算法，通过对机器人的状态进行建模，推测未来状态，实现机器人的定位和地图构建。
图优化是一种基于图模型的算法，将机器人和环境的状态表示为图中的节点，并通过边来描述它们之间的关系，从而实现机器人的定位和地图构建。
粒子滤波则是一种使用随机粒子对机器人的状态进行估计的算法，通过对大量的粒子进行采样、重采样和更新，实现机器人的定位和地图构建。
除了SLAM技术的应用，路径规划也是机器人导航定位的关键技术之一。
路径规划是指机器人找到一条从起点到终点的路径，并沿着该路径进行移动的过程。
常用的路径规划方法包括基于图搜索的方法、基于规划器的方法和基于遗传算法的方法。
基于图搜索的路径规划方法通常将环境看作一个由节点和边构成的图。
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Step3: 声纳传感器不断获得周围环境信息, 对声纳数据应用滤波算法, 尽量减小噪声的影响, 应用哈夫变换创建地图, 直到机器人超过该栅格 的安全距离为止, 转 Step1.
Step4: 老的栅格消失, 同时, 又创建了一个新 的栅格, 新形成的栅格以机器人走出的前一个栅 格安全距离边界点为中心, 也就是当它超过了安 全区域的界限时就以当前机器人的位置为中心形 成一个新的栅格, 转 Step1.
如聚类算法和滤波算法.
3 定位算法
Step1: 在 t 时刻通过传感器获得了机器人位 姿测量值 mt , 该值同时应用到地图创建和定位两 个算法.
Step2: 假设在前一个 t - 1 瞬时地图创建已 经产生了局部地图模型, 否则调用地图创建算法 进行地图创建. 该模型提供对机器人的位姿估计 参数用 pt- 1 表示, 判断 mt 中的信息与pt- 1 是否一 致, 如果一致转 Step3, 否则转 Step4.
LI Mao- hai, HONG Bing-rong, LUO Rong- hua
( School of Computer Science and Technology , Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China, E-mail: limaohai@ hit. edu. cn)
移动机器人的同时定位和地图创建问题( S-i multaneous Localization and Map Building: SLAM) 描 述如下: 移动机器人从初始位置, 经过一系列的位 置并且在每一个位置获得传感器对环境的感知信 息, 移动机器人的目标是处理这些传感器数据, 确 定机器人的位姿, 并且同时创建环境地图. 要想开 发一个有效的 SLAM 系统, 关键是选择好环境的 描述方法, 通常的地图描述方法有栅格法[ 1] 和特 征提 取法[ 2] , 还有拓扑方 法[ 3] 和 蒙特卡罗法[ 4] . 为解决同时地图创建和定位问题, Thrun[ 5] 提出了 一种基于陆标的地图创建和定位的方法, 但定位 不是 实时 的 并 且要 求 陆 标是 人 工 设置 的. Ya-
正弦曲线:
xi sin H+ y i cos H= Q.
( 1)
哈夫变换( HT) 的实现是基于参数离散化的.
如果 H和 Q的值被离散化, 可以形成一个累加矩
阵 A( H, Q) . 参数 H被离散化成值 Hk, k = 1, ,, n, Hk - Hk- 1 = $H. 特征点( x i , y i ) 的哈夫变换按照
系统的坐标系统分为全局坐标系 Ca = ( ax, ay, ath )T 和机器人坐标系 Cr = ( x , y , H)T . 全局 坐标系以机器人出发点为坐标原点( 0, 0, 0) , 通过 里程计的累积, 机器人在全局坐标系统中相对于 起始点的位姿定义为 X = ( ax , ay, ath) T. 机器人
前声纳的相对角. 此时, 假设机器人在全局坐标
系中的坐标为( aRx ,
aRy ,
a
R th
)
T,
声纳所 测到的物体
在机器人坐标系统中的坐标为( xjr , yjr , ajr )T , 则经
过坐标变换, 该物体在全局坐标系中的坐标( ax,
ay, ath )T 表示为
ax =
ay
cos aRth - sinaRth
行性.
关键词: 同时定位和地图创建; 声纳传感器; 基于栅格的 概率模型; 哈夫变换
中图分类号: TP24
文献标识码: A
文章编号: 0367- 6234( 2004) 07- 0874- 03
Simultaneous localization and map building for mobile robot
如图 1 所示, 位置 1、2、3 都在安全边界之内, 栅格不需要新的创建, 当机器人超过安全区域时, 下一个新的栅格就会形成, 并且以机器人的当前
位置即位置 4 为中心.
图 1 移动栅格
211 坐标转换
坐标转换实现的是: 把在机器人坐标系中测
得物体的位置转换到全局坐标系统中的位置. 当
机器人在栅格 i 中时, 它的位置按照全局坐标系
确性, 但是实际情况, 量子化程度过小会增加算法
复杂度, 影响效率, 因此合适的选择 $H和 $Q是有
必要的, 这可以通过多做几次实验来确定累加矩
阵最好的可能结果.
2) 实验表明往往由于累加矩阵的量子化错
误使哈夫变换提取的线段数远远超过要求的线段
数, 这样会使输出结果非常复杂, 为了保留最主要
的线段, 需要应用相关的算法对结果进一步处理,
Abstract: A map is built and updated immediately through sonar sensor. The local map is a grid- based probabilist ic model: the work environment is decomposed into grids and every grid takes up a value, which indicates the probability of an obstacle in grids. The map is built through Hough transform. The map building combines with the sonar data obtained from a filter algorithm to realize the localization. Experimental results show the feasibility of this method . Key words: simultaneous localization and map building; sonar sensor; grid- based probabilist ic model; Hough transform
此提出的 环境表示 是一个 线段集 合: W =
[
w
T 1
w
T 2
,] T
.
2 地图创建算法
采用基于栅格的概率模型. 该方法仅基于由 超声波传感器获得的数据, 应用移动局部栅格的 概念, 算法描述如下.
Step1: 机器人从初始姿态 X 0 = ( ax , ay , ath) T = ( 0, 0, 0)T 开始探测周围环境, 这时, 声纳传感 器涉及的区域形成静态的方形栅格, 栅格以当前 机器人位置为中心.
统表示为( axr , ayr , athr )T , 声纳在机器人坐标系统
Cr
中得
到的
测距
数据
s
j r
,
j=
0, ,, 15, 描述为
xjr = ( sjr + r) cos( ajr ) , yjr = ( sjr + r ) sin( ajr ) ,
ajr = 2215 # j .
其中, r 是机器人半径, ajr 是第j 个声纳相对于正
进行实验寻找错误迅速递增的边界点. 试验发现
当距离大于 4 m 后错误迅速增加, 因此, 栅格的内
部安全边界确定为距离栅格中心 315 m.
# 876 #
哈尔滨工业大学学报
第 36 卷
213 地图创建的哈夫变换
哈夫变换( Hough Transform: HT ) 是对灰度图
像检测直线和其他参数曲线的一种方法. 在 x -
第 36 卷 第 7 期 2 0 0 4 年7 月
哈尔滨工业大学学报 JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
Vol1 36 No17 July, 2004
移动机器人的同时定位和地图创建方法
厉茂海, 洪炳 , 罗荣华
( 哈尔滨工业大学 计 算机科学与技术学院, 黑龙江 哈尔滨 150001, E-mail: limaohai@ hit. edu. cn)
人的当前位置作为中心, 就会形成新的栅格 i +
1, 但是, 当机器人即将穿过栅格 i 时, 必须知道在
机器人的前面是什么. 由于这个原因, 定义了一
个内部的安全边界, 如图 1 所示的点划线, 当机器
人过点划线时, 就会产生一个新的局部栅格.
为了确定安全边界, 需要从栅格中心进行测
量, 根据超声波传感器的测量范围, 在这个范围内
1建模
111 机器人建模 本方法在 Pioneer 2 移动机器人上实现. 它是
一个三轮机器人, 前面是两个主动轮, 身体后面是 一个万向 从动轮, 在 身体 上方 装有 Pan- T ilt Zoom( PTZ) 视觉传感器, 里程计传感 器位于驱动 系统中, 提供对机器人位置估计 ( ax, ay, ath )T .
Step3: 结合 t - 1 时刻对机器人的位姿估计 pt- 1 与 t 时刻传感器得到的测量值mt 提供新的对 机器人的位姿估计 pt , 转 Step1.
式( 1) 可以对 n 个Hk 值计算 Q. Q值可以被离散化 成 m 个离散的值 Qk, k = 1, ,, m 满足Qk - Qk- 1 =
$Q, 并且相应的累加矩阵 A( Hk, Qk) 是递增的. 该
过程对所有的特征点重复.
哈夫变换( HT) 有许多要注意的问题:
1) 尽管认为对 H和 Q量子化越小 移动机器人的同时定位和地图创建方法
# 875 #
坐标系的 x 轴是机器人平移的速度向量, y 轴是
身体的左侧方向. 通过如下公式可以得到机器人