水下机器人EKF_SLAM算法-visionouc-中国海洋大学

加拿大英属哥伦比亚大学
Iver2 AUV
Gavia
2 国内外研究现状
2.1.1 国外研究现状
夏威夷大学
日本东京大学
ODIN
Tantan AUV
2 国内外研究现状
2.1.1 国外研究现状
英国
Autosub-1
Autosub6000
2 国内外研究现状
2.1.2 国内研究现状
国内虽然研究水下机器人的单位不多，例如:
美国海军研究生院
美国麻省理工学院
凤凰号
Odyssey IV 水下机器人
2 国内外研究现状
2.1.1 国外研究现状 美国航天局喷气推进实验室
Woods Hole Oceanographic Institution
SOLO-TREC
REMUS 100
2 国内外研究现状
2.1.1 国外研究现状
Ocean Server
观测方程可以表示为：
zk hk (xik ,l jk) vk
Байду номын сангаас
4 EKF-SLAM
4.1 滤波发展史
传统滤波 维纳滤波
卡尔曼滤波
扩展卡尔曼滤波
数据融合的一种方法
….
信号、噪声不 同频带 平稳随机噪声
线性状态空间
非线性空间
4 EKF-SLAM
4.2 扩展卡尔曼滤波
Extended Kalman Filter，简称EKF，将卡尔曼滤波理论进一步应 用到非线性领域。
3 SLAM介绍
3.1 SLAM（simultaneous localization and mapping）：
实时定位与地图构建，是实现真正全自主移动机器 人的关键。
SLAM问题
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 已建立的地图进行自身定位,同时在自身 定位的基础上建造增量式地图
3 ） 美 国 夏 威 夷 大 学 的 自 动 化 系 统 实 验 室 （ Autonomous Systems Laboratory）
4）英国的海事技术中心（Marine Technology Center） 5）日本东京大学的机器人应用实验室 6）悉尼大学
2 国内外研究现状
2.1.1 国外研究现状
信度网模型
不可控马尔科夫模型
因子图模型
3 SLAM介绍
3.6 信度网模型
位姿向量 路标向量 控制向量 观测向量
所有变量和测量值的联合概率表示
M
K
P(X , L,U, Z)
P(x0) P
i 1
xi
xi1, ui
P(zk
k 1
xik , l
jk)
运动方程可以表示为：
xi f i (xi1, ui) wi
水下机器人EKF_SLAM算法
报 告 人：邵欣慧
2015年6月30日
马航事件
2014年3月8日8时26分，中新社电：马来西亚航 空公司表示，一架载有239人的飞机失去联系。
“Bluefin-21”（蓝鳍金枪鱼）
世界上最先进的AUV
目录
1
水下机器人介绍
2
国内外研究现状
3
SLAM介绍
4
EKF介绍
5
2）AUV（Autonomous Underwater Vehicle）：
是指新一代水下机器人，具有活动范围大、机动性好、安全、智能化 等优点，成为完成各种水下任务的重要工具。无缆水下机器人具有活动范 围不受电缆限制，隐蔽性好等优点。
3）水下滑翔机
水下滑翔机是一种新型的水下机器人。由于其利用净浮力和姿态角 调整获得推进力，能源消耗极小，缺点是速度慢。
1) 中科院沈阳自动化所 2) 上海交通大学 3) 哈尔滨工业大学 4) 哈尔滨工程大学 5) 东北大学 6) 中国海洋大学 7) 浙江大学 8) 华中科技大学 9) 天津大学
2 国内外研究现状
2.1.2 国内研究现状 中科院沈阳自动化研究所
“探索者”
“潜龙一号”
2 国内外研究现状
2.1.2 国内研究现状
1 水下机器人介绍
1.3 难点：
1) 水下环境多变 2) 缺乏海底地图 3）电池问题 4）信息传输问题
2019/6/3
1 水下机器人介绍
1.4 应用领域：
1）军用： 武器打捞、清除水雷、海底搜救、发现入侵者等 2）民用： 海底打捞、海上石油天然气开发、海底伐木、大坝和水 路及港口检测、水产养殖、水下训练和航运及核设施检查等 3）科研： 海洋探测、海底观察、绘制海底地图等
程序演示
1 水下机器人介绍
1.1 分类：
20世纪 50年代
世界许多国家开始研制多种不同结构 和功能的水下机器人。
至今
浮游
有缆遥控
爬行
水 下
ROV
拖拽 附着
机
无缆自治
预编程
器
AUV
智能
人
水下滑翔机
1 水下机器人介绍
1.2 定义 1）ROV（Remote Operated Vehicle）：
无人遥控潜水器，系统组成包括：动力推进器、遥控电子通讯装置、 黑白或彩色摄像头、摄像俯仰云台、实时在线显示单元、导航定位装置、 自动舵手导航单元等单元部件。
天津大学
2 国内外研究现状
2.1.2 国内研究现状
中国海洋大学
C-Ranger-1
C-Ranger-2 （神龙号）
旗鱼-2
3 SLAM介绍
解决
实时定位与地图构建 算法（SLAM算法）
SLAM问题：关于机器 人定位与地图建模问题
EKF-SLAM
iSAM
UKF-SLAM
…
SEIF
用扩展卡尔曼滤波理 论来解决SLAM问题
3 SLAM介绍
3.2 SLAM部分应用
谷歌无人车
火星探测机器人
石油勘探机器人
3 SLAM介绍
3.3 关系图
SPLAM
3 SLAM介绍
3.4 问题与难点： SLAM问题
1） 定位 2） 地图表示
相关问题
1） 环境特征的提取 2） 数据关联 3） 噪声的处理
3 SLAM介绍
3.5 SLAM模型
4 EKF-SLAM
4.2.1 EKF状态预测 — k时刻
预测k+1时刻的状态：
X k1,k k1,k X k BkUk Wk
k1,k Bk 过程雅阁比矩阵（系数阵）
Wk 过程噪声 Uk 控制输入
Xk 状态向量
X k1,k 状态预测向量
2 国内外研究现状
2.1.1 国外研究现状
国外水下机器人美国、加拿大、英国、法国、德国、意大利、 俄罗斯、日本等国处于领先地位。具有代表性的有如下几个研究 单位：
1）美国麻省理工学院的Sea Grant‘s AUV 实验室、Marine Robotics Group
2）美国海军研究生院（Naval Postgraduate School ）的智能 水下运载器研究中心