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原文传递面向智能汽车定位导航的双目视觉SLAM优化研究

论文题名：	面向智能汽车定位导航的双目视觉SLAM优化研究
关键词：	智能汽车;导航系统;车辆定位;地图构建
摘要：	目前大部分的智能车辆定位导航系统都依与于高精度差分(RTK,Real-time kinematic)卫星导航(GPS,Global Position System)信号,但是GPS在阴雨天气、树阴遮挡时容易丢失信号,此时车辆难以准确进行定位和导航。为提高自动驾驶车辆定位导航系统的稳定性,为了实现智能车的同时定位与建图技术(SLAM,simultaneous localization and mapping)来克服GPS信号极易受干扰的缺点，已成为了智能汽车行业研究的热点。针对目前较为成熟的ORBSLAM2在车速较高和光照变化明显时易出现定位不够精准的问题,本文围绕面向智能汽车定位导航的双目视觉SLAM优化这一关键问题展开研究,主要工作内容如下: 　　（1）多传感器联合标定。利用单一传感器实时定位导航存在诸多缺陷，将多维激光雷达与双目相机数据进行空间配准并联合标定；首先利用Zhang Z标定算法对相机进行内外参标定；紧接着将多维激光雷达外参进行简化求解，并采用遗传算法对求解目标进行优化，完成多维激光雷达的外参标定；在此基础上对数据进行校正并输入，完成多传感器的联合标定，为后续优化工作提供硬件条件。　　（2）前端特征提取与相机位姿估计。利用改进后的Oriented FAST角点进行特征提取，在此基础上运用LK光流法实现特征跟踪，运用符合双目相机以及3D点的PnP算法进行位姿估计；结合ORBSLAM2建立视觉里程计,实现图像数据获取速度和质量上的优化,以改善在实车导航时速度较快和光照变化明显时,图像数据获取的稳定性和鲁棒性。　　（3）SLAM后端图优化。建立BA非线性优化模型并利用g2o库求解，对SLAM进行后端位姿图优化。在此基础上，考虑到后端优化时出现异常值的问题，采用核函数约束法来降低此种异常值对后端优化的影响，通过以上方式来更好消除前端视觉里程计产生的误差累计。　　（4）回环检测。通过对目前主流的三种视觉回环检测算法词袋模型的回环检测、点云回环检测算法ScanContext、DeepLCD无监督学习网络进行分析对比，在此基础上进行回环检测算法融合，通过自适应加权的方式得到可以最终满足环境条件的改进型回环检测算法。　　（5）实车试验。在ROS系统中进行工程部署并进行场地实验。完成几何特征高精度建图，提出了实车实验高精度地图的评价指标以及计算方式，在光照明显与傍晚两个时段根据高精度地图转化的车辆位姿信息与GPS轨迹进行横向和纵向对比，验证了本文优化方案的可行性。　　目前大部分的智能车辆定位导航系统都依与于高精度差分(RTK,Real-time kinematic)卫星导航(GPS,Global Position System)信号,但是GPS在阴雨天气、树阴遮挡时容易丢失信号,此时车辆难以准确进行定位和导航。为提高自动驾驶车辆定位导航系统的稳定性,为了实现智能车的同时定位与建图技术(SLAM,simultaneous localization and mapping)来克服GPS信号极易受干扰的缺点，已成为了智能汽车行业研究的热点。针对目前较为成熟的ORBSLAM2在车速较高和光照变化明显时易出现定位不够精准的问题,本文围绕面向智能汽车定位导航的双目视觉SLAM优化这一关键问题展开研究,主要工作内容如下: 　　（1）多传感器联合标定。利用单一传感器实时定位导航存在诸多缺陷，将多维激光雷达与双目相机数据进行空间配准并联合标定；首先利用Zhang Z标定算法对相机进行内外参标定；紧接着将多维激光雷达外参进行简化求解，并采用遗传算法对求解目标进行优化，完成多维激光雷达的外参标定；在此基础上对数据进行校正并输入，完成多传感器的联合标定，为后续优化工作提供硬件条件。　　（2）前端特征提取与相机位姿估计。利用改进后的Oriented FAST角点进行特征提取，在此基础上运用LK光流法实现特征跟踪，运用符合双目相机以及3D点的PnP算法进行位姿估计；结合ORBSLAM2建立视觉里程计,实现图像数据获取速度和质量上的优化,以改善在实车导航时速度较快和光照变化明显时,图像数据获取的稳定性和鲁棒性。　　（3）SLAM后端图优化。建立BA非线性优化模型并利用g2o库求解，对SLAM进行后端位姿图优化。在此基础上，考虑到后端优化时出现异常值的问题，采用核函数约束法来降低此种异常值对后端优化的影响，通过以上方式来更好消除前端视觉里程计产生的误差累计。　　（4）回环检测。通过对目前主流的三种视觉回环检测算法词袋模型的回环检测、点云回环检测算法ScanContext、DeepLCD无监督学习网络进行分析对比，在此基础上进行回环检测算法融合，通过自适应加权的方式得到可以最终满足环境条件的改进型回环检测算法。　　（5）实车试验。在ROS系统中进行工程部署并进行场地实验。完成几何特征高精度建图，提出了实车实验高精度地图的评价指标以及计算方式，在光照明显与傍晚两个时段根据高精度地图转化的车辆位姿信息与GPS轨迹进行横向和纵向对比，验证了本文优化方案的可行性。
作者：	曾文昊
专业：	车辆工程
导师：	隗寒冰
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022