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面向无人艇的近岸水域多传感器融合定位与建图研究
| 论文题名： | 面向无人艇的近岸水域多传感器融合定位与建图研究 |
| 关键词： | 无人艇;自主导航系统;激光雷达;卫星导航系统;惯性导航系统;信息融合;地图构建;里程计 |
| 摘要： | 随着全球迎来第四次工业革命，无人自主系统正朝着智能化、多样化飞速发展。无人艇作为一种水面无人自主运载平台，它可以搭载各种武器装备和测绘仪器在江河、海洋等复杂水域进行长时间、大范围的作业。全天候、鲁棒的定位信息是实现无人艇自主导航系统的重要前提，决定了无人艇智能化水平的高低。因此，本文以激光雷达、卫导和惯导的信息融合为研究内容，旨在提高无人艇在近岸复杂水域下定位与建图的鲁棒性。主要的研究内容及相应成果如下： （1）针对目前里程计系统难以满足无人艇控制的需求，本文开发了轻量、高效、紧耦合的激光雷达-运动约束-卫导-惯导里程计。此里程计在迭代误差状态卡尔曼滤波器的框架内有效融合每个激光点的观测约束、无人艇运动约束、卫导测量值和惯导的原始测量值，可以实现在线、高精度的六自由度位姿估计。所提出的里程计在真实无人艇上进行实验，并在开源数据集上作对比。实验结果表明，相比于目前开源的先进里程计系统，本章提出的里程计具有较高的一致性、精确性和鲁棒性。 （2）针对在近岸复杂水域中的信号干扰和传感器退化问题，本文设计面向近岸复杂水域的全局一致性地图构建框架。该框架可以将里程计信息、卫导定位信息和激光点云数据融合到一个批量最大后验估计问题中，并使用两阶段两步优化策略进行求解。该策略可以自动剔除因子图中卫导约束和闭环约束中的离群值，从而提高点云地图的全局一致性和平滑性。所提出的地图构建框架在真实无人艇上进行实验，并与目前开源的先进算法做对比。实验结果表明，该框架可以获得精确的全局轨迹和具有全局一致性的高精三维点云地图。 （3）针对环境变化对全天候在线定位带来的挑战，本文提出融合先验点云地图的里程计辅助定位系统。基于滑动窗口滤波器，该系统可以鲁棒、高效地将里程计信息和地图匹配信息融合到一个固定长度的批量估计问题中，从而保证在长期定位中的稳定性。所提出的定位系统在真实无人艇上进行了长期定位实验。实验结果表明，定位系统即使在先验地图发生变化时仍能实现定位，展示了该系统拥有较好的鲁棒性。 |
| 作者： | 陈梓杰 |
| 专业： | 电子信息 |
| 导师： | 徐雍;刘露 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 广东工业大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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