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基于多测距仪的UUV结构环境SLAM方法研究

作　者: 熊磊
导　师: 严浙平
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 霍夫变换同步定位与地图构建扩展卡尔曼滤波器多测距仪
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

要想使移动机器人完全实现自主,必须要解决的一个基础的问题是同步定位与地图构建(SLAM)。正是由于这个原因,近年来,同步定位与地图构建问题吸引了学者大量的注意力与研究精力。在不同环境下,在不同的应用场合,同步定位与地图构建问题都取得了很不错的研究成果。室内环境,室外环境,甚至是空中环境,SLAM的研究都取得了大量的研究成果。然而,水下环境仍然是研究SLAM问题的一个极具挑战性的环境,这是因为水下环境中,传感器的感知能力很有限,而且水下环境中很难找到可靠的环境特征。本文为UUV在水坝,海港,小艇停靠区,海洋平台等水下结构环境中执行任务设计了一种导航系统。该导航系统融合DVL, OCTANS和多测距仪数据,利用UUV的四自由度非线性动力学模型进行同步定位与地图构建(SLAM)。本文利用霍夫变换方法处理连续的多测距仪数据流,提取线特征,然后赋予线特征不确定性。提取的线特征及不确定性作为SLAM导航系统的输入,用来构建环境地图。同时,UUV的位置估计作为霍夫变换算法的输入,用来校正由于UUV运动而引起的多测距仪距离测量值的失真。针对EKF对UUV机动的跟踪能力方面存在的缺陷,引入了次优渐消因子,把带次优渐消因子的扩展卡尔曼滤波器应用到了导航系统中,设计了基于SFEKF-SLAM的UUV导航系统。海试数据表明,由于渐消因子的作用,基于SFEKF-SLAM的UUV导航系统充分利用了参差序列中的有效信息,对所建模型不确定性具有较强的鲁棒性,具有适中的计算复杂度,其定位精度也较通常的基于EKF-SLAM的UUV导航系统有所提高。为了验证基于多测距仪的UUV结构环境SLAM系统的有效性,利用海试数据进行了验证。海试中用到的UUV是哈尔滨工程大学自动化学院无人水下潜航器实验室自主研发的。海试中的UUV航行了大概1400米。海试获得的数据集包括多测距仪的距离测量值,DVL的海底跟踪速度,OCTANS的艏向角数据,以及一个压力传感器提供的深度信息。海试数据验证中,生成了一个比较大的真实的海洋港口环境地图。由GPS数据得到的UUV航迹及堤岸真实的地理位置用来作为对照。海试数据证明了基于多测距仪的UUV结构环境SLAM系统的有效性。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第一章绪论  9-18
  1.1 课题的背景及意义  10-12
  1.2 SLAM问题的国内外研究现状  12-16
    1.2.1 水下SLAM的发展  12-15
    1.2.2 水下SLAM问题的讨论  15-16
  1.3 课题主要研究内容及所做工作  16-17
  1.4 本文的组织结构  17-18
第二章同步定位与地图构建方法  18-27
  2.1 无人水下潜航器的定位问题  18-19
    2.1.1 航位推算  18
    2.1.2 声学导航  18-19
    2.1.3 组合导航  19
    2.1.4 地球物理导航  19
  2.2 无人水下潜航器的地图构建问题  19-21
    2.2.1 栅格地图  20
    2.2.2 特征地图  20
    2.2.3 拓扑地图  20-21
  2.3 基于扩展卡尔曼滤波器的同步定位与地图构建  21-25
    2.3.1 线性卡尔曼滤波器介绍  22-24
    2.3.2 扩展卡尔曼滤波器介绍  24-25
  2.4 本章小结  25-27
第三章基于多测距仪的UUV水下结构环境感知  27-51
  3.1 水下结构环境特征提取的典型方法  27-28
  3.2 霍夫变换  28-32
  3.3 基于霍夫变换的声纳模型  32-43
    3.3.1 陆地上单波束测距声纳模型  33-38
    3.3.2 水下机械扫描成像声纳模型  38-41
    3.3.3 水下多测距仪模型  41-43
  3.4 环境特征的不确定性模型  43
  3.5 水下结构环境特征的获取  43-44
  3.6 多测距仪模型海试数据验证  44-49
  3.7 本章小结  49-51
第四章基于多测距仪的UUV结构环境SLAM方法  51-72
  4.1 带次优渐消因子的扩展卡尔曼滤波器介绍  51-56
  4.2 基于SFEKF的UUV导航系统  56-61
    4.2.1 环境地图的初始化  57-58
    4.2.2 时间更新阶段  58-60
    4.2.3 状态更新阶段  60-61
  4.3 基于SFEKF-SLAM的UUV导航系统  61-71
    4.3.1 环境地图的初始化  62-63
    4.3.2 SFEKF-SLAM系统的时间更新阶段  63-65
    4.3.3 针对DVL设计SFEKF进行状态更新  65-66
    4.3.4 针对OCTANS设计SFEKF进行状态更新  66-67
    4.3.5 针对深度计设计SFEKF进行状态更新  67-68
    4.3.6 针对多测距仪设计SFEKF进行状态更新  68-71
  4.4 本章小结  71-72
第五章海试数据验证  72-83
  5.1 基于多测距仪的UUV结构环境SLAM系统传感器介绍  72-73
    5.1.1 Doppler Velocity Log  72
    5.1.2 OCTANS  72-73
    5.1.3 多测距仪  73
    5.1.4 深度计  73
  5.2 基于SFEKF的UUV导航系统海试数据验证  73-76
    5.2.1 海试数据验证结果  73-75
    5.2.2 海试数据验证结果分析  75-76
  5.3 基于SFEKF-SLAM的UUV导航系统海试数据验证  76-82
    5.3.1 海试介绍  76-77
    5.3.2 堤岸真实地理位置的获取  77-79
    5.3.3 海试数据验证结果  79-81
    5.3.4 海试数据验证结果分析  81-82
  5.4 本章小结  82-83
结论  83-84
参考文献  84-88
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  88-89
致谢  89

基于多测距仪的UUV结构环境SLAM方法研究

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