四旋翼無(wú)人機(jī)林業(yè)信息監(jiān)測(cè)分為林冠上監(jiān)測(cè)和林冠下監(jiān)測(cè)。相比空曠的林冠上環(huán)境,無(wú)人機(jī)在林冠下飛行面臨著無(wú)GPS信號(hào)、障礙物密集且分布不規(guī)則以及環(huán)境特征相似等挑戰(zhàn)。因此本文面向無(wú)人機(jī)在林冠下飛行任務(wù)的實(shí)際需求,提出了基于單目視覺(jué)和激光融合的位姿估計(jì)與地圖構(gòu)建技術(shù)。本文主要工作如下:1.研究并改進(jìn)了基于單目視覺(jué)和激光融合的SLAM(simultaneous localization and mapping)算法。本文采用基于單目視覺(jué)里程計(jì)的位姿估計(jì)算法進(jìn)行位置和姿態(tài)的估計(jì),并在激光地圖構(gòu)建中融合單目視覺(jué)里程計(jì)的位姿信息對(duì)激光數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配,獲得障礙物深度地圖,并采用基于局部?jī)?yōu)化法的圖優(yōu)化SLAM對(duì)地圖進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化,最后利用高斯模糊法生成障礙物代價(jià)地圖。2.本文在ROS仿真平臺(tái),對(duì)本文改進(jìn)的SLAM算法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),并進(jìn)行算法評(píng)價(jià)。本文分別對(duì)本文提出的SLAM與其它的經(jīng)典算法進(jìn)行對(duì)比。然后進(jìn)行了仿真飛行實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了本文提出的SLAM算法能夠?qū)崟r(shí)地為導(dǎo)航規(guī)劃提供位姿信息和地圖信息。3.設(shè)計(jì)和搭建四旋翼無(wú)人機(jī)的同時(shí)定位與地圖構(gòu)建系統(tǒng),并在林冠下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的四旋翼無(wú)人機(jī)SLAM能夠在林冠下同時(shí)實(shí)現(xiàn)定位與地圖構(gòu)建。本文研究并改進(jìn)了基于單目視覺(jué)和激光融合的SLAM算法,實(shí)現(xiàn)了四旋翼無(wú)人機(jī)林冠下的同時(shí)定位與地圖構(gòu)建,為四旋翼無(wú)人機(jī)的林冠下監(jiān)測(cè)提供了安全保證。
【學(xué)位單位】：北京林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：V279;S771.5
【部分圖文】：

只能解決幾百個(gè)點(diǎn)的小場(chǎng)景的計(jì)算問(wèn)題。逡逑基于集數(shù)調(diào)整的視覺(jué)ＳＬＡＭ需要將圖像中相同場(chǎng)景的圖像特征點(diǎn)匹配起來(lái)（如逡逑下圖１－２所示，將NB１的特征點(diǎn)ｘｕ，ｘ２１，１３１進(jìn)行匹配），通過(guò)求解函數(shù)（１－１）式，來(lái)逡逑獲得最優(yōu)解。逡逑ａｒｇ邋ｍｉｎ邐１１邐＾邋｜邋Ｕ，邐（１－１）逡逑／＝１邋／＝！邐匕逡逑８逡逑

待優(yōu)化相機(jī)的變量為Ｃ＝邋�。茫校茫玻�；．卜那么在２０幀／ｓ的應(yīng)用中就會(huì)多出２０組待優(yōu)化逡逑的數(shù)據(jù)。因此，為了追求解算完整的優(yōu)化問(wèn)題反而會(huì)影響實(shí)時(shí)性。逡逑如圖１－３所示，相對(duì)林冠下的自然環(huán)境，室內(nèi)環(huán)境沒(méi)有強(qiáng)烈的自然光，一些深度逡逑傳感器，比如ＲＧＢ－Ｄ攝像機(jī)和結(jié)構(gòu)光傳感器受到的影響比較小，。通常室內(nèi)ＳＬＡＭ逡逑使用ＲＧＢ－Ｄ攝像機(jī)和單目視覺(jué)作為ＳＬＡＭ解決方案（郭芳，２０１２；楊維，２０１５）。逡逑圖１－３室內(nèi)和林冠下飛行環(huán)境對(duì)比逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ｆｌｉｇｈｔ邋ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ邋ｕｎｄｅｒ邋ｉｎｄｏｏｒ邋ａｎｄ邋ｃａｎｏｐｙ逡逑在林冠下的環(huán)境中，環(huán)境特征高度相似，為激光雷達(dá)幀與幀之間的卯配增加難度，逡逑同時(shí)自然光對(duì)ＲＧＢ－Ｄ攝像機(jī)和結(jié)構(gòu)光攝像機(jī)具有強(qiáng)烈的干擾，激光雷達(dá)加單目視覺(jué)逡逑的ＳＬＡＭ解決方案在室外環(huán)境中具有較好的魯棒性（王佳，２０１７；梁瀟，２０１６）。而逡逑１１逡逑

在林冠下環(huán)境因?yàn)榱止趯?duì)光線的遮擋加上地面草地和低小的植物，形成逡逑的圖像信息相比單一的室內(nèi)墻壁和地板，特征點(diǎn)更加豐富，采用視覺(jué)里程計(jì)在林冠逡逑下環(huán)境進(jìn)行定位，幀間的匹配相比室內(nèi)更加容易，如圖２－１所示為常見(jiàn)的林區(qū)地面圖逡逑＂Ｐ逡逑署逡逑圖２－丨林區(qū)地面圖像逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｇｒｏｕｎｄ邋ｉｍａｇｅ邋ｉｎ邋ｆｏｒｅｓｔ逡逑激光雷達(dá)傳感器分為室外激光雷達(dá)和室內(nèi)激光雷達(dá)，通常室內(nèi)傳感器成本低逡逑廉、測(cè)量距離短、容易受到太陽(yáng)光的干擾。而室外激光雷達(dá)，比如日本北陽(yáng)公司的逡逑ＵＴＭ－３０ＬＸ－ＥＷ激光雷達(dá)傳感器，作為常見(jiàn)的室外激光雷達(dá)．其擁有測(cè)距精度高、測(cè)逡逑量距離遠(yuǎn)和掃描速度快的特點(diǎn)適合作為機(jī)載激光雷達(dá)為無(wú)人機(jī)在林冠下飛行提供障逡逑礙物深度信息，其性能參數(shù)如表２－１所示。逡逑衣２－１邋ＵＴＭ－３０ＬＸ－ＥＷ激光雷達(dá)性能參數(shù)表逡逑Ｔａｂｌｅ邋２－１邋Ｐｅｒｆｏｍｉａｎｃｅ邋ｐａｒａｍｅｔｅｒ邋ｏｆ邋ＵＴＭ－３０ＬＸ－ＥＷ邋ｌａｓｅｒ逡逑￥ｉ邐＃１逡逑工作電壓邐１２ＶＤＣ±１０％逡逑測(cè)量距離邐０．１ｍ？３０ｍ逡逑掃描角度邐２７０°逡逑重量邐２３０ｇ逡逑尺寸邐６０＊６０＊８５ｍｍ逡逑如圖２－２所示為林區(qū)的激光數(shù)據(jù)，黑色的圓為激光雷達(dá)的位置，紅色的點(diǎn)為掃描逡逑到的障礙物的位置，林區(qū)環(huán)境分為林冠上、林冠中和林冠下環(huán)境，林冠下環(huán)境主要逡逑的障礙物以圓柱形的樹(shù)干為主

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本文編號(hào)：2832936