大范圍環(huán)境下移動機(jī)器人同步定位和地圖創(chuàng)建研究.pdf

1、目前，在SLAM 領(lǐng)域中越來越多的學(xué)者從稀疏化信息矩陣的角度提高SLAM 算法的效率。在這些研究工作中，對于稀疏化信息矩陣問題，大都從Bayes 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)入手，通過構(gòu)造合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實現(xiàn)規(guī)范化信息矩陣的稀疏化。而在具體算法中則根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特性對路標(biāo)進(jìn)行分類處理，這樣做雖然會使信息矩陣在未經(jīng)任何處理的情況下自然稀疏化，從而提高SLAM 估計結(jié)果的精度，但由于算法中需要對路標(biāo)進(jìn)行分類，因此算法的時間復(fù)雜度也會隨之增加。本文提出的

2、算法是在Eustice擴(kuò)展信息濾波SLAM 算法上的改進(jìn)，通過對信息矩陣結(jié)構(gòu)特征的分析，使得改進(jìn)后的算法不僅解決了Thrun 算法中直接稀疏化信息矩陣導(dǎo)致的非一致問題，而且實時性和實用性也大為提高了。另外，本文提出的算法與上述通過改進(jìn)Bayes 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得到的算法相比，估計結(jié)果相當(dāng)，因而具有很高的理論和實際意義。 針對SLAM 領(lǐng)域中信息矩陣稀疏化的問題，本文從擴(kuò)展信息濾波SLAM算法的幾何意義和相關(guān)公式兩個角度進(jìn)行分析，不

3、僅得到了規(guī)范化信息矩陣具有稀疏性的結(jié)論，而且首次提出了擴(kuò)展信息濾波SLAM 算法中信息矩陣的結(jié)構(gòu)特征。根據(jù)信息矩陣的結(jié)構(gòu)特征，本文提出了一種擴(kuò)展信息濾波SLAM（Extended Information Filter SLAM，EIF-SLAM）的改進(jìn)算法：通過直接對信息矩陣進(jìn)行合理地稀疏化，并結(jié)合稀疏矩陣高效的運(yùn)算規(guī)則，顯著降低了原算法的計算復(fù)雜度；借助環(huán)閉合（或重定位）技術(shù)，有效抑制了由于稀疏化所導(dǎo)致的誤差，實現(xiàn)了在保證SLAM 估

4、計結(jié)果一致準(zhǔn)確前提下的高效性。最后，稀疏化與SLAM 求解精度的關(guān)系也從理論上給予了證明。 仿真針對一個大規(guī)模環(huán)境下的SLAM 問題，討論了直接稀疏化信息矩陣擴(kuò)展信息濾波SLAM 算法的應(yīng)用。在設(shè)定運(yùn)動模型和觀測模型參數(shù)之后，通過仿真結(jié)果重點對信息矩陣結(jié)構(gòu)特征、算法效率、環(huán)閉合以及誤差和協(xié)方差四個關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析。實驗分別就室內(nèi)具有攝像頭的兩輪機(jī)器人和室外具有激光雷達(dá)的四輪機(jī)器人的情況進(jìn)行了討論。兩個實驗各具特色：實驗一在實驗