视觉SLAM方法综述

实时定位与建图(SLAM)技术搭载特定传感器,使移动机器人在无任何环境先验条件下,在运动过程中自主建立环境模型来计算自身位姿,大幅提高其自主导航能力,以及对不同应用环境的适应性。视觉SLAM方法以相机作为外部传感器,通过采集周围环境信息来创建地图并实时估计机器人自身位姿。为此,介绍了具有代表性的经典视觉SLAM方法及与深度学习相结合的视觉SLAM方法,分析了视觉SLAM方法中采用的不同特征检测方法、后端优化、闭环检测,以及动态环境下视觉SLAM方法的应用,总结了视觉SLAM方法的问题,并探讨了视觉SLAM方法在未来的热点研究方向和发展前景。     

扰动测量环境中基于图像序列的模态参数识别

针对结构模态参数识别,提出了一种基于二维连续图像序列的识别方法.该方法以CCD相机采集的图像序列为基础,在待识别结构上选取一定数量的特征点,运用因子分解法将结构运动参数和外形信息分离开,得到各特征点的运动轨迹,通过实施特征系统实现算法(ERA,Eigen-system Realization Algorithm)识别出结构的模态参数.特别是当测量仪器,即CCD相机受到扰动时,能够从图像序列中分离扰动,得到结构自身的运动参数,保证较好的识别效果.以相机受扰动时,悬臂梁模型为例进行了仿真分析.将识别出的悬臂梁前5阶频率与ANSYS计算结果进行对比,结果吻合很好,对于工程中利用光学图像识别结构动态特性具有较高的参考价值.     

基于先验子图检测的失效航天器SLAM方法

基于激光雷达的航天器位姿估计技术是当前在轨服务研究热点。针对失效航天器位姿估计,将通用的图优化SLAM技术应用到空间非合作目标的研究中。为解决SLAM算法在动态场景中产生累积误差问题,利用失效航天器自身运动特点,提出一种基于先验子图检测改进的SLAM算法。在该算法中,通过激光雷达和惯性测量单元分别采集失效航天器及周围环境的点云数据、服务航天器的运动信息,构建出服务场景下航天器的相对位姿图;再采用先验子图检测方法建立不连续的位姿节点间的约束关系;最后用约束信息对位姿图进行优化。仿真结果表明,相较于通用的SLAM算法的位姿估计,该方法减小了累积误差,提高了相对位姿估计精度,可以为后期的导航、控制等在轨任务提供信息。     

单目SLAM直线匹配增强平面发现方法

针对微小型机器人及无人机系统日益迫切的轻量化视觉导航需求,提出了一种多维几何特征单目视觉三维环境建模方法。单一点特征单目SLAM制图方法地图描述效率相对较低,噪声容忍性能需要进一步提高。将线和面特征引入单目SLAM的三维地图构建过程,提高系统三维空间建模的搜索速度和稳定性。利用快速直线搜索算法,并基于二维直线匹配生成三维空间直线。现有基于三维空间特征点生成最小采样集的J-Linkage算法需要的倾向向量维数较高,完成单目SLAM常见场景三维平面聚类所需的计算量大。通过点线特征结合以及直线增强的J-Linkage算法可以提高特征平面聚类速度和稳定性,减少系统三维空间表达的冗余信息。     

基于多级语义对齐的图像-文本匹配算法

图像中的区域特征更关注于图像中的前景信息,背景信息往往被忽略,如何有效的联合局部特征和全局特征还没有得到充分地研究。为解决上述问题,加强全局概念和局部概念之间的关联得到更准确的视觉特征,提出一种基于多级语义对齐的图像-文本匹配算法。提取局部图像特征,得到图像中的细粒度信息;提取全局图像特征,将环境信息引入到网络的学习中,从而得到不同的视觉关系层次,为联合的视觉特征提供更多的信息;将全局-局部图像特征进行联合,将联合后的视觉特征和文本特征进行全局-局部对齐得到更加精准的相似度表示。通过大量的实验和分析表明：所提算法在2个公共数据集上具有有效性。     

基于双目视觉的非合作目标自主姿态估计方法

针对在轨服务任务对于空间非合作目标的自主相对导航需求,提出了一种基于双目视觉的自主姿态估计方法。该方法以Markley变量描述目标的姿态运动,并利用双目相机对目标表面的特征点进行观测,利用特征点的运动规律与目标姿态运动的相关性,并通过容积卡尔曼滤波算法实现了对非合作目标角速度与自旋轴方向的估计。数学仿真验证了所给出的姿态估计方法,并分析了估计精度的影响因素。     

一种高效准确的视觉SLAM闭环检测算法

同步定位与地图构建（SLAM）是视觉导航领域的关键技术之一，闭环检测是SLAM的基础问题。针对视觉SLAM闭环检测准确率不高的问题，提出一种高效准确的闭环检测算法。该算法由词袋模型、图像结构校验、跟踪预测模型3个模块构成。首先，将局部特征与全局特征相结合，设计了词袋模型与图像结构校验模块。词袋模型通过视觉单词比较图像之间的相似性，得到闭环候选帧。然后，图像结构校验模块灰度化、归一化当前图像与闭环候选图像。归一化之后的图像被直接作为局部特征的邻域，计算得到全局描述符，通过全局描述符判断闭环候选帧是否为有效的闭环。最后，针对传统闭环检测算法耗时随图像数量增加而显著增加的问题，设计了跟踪预测模块，以提高计算效率。实验中，与主流的DBoW算法相比，提出的闭环检测算法的准确率提升了20%以上，实时性也有更好的表现。      

一种小天体旋转参数估计方法

小天体旋转参数是科学数据，也是小天体测绘，着陆导航的基础数据.研究一种在小天体探测接近段过程中使用的基于图像上特征点跟踪和扩展卡尔曼滤波器的小天体旋转参数估计方法.该方法首先建立小天体旋转关系模型，表示小天体在相机坐标系中的姿态变化；然后定义小天体旋转的状态方程，推到了扩展卡尔曼滤波器的计算过程.通过对观测图像序列上的特征点跟踪，利用扩展卡尔曼滤波器方法得到小天体旋转轴指向和自转角速度估计.实验中，在仿真相机与小天体相机100 km距离上，分析了相机坐标系小天体坐标系之间的四元数初值，图像上特征点跟踪精度，相机的观测指向等因素对小天体旋转参数估计精度的影响.实验结果表明，提出的基于图像特征点跟踪和扩展卡尔曼滤波器的小天体旋转参数估计方法能够得到具有较高精度的估计结果.     

一种改进的ORB特征匹配算法

针对现有的ORB特征匹配算法在图像模糊、光照变化、图像压缩、噪声条件下，匹配准确率下降问题，提出了一种改进的ORB特征匹配算法。首先，在提取特征点过程中，对图像进行网格化处理，并引入四叉树结构，使提取的特征点在图像中均匀分布，解决传统的特征提取方法遇到的特征点集中问题。然后，利用暴力匹配进行初步匹配，并采用交叉验证的方式，剔除部分误匹配，改善暴力匹配的结果。最后，利用高斯核对网格运动统计的结果做加权处理，优化统计结果，进一步剔除误匹配，得到准确率更高的匹配集合。实验结果表明:改进后的算法在图像模糊、光照变化、图像压缩和噪声条件下，平均准确率分别提高了3.5%、4.2%、2.2%和6%。      

基于扩展卡尔曼滤波的舰机相对位姿估测

通过将基于扩展卡尔曼滤波的长序列图像分析方法与单目视觉技术相结合,把无人机自主着舰视觉导引中舰机间相对位姿的估测,转化为机载摄像机对着舰靶标平面3D位姿的实时估测问题.首先根据透视投影理论,建立了以摄像机的透镜中心为原点且Z轴与光轴重合的摄像机坐标系和世界坐标系,然后利用机载摄像机连续拍摄的靶标图像序列,选择描述相对运动的3个欧拉角、平移向量及它们的速度作为状态变量;由靶标角点的提取和帧间匹配,建立了反映着舰靶标上特征点的图像坐标和状态变量之间关系的观测方程,带入扩展卡尔曼滤波器,估测出舰机的相对运动参数.计算机数据仿真和基于DSP平台的半实物仿真试验验证了算法的有效性和鲁棒性.      

基于小行星地形特征库的自主测距与定姿方法

首先建立全景着陆区域地形特征数据库,包括了特征点的经纬度、图像纹理信息、各个特征点之间的位置相关特性等;随后提取探测器下降过程中拍摄得到的地形特征,在图像数据库中进行匹配,解决了因小行星自转周期较短产生的特征点溢出视野问题,提高了光学测量的适用性;最后结合匹配点的位置信息通过计算机视觉测距原理获取探测器和小行星之间的相对位置和相对姿态。数学仿真实验验证了方案的可行性。     

无人机位姿测量的点特征视觉方法

针对无人机在动态环境下快速高精度定位的问题，提出了用单目相机对无人机上的人工特征点进行位姿解算的方法。在无人机上放置一定数量的小型LED灯，并将其作为视觉测量的特征点，并以其中一个点作为原点建立无人机机体坐标系。通过多场景测量确定特征点在机体坐标系下的三维位置，再将三维位置与特征点在图像中的成像位置相匹配，最后使用EpnP算法求解出无人机的位置和姿态。在实验部分，利用三轴移动平台和三维转台，分别对位置解算结果和姿态解算结果进行误差测量。试验结果表明，位置解算误差在2%以下，姿态误差在8%左右。同时，该算法的处理时间在2 ms左右，该算法可以满足无人机对定位的实时性和精度的要求。     

运动信息引导的目标检测算法

在室外监控视频的场景下，由于场景的复杂性及目标的多样性，监控视频中的目标存在难以检测的情况，如目标被遮挡、目标尺寸变化等，目标检测任务仍然存在挑战。基于此，提出了一种利用运动信息引导基于卷积神经网络的目标检测算法来提高目标检测的准确率。对运动目标检测算法进行一定的改进，使得到的运动前景图中能够保持静止目标前景的存在；利用运动前景图中的前景可以指示目标空间位置的特点，在特征层面将网络提取的特征图与获取的以运动前景图为主的运动信息相融合，提高特征图可能存在目标区域的响应值；在目标检测算法的检测器中，引入一个定位分支，利用视频帧的运动前景图，学习候选目标的定位置信度，并与目标的分类置信度加权求和，作为目标最终的置信度，再通过非极大值抑制方法得到检测结果。实验证明，在固定摄像机下采集的数据集中，所提算法能够提升目标检测的准确率。      

Scientific instrumentation of PLANET-A VUV imaging of the hydrogen coma of Halley

The PLANET-A spacecraft to fly by Comet Halley is equipped with a VUV imaging camera which will take pictures of the hydrogen coma of the comet. The camera is composed of a telescopic mirror lens, a VUV image intensifier, two dimensional CCD, and controlling electronic circuits with a microprocessor. In order to eliminate the blur in the image due to the spinning motion of the spacecraft, a special technique called “spinsynchronized charge swift” is used in the CCD driving.     

面向低视角场面监视的移动目标速度测量

为构建有效的机场场面视觉监视系统，提出了一种基于特征点持续跟踪与分析的移动目标速度测量方法。首先，利用场面几何特征对摄像机进行标定；然后，基于光流场对图像运动区域的特征点进行持续跟踪，在此基础上通过特征点轨迹聚类区分不同移动目标；最后，根据特征点高度与运动距离完成速度测量。所提方法能够利用机场场面摄像机获取的低视角单目视频图像，对移动目标的运动速度进行准确测量。基于广州白云国际机场的场面运行视频进行了仿真分析，验证了所提方法在低视角速度测量方面的可行性与优势。      

一种基于共面特征点的单摄像机姿态测量方法研究

利用单摄像机采集4个共面特征点图像的方法来测量物体的相对姿态变化。系统选用IR—LED作为特征点并对其发光特性进行优化控制,利用基于双线性插值的高斯曲面拟合方法确定图像特征点的坐标,最终使用解决P4P问题的一种线性解法确定特征点坐标及位姿变化信息。进行了实物和仿真实验,并对该方法进行了不确定度分析,结果表明这种方案具有较高的准确度、实时性。