基于多测距仪的UUV结构环境SLAM方法研究

论文摘要

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。

论文目录

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