面向室外大场景的语义地图构建方法研究

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近年来,机器人在公共安全、救灾救援等室外环境任务执行中发挥了十分积极的作用,市场规模逐步扩大。然而,机器人自主执行任务的能力却十分有限,特别是机器人在动态环境进行同步定位与地图构建(SLAM)过程中,缺少对环境语义信息的感知,同时受到动态物体的干扰,容易丢失定位信息,无法执行高层智能任务。因此本文为了提高机器人对环境的理解能力,从以下三个方面研究动态环境中的语义地图构建方法,包括:(1)本文提出了一种基于双目立体视觉的室外环境语义地图构建方法。该方法通过ELAS算法和DeepPruner网络分别获取视差图,并使用语义分割网络获取图像的像素级语义信息。在使用DeepPruner获取的视差填补ELAS结果图的空洞时,根据语义分割的结果,将一些纹理较强的物体一并取代。本文的方法能够在构建语义点云地图时构建出更加平滑美观的地图。(2)针对室外环境下动态物体对视觉里程计的干扰,本文提出一种基于动态特征去除的视觉里程计方法。鉴于传统的ORB-SLAM算法在静态环境下表现出较好的性能,本文在ORB-SLAM基础上加入了动态特征检测与去除模块,提高了 ORB-SLAM在动态场景下的位姿估计精度。该模块使用YOLOv3网络检测图像中的可移动物体作为备选区域,并且联合对极线检测的方法检测图像中的动态特征点,最后使用光流法对检测到的动态特征进行追踪。通过在KITTI公开数据集实验,该方法在环境中有动态特征时有较优秀的表现。(3)针对室外大场景下建图效率低下以及内存的限制,本文提出一种分治拼接的思想来构建整个大型场景地图。在构建室外场景地图时,在不同的地点同步采集环境的图像序列构建子地图,基于孪生网络对图像序列的相似度匹配进行检测,并且根据候选匹配对计算两子地图之间的相对位姿,最终将子地图合并成整张地图。使用相同的方法,根据语义分割网络的结果构建语义点云地图。本文通过引入语义信息,结合对极约束原理剔除动态特征点,使得传统SLAM可以应对相对复杂的动态场景,并且提出了基于分治拼接思想的大型室外语义地图构建方法,为机器人理解周围环境以及执行高智能任务奠定了基础。
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