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轻量的增强型激光雷达-惯性-视觉里程计系统
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作者 杨颜光 钱建国 +2 位作者 于斌 郭洁 焦扬 《测绘通报》 北大核心 2025年第9期78-83,104,共7页
激光-惯性-视觉里程计(LIVO)在移动机器人和自动驾驶等领域展现出广泛的应用潜力。本文基于FAST-LIVO提出了一种轻量的增强型激光雷达-惯性-视觉里程计系统——LITE-LIVO。该系统通过集成激光雷达、惯性测量单元(IMU)和视觉传感器,实现... 激光-惯性-视觉里程计(LIVO)在移动机器人和自动驾驶等领域展现出广泛的应用潜力。本文基于FAST-LIVO提出了一种轻量的增强型激光雷达-惯性-视觉里程计系统——LITE-LIVO。该系统通过集成激光雷达、惯性测量单元(IMU)和视觉传感器,实现高效且实时的姿态估计与高精度地图构建;为提高系统在动态光照条件下的稳健性,引入一种基于深度学习的特征点提取方法和稀疏光流跟踪方法,并通过构建视觉观测残差,在卡尔曼滤波中融合视觉与激光雷达信息;此外,设计了紧耦合的视觉-惯性里程计(VIO)子系统,从激光雷达点云中筛选高质量视觉特征,同时更有效地管理视觉地图。试验结果表明,LITE-LIVO在多个公开数据集和实际场景中均表现出色,尤其在处理复杂环境和退化场景时展现了显著的优势。本文为激光-惯性-视觉里程计的发展提供了新的思路和方法,提高了多源数据融合的定位精度,增加了移动机器人的应用场景。 展开更多
关键词 激光-惯性-视觉里程计 深度学习 光流跟踪 卡尔曼滤波
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室内外场景下不同类型激光雷达/惯性里程计定位性能对比与分析
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作者 袁俊俨 李林阳 +1 位作者 赵冬青 郭文卓 《导航定位学报》 北大核心 2025年第4期123-135,共13页
针对自动驾驶、智慧物流等领域大多围绕单一类型激光雷达(LiDAR)定位的问题,分析室内外场景下不同类型激光雷达(LiDAR)和激光惯性里程计的定位性能:对比威力登32线机械LiDAR(VLP-32)和觅道360类固态LiDAR(Mid-360)的硬件设计和扫描线束... 针对自动驾驶、智慧物流等领域大多围绕单一类型激光雷达(LiDAR)定位的问题,分析室内外场景下不同类型激光雷达(LiDAR)和激光惯性里程计的定位性能:对比威力登32线机械LiDAR(VLP-32)和觅道360类固态LiDAR(Mid-360)的硬件设计和扫描线束分布;围绕当前广泛应用的基于增量平滑的激光惯性里程计(LIO-SAM)、快速直接激光惯性里程计(FAST-LIO2)和轻量化激光惯性里程计(Faster-LIO),分析3种开源框架的解算特性。实验结果表明,在开阔的室外环境中,VLP-32轨迹精度更高;而在室内受限空间,相比VLP-32,Mid-360的绝对轨迹误差可降低15.42%,性价比更高;对于VLP-32,3种开源框架解算室外数据的精度相差不大,而FAST-LIO2解算室内数据的精度最高;对于Mid-360,FAST-LIO2和Faster-LIO解算室内和室外数据的精度优于LIO-SAM,室内场景更显著,且FAST-LIO2解算得到的绝对轨迹误差最小;Faster-LIO运行内存占用最低。 展开更多
关键词 机械激光雷达(LiDAR) 低成本类固态激光雷达 开源激光惯性里程计 室内外场景 定位性能
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基于平面特征的地面机器人雷达-惯性里程计外参标定方法 被引量:2
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作者 任家卫 徐晓苏 《仪器仪表学报》 北大核心 2025年第2期344-354,共11页
准确可靠的传感器外参标定方法是雷达-惯性融合系统实现高精度定位与导航的关键,然而,现有的标定方法大多依赖于惯性传感器三轴激励的获取,当雷达和惯性传感器安装在运动受限的地面机器人上时,现有的标定方法性能下降甚至无法标定。为... 准确可靠的传感器外参标定方法是雷达-惯性融合系统实现高精度定位与导航的关键,然而,现有的标定方法大多依赖于惯性传感器三轴激励的获取,当雷达和惯性传感器安装在运动受限的地面机器人上时,现有的标定方法性能下降甚至无法标定。为了解决这一问题,提出了一种基于雷达点云平面特征的地面机器人雷达-惯性里程计外参标定方法。该方法首先利用雷达点云中的平面特征建立残差,通过最小化雷达点到平面的距离迅速将外参收敛至较小的误差范围内。随后,基于八叉树结构,结合雷达点云的空间占用信息,进一步优化外参。最后利用地面分割算法将地面约束纳入标定过程,对平面运动时Z轴方向上无法约束的误差进行修正,从而获得完整的六自由度外参。实验结果表明,该方法在两组开源数据集上的标定精度显著优于其他算法,旋转角平均误差分别降低43.73%及36.47%,位移平均误差分别降低了76.33%及41.52%。在实车验证实验中,该方法在平地、崎岖不平的地形、狭窄的通道等各种场景中均成功完成标定,进一步验证了该方法在实际环境中的可靠性与鲁棒性。在定位精度分析实验中,以本研究标定结果为初参的FAST-LIO2算法的绝对轨迹均方根误差降低了6.54%左右,证明了该方法的实用性和准确性。 展开更多
关键词 雷达-惯性里程计 平面约束 地面机器人 标定 传感器融合
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一种基于多状态颜色一致性约束的激光-惯性-视觉里程计
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作者 刘春明 于光远 +3 位作者 李琮 施鹏程 孙世颖 徐勇军 《电讯技术》 北大核心 2025年第1期119-126,共8页
基于视觉、激光等单一传感器的定位方法难以适应多样化的环境,围绕激光雷达、惯性测量单元和相机3种模态的传感器信息源,针对激光雷达(Light Detection and Ranging,LiDAR)与视觉测量没有充分关联的问题,提出了一种基于多状态颜色一致... 基于视觉、激光等单一传感器的定位方法难以适应多样化的环境,围绕激光雷达、惯性测量单元和相机3种模态的传感器信息源,针对激光雷达(Light Detection and Ranging,LiDAR)与视觉测量没有充分关联的问题,提出了一种基于多状态颜色一致性约束的激光雷达-惯性-视觉里程计方法,以提高系统的鲁棒性和定位精度。该方法紧耦合了激光雷达-惯性里程计(LiDAR-Inertial Odometry,LIO)和视觉-惯性里程计(Visual-Inertial Odometry,VIO)两个子系统,并定义了带有颜色信息的全局地图表示形式。LIO子系统中点云经过运动补偿后,直接用于构建点到面的残差。VIO子系统利用全局地图中点的深度信息,根据滑动窗口中多个相机状态观测到同一地图点颜色的一致性,构建光度误差约束,并通过不变扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)状态估计器进行系统状态更新。在南洋理工大学发布的公共数据集上进行了实验,所提方法在该数据集不同序列上的绝对轨迹误差平均值为0.402 m。 展开更多
关键词 多传感器融合定位 状态估计 视觉-惯性里程计 激光-惯性里程计
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面向矿井环境的激光雷达-惯性-视觉紧耦合SLAM算法
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作者 卢艳军 吕宛桐 张晓东 《工矿自动化》 北大核心 2025年第9期142-149,166,共9页
矿井环境中非结构化地形、光照条件差及特征重复等条件导致单一传感器的同时定位与地图构建(SLAM)精度不足,多传感器数据紧耦合融合可在一定程度上提升精度,但仍存在计算量大、光照突变适应性差等问题。针对上述问题,以快速紧耦合稀疏... 矿井环境中非结构化地形、光照条件差及特征重复等条件导致单一传感器的同时定位与地图构建(SLAM)精度不足,多传感器数据紧耦合融合可在一定程度上提升精度,但仍存在计算量大、光照突变适应性差等问题。针对上述问题,以快速紧耦合稀疏直接激光雷达-惯性-视觉里程计(FAST-LIVO)算法为基础进行改进,提出一种面向矿井环境的激光雷达-惯性-视觉紧耦合SLAM算法。在多传感器数据紧耦合融合部分,采用LK(Lucas-Kanade)光流法代替原有稀疏直接法,利用光流法追踪稳定特征点并构建视觉重投影误差,同时利用随机样本一致(RANSAC)算法剔除离群点以保留高质量视觉约束;结合惯性测量单元(IMU)先验估计与激光雷达点到平面残差,通过迭代误差状态卡尔曼滤波器实现多传感器数据紧耦合融合,输出高精度位姿。在地图构建部分,采用增量式k-d树(ikd-Tree)动态管理点云以构建激光雷达局部地图;通过网格筛选与Shi-Tomas得分计算提取视觉特征点,并采用数组管理实时移除视场外特征点以构建视觉局部地图;通过将激光雷达点云投影至对应图像提取RGB颜色信息生成彩色点云帧,再依据优化位姿拼接彩色点云帧以构建彩色点云地图。基于Gazebo仿真平台的测试结果表明,相比FAST-LIVO算法,所提算法的绝对轨迹误差(ATE)和相对位姿误差(RPE)均降低了20%以上,且巷道侧壁、内部料堆轮廓、地面等特征更清晰。在公开数据集M2DGR上的测试结果表明,所提算法的定位精度较LEGO-LOAM,FAST-LIO及FAST-LIVO算法有所提升,且在转弯处无明显漂移,轨迹稳定性更优,且所提算法处理数据的平均时间缩短。在长走廊模拟环境的测试结果表明,所提算法对空间结构的还原更清晰,线条、轮廓等细节更精准,噪点抑制效果更佳,能更准确地反映真实环境布局。 展开更多
关键词 机器人定位 同时定位与地图构建 SLAM 激光雷达-惯性-视觉 多传感器数据紧耦合融合 光流法 卡尔曼滤波
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基于局部信息融合的激光惯性里程计算法
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作者 杨丰澧 赵龙 《导航定位学报》 北大核心 2025年第3期10-18,共9页
针对点云匹配不准确和特征冗余的问题,提出一种基于局部信息融合的激光惯性里程计算法:首先,对于特征处理后的点云数据,在局部地图中利用最近邻搜索获得初始匹配;然后,将局部范围内的相似匹配进行融合获得精确匹配,最后使用因子图融合... 针对点云匹配不准确和特征冗余的问题,提出一种基于局部信息融合的激光惯性里程计算法:首先,对于特征处理后的点云数据,在局部地图中利用最近邻搜索获得初始匹配;然后,将局部范围内的相似匹配进行融合获得精确匹配,最后使用因子图融合激光里程计(LO)和惯性测量单元(IMU)预积分约束构建激光惯性紧耦合的里程计系统。实验结果表明,通过在KITTI数据集上测试,与其他激光惯性里程计算法相比,提出算法的相对位姿误差可平均降低17.1%,绝对位姿误差可平均降低11.3%。 展开更多
关键词 激光雷达(LiDAR) 激光惯性里程计 平面点 边缘点 因子图
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高鲁棒性两阶段激光雷达-惯性测量单元外参在线标定算法 被引量:4
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作者 林鑫 张捷 +2 位作者 冯景怡 孟杰 王书亭 《中国机械工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第24期2980-2989,共10页
针对车辆在近似平面上运动时,退化的传感器数据难以标定外参的问题,提出了一种高鲁棒性两阶段激光雷达-惯性测量单元(LiDAR-IMU)外参在线标定算法。标定算法包括剔除外点的解析解初值计算和非线性滑窗在线迭代优化两个阶段。第一阶段剔... 针对车辆在近似平面上运动时,退化的传感器数据难以标定外参的问题,提出了一种高鲁棒性两阶段激光雷达-惯性测量单元(LiDAR-IMU)外参在线标定算法。标定算法包括剔除外点的解析解初值计算和非线性滑窗在线迭代优化两个阶段。第一阶段剔除预数据集中的外点,以滑动窗口的形式多次求解只包含旋转分量的手眼标定模型,并改进解析解筛选的条件,求解出多解加权旋转外参的SVD解析解。第二阶段最小化包含外参的残差函数,以旋转解析解为初值滑动窗口迭代优化六自由度外参,使外参快速收敛,并在退化运动和错误历史约束过大时固定外参,避免外参退化。与原始算法对比,该算法对退化的传感器数据具有鲁棒性,可在无外参初值的情况下实现精准鲁棒地在线标定外参。 展开更多
关键词 激光雷达-惯性测量单元 外参标定 外点剔除 退化运动 固定外参
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基于双目-惯性-深度融合的船舶清洗ROV定位系统
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作者 班慧军 武建国 +2 位作者 王晓鸣 梁胜国 孙通帅 《舰船科学技术》 北大核心 2025年第19期94-98,共5页
为了提高视觉惯性里程计在船舶清洗机器人上的定位精度,提出一种融合了双目相机、惯性测量单元和深度传感器的水下定位系统。首先,使用基于灰度世界的白平衡算法与暗通道先验算法对双目图像进行预处理,恢复水下图像真实色彩并进行去雾操... 为了提高视觉惯性里程计在船舶清洗机器人上的定位精度,提出一种融合了双目相机、惯性测量单元和深度传感器的水下定位系统。首先,使用基于灰度世界的白平衡算法与暗通道先验算法对双目图像进行预处理,恢复水下图像真实色彩并进行去雾操作,提高特征提取与匹配精度;然后建立深度传感器数学模型,并将深度数据与视觉关键帧进行对齐,从而在视觉惯性联合优化中加入深度约束,获得高精度位姿估计。试验结果表明,相比于ORB-SLAM3-VIO,本文所提双目-惯性-深度里程计的平均均方根误差减小了41.6%。 展开更多
关键词 船舶清洗ROV 水下定位 双目-惯性-深度里程计 图像恢复 联合优化
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旋转捷联惯导系统辅助的多线激光雷达新型SLAM方法 被引量:2
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作者 吕润 李冠宇 +3 位作者 亓霈 钱伟行 汪澜泽 冯太萍 《计算机科学》 CSCD 北大核心 2022年第S02期961-965,共5页
针对惯性传感器精度低下影响基于激光雷达/惯性信息融合的同时定位与建图(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)技术性能的问题,提出了一种旋转捷联惯导系统辅助下的多线激光雷达SLAM优化方案。该方案探讨了基于模糊自适应卡尔... 针对惯性传感器精度低下影响基于激光雷达/惯性信息融合的同时定位与建图(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)技术性能的问题,提出了一种旋转捷联惯导系统辅助下的多线激光雷达SLAM优化方案。该方案探讨了基于模糊自适应卡尔曼滤波的旋转捷联惯导对准方法,在载体运动过程中完成载体姿态与惯性传感器误差的实时修正;在此基础上,将修正后的惯性传感器数据与激光雷达点云数据进行紧耦合模式下的信息融合,以提高载体在复杂场景中运动时定位与建图的精度和实时性。实验结果表明,基于旋转惯导与多线激光雷达信息融合的SLAM方案,在保证运算实时性的同时,有效提高了激光雷达/惯性里程计的定位性能,以及点云地图的准确性。 展开更多
关键词 旋转惯导 模糊自适应卡尔曼滤波 多线激光雷达 同步定位与建图 激光雷达/惯性里程计
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基于双目视觉-惯性导航的轻型无人机导航算法 被引量:8
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作者 刘全攀 王正杰 王寰 《兵工学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第S02期241-248,共8页
由于战场环境的复杂性,轻型无人机在全球导航卫星系统(GNSS)信号拒止环境中的导航算法显得至关重要。提出一种基于非线性优化的双目视觉-惯性导航(简称视觉-惯导)里程计,使轻型无人机在续航能力和机载计算能力有限的情况下,能够在GNSS... 由于战场环境的复杂性,轻型无人机在全球导航卫星系统(GNSS)信号拒止环境中的导航算法显得至关重要。提出一种基于非线性优化的双目视觉-惯性导航(简称视觉-惯导)里程计,使轻型无人机在续航能力和机载计算能力有限的情况下,能够在GNSS信号拒止的未知室内或者室外环境中展现出快速、自主、灵巧的飞行。该算法由惯性测量单元(IMU)的预积分开始,其中IMU的测量值通过预积分在多个图像帧之间累积。在初始化过程中,采用基于特征的多视图几何(MVG)理论,对初始速度、重力方向和陀螺仪偏差进行估计。在视觉-惯导联合初始化收敛后,将IMU测量值与双目视觉观测值融合,得到高精度的立体视觉-惯导里程计。新方法在EuRoC数据集上得到了验证,实验结果表明,在具有挑战性的环境中,所提算法具有更高的精度和鲁棒性。 展开更多
关键词 轻型无人机 双目视觉 视觉-惯性导航里程计 惯性测量单元
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基于平面特征的LIO增强GNSS RTK定位性能研究 被引量:1
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作者 孙之远 李星星 +1 位作者 汪世文 李圣雨 《导航定位学报》 CSCD 北大核心 2024年第1期12-20,共9页
针对应用单一传感器的智能导航定位技术在城市复杂环境下难以满足准确、无缝和稳定性能要求的问题,提出一种基于平面特征的雷达惯性里程计(LIO)增强全球卫星导航系统(GNSS)实时动态定位技术(RTK)定位性能的方法:通过滑动窗口构建多帧激... 针对应用单一传感器的智能导航定位技术在城市复杂环境下难以满足准确、无缝和稳定性能要求的问题,提出一种基于平面特征的雷达惯性里程计(LIO)增强全球卫星导航系统(GNSS)实时动态定位技术(RTK)定位性能的方法:通过滑动窗口构建多帧激光雷达(LiDAR)平面特征的关联;并将RTK与LIO在位置域层面直接融合;最后在开阔环境和城市环境中进行实验。结果表明,RTK/惯性导航系统(INS)/LiDAR组合系统能够在GNSS挑战环境中达到分米级精度;同时,在LiDAR平面特征的约束下,该方法速度和姿态的估计性能也可得到改善。 展开更多
关键词 多传感器融合 实时动态差分定位技术(RTK) 激光雷达(LiDAR) 雷达惯性里程计(LIO) 惯性导航系统(INS)
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基于级联优化和强度特征的地下退化环境机器人自主精准定位 被引量:1
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作者 崔玉明 刘送永 +2 位作者 吕振礼 李洪盛 王崧全 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第12期208-216,共9页
随着国家深地能源战略和地下基础工程的部署展开,自主移动机器人在地下矿山、工程隧道和地下管道等领域的需求快速增长。地下自主作业机器人所处环境复杂,普遍面临卫星定位信号拒止和场景退化特征,导致机器人位姿状态估计误差漂移严重... 随着国家深地能源战略和地下基础工程的部署展开,自主移动机器人在地下矿山、工程隧道和地下管道等领域的需求快速增长。地下自主作业机器人所处环境复杂,普遍面临卫星定位信号拒止和场景退化特征,导致机器人位姿状态估计误差漂移严重、环境地图构建扭曲变形。针对地下退化环境机器人状态估计不完备的问题,提出一种精准、鲁棒的激光雷达-惯性同时定位与建图(SLAM)框架和方法,组合惯性里程计和激光雷达-惯性里程计级联优化过程,并在激光雷达点云特征匹配中引入强度特征降低点云几何特征稀疏引起的匹配误差,并通过退化检测引入正确的约束方向,保证位姿估计信息的鲁棒性和准确性。公开数据集和现场巷道实验结果表明,所提方法在精度、鲁棒性方面均有出色表现,在地下巷道退化环境的定位精度可达0.03 m,可为地下退化环境机器人提供可靠的状态估计和环境描述。 展开更多
关键词 自主定位 激光雷达-惯性里程计 强度特征 级联优化
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智能割草机RTK-VIO融合定位算法
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作者 李嘉诚 冀杰 +2 位作者 王世霁 赵立军 任玥 《西南大学学报(自然科学版)》 2025年第11期152-162,共11页
智能割草机作业过程振动噪声大、缺乏闭环路径,且作业环境图像纹理高度重复,导致单一的视觉-惯性里程计(Visual-Inertial Odometry,VIO)方法易出现定位漂移甚至丢失的情况。针对此问题提出一种融合实时动态定位(Real-Time Kinematic,RTK... 智能割草机作业过程振动噪声大、缺乏闭环路径,且作业环境图像纹理高度重复,导致单一的视觉-惯性里程计(Visual-Inertial Odometry,VIO)方法易出现定位漂移甚至丢失的情况。针对此问题提出一种融合实时动态定位(Real-Time Kinematic,RTK)和VIO的紧耦合定位方法,通过构建RTK残差项的计算方法和RTK-VIO联合初始化方法,在低频、高精度工况下实现RTK定位与VIO定位的紧耦合,同时保证系统运行的实时性。以智能割草机为研究对象,搭载频率为1 Hz的RTK接收机、每秒15帧的双目视觉传感器以及频率为200 Hz的IMU(Inertial Measurement Unit)传感器,并在简单、一般、困难3种不同难度工况的作业路径中进行实地实验验证。实验结果表明:融合定位方法优于单一的VIO定位方法,其绝对位姿误差均值分别降低了0.288 m、1.015 m、0.128 m,均方根误差分别降低了0.221 m、0.926 m、0.137 m,且在实时性方面引入的额外处理延迟小于10 ms。 展开更多
关键词 智能割草机 融合定位 实时动态定位 视觉-惯性里程计
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基于相机状态方程多模增广的改进MSCKF算法 被引量:5
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作者 齐乃新 张胜修 +2 位作者 杨小冈 李传祥 曹立佳 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第5期89-98,共10页
针对基于多状态约束卡尔曼滤波(MSCKF)的视觉-惯性里程计算法中相机状态方程增广过程的误差累积问题,提出了一种相机状态方程多模增广方法。该方法首先对视觉特征跟踪状态的稳定性进行判断,然后自动地选择基于视觉图像信息优化求解相机... 针对基于多状态约束卡尔曼滤波(MSCKF)的视觉-惯性里程计算法中相机状态方程增广过程的误差累积问题,提出了一种相机状态方程多模增广方法。该方法首先对视觉特征跟踪状态的稳定性进行判断,然后自动地选择基于视觉图像信息优化求解相机相对位姿参数或基于惯性传感器(IMU)状态递推结果联合相机外参初始化新图像帧相机位姿参数两种途径增广相机的状态方程,解决特征跟踪状态稳定情况下IMU误差的累积问题。实验部分通过EuRoC数据和实际应用数据对算法的性能进行了验证分析,结果表明,改进后的MSCKF算法能够在特征跟踪稳定状态下有效避免IMU误差的累积,进一步融合视觉与惯性系统之间的互补优势,提高载体的定位定向精度和稳定性。 展开更多
关键词 视觉-惯性里程计 多状态约束扩展卡尔曼滤波器 视觉里程计 位姿图优化
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