[發明專利]一種基于二階矩保持傳播算法的拓撲地圖融合方法及系統

在審

• 申請號: 201611055890.1
• 申請日: 2016-11-25
• 公開（公告）號: CN106651821A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 姜竹青;張光華;陳曦;曲芮;張北航;門愛東;楊波
• 申請（專利權）人: 北京郵電大學
• 主分類號: G06T5/50
• 分類號: G06T5/50
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司11002
• 代理人: 湯財寶

技術領域

本發明涉及拓撲地圖融合領域，更具體地，涉及一種基于二階矩保持傳播算法的拓撲地圖融合方法及系統。

背景技術

目前，SLAM(simultaneous localization and mapping，即時定位與地圖構建，或并發建圖與定位)是探索未知環境并融合傳感器數據，并生成一個全局地圖的過程，可以檢測機器人的位姿并建立環境地圖。

移動機器人能夠在環境中進行自主探索和自身定位，針對單機器人的SLAM來說已經有大量的文獻，但是多機器人對未知環境的探索卻沒有受到同樣的關注，它相對單機器人有以下幾項顯著優點：探索和地圖構建都可以進行得更迅速；構建的分布式系統的魯棒性更強；由于數據的冗余，結果往往更準確。

多機器人SLAM在帶來諸多好處的同時，也在實現當中帶來了新的挑戰，其中有兩個主要的問題需要克服：首先是在不知道全局地圖基礎坐標時的地圖融合，其次是在地圖融合過程中產生的不確定性。

對于高水平的推演和信息共享來說，首先需要將地圖抽象成幾何結構是基礎。當使用多個機器人對未知環境進行探索并合作建立地圖時，需要提供一個基礎的邏輯結構，讓機器人得以儲存它們各自的局部空間結構，并能在該結構下使用共享信息。如果地圖中的顯著性信息得以提取并在機器人之間共享的話，計算速度和共有地圖的準確度都會增加，而且在溝通過程中也不會有大量未處理數據占據空間。

拓撲地圖是一種使用連通路徑和交叉節點的抽象表示方法。人類和昆蟲經常使用拓撲地圖來進行導航，計算路徑和位置，以及避免障礙。例如，鴿子已經被證實在飛行長距離時，使用高速公路和它們的交叉點來作為拓撲地圖。

合作性SLAM可以根據是共享原始傳感器數據還是共享處理后的地圖分為兩種。共享原始傳感器數據可以獲得更大的靈活性，但是需要機器人之間的通信更可靠，并且需要更寬的帶寬和更高的處理能力。共享地圖有助于減少帶寬并且減少對原始數據的處理，但是，性能主要依賴于地圖質量。

此外，多機器人的SLAM也可以根據測量數據的方法來進行分類。在基于特征的SLAM中，一般是使用照相機來進行數據采集，并從測量之中提取獨特性物體作為特征或地標，以用于定位。特征的空間分布可以作為全局環境的一個表現方式。另一種方法叫做基于視圖的SLAM[，這種方法主要采用的是激光掃描的方法獲取數據。

Thrun提出了一種概率的多機器人SLAM算法。這種方法是魯棒的，但是在進行具體的任務之前，我們需要得知機器人的近似初始位置。

基于視圖的多機器人SLAM是由Howard提出的，它假定，多個機器人需要在環境中相遇來確定相對位姿，這種算法的計算速度一般，但是需要比較高的計算能力，因為它是基于粒子濾波。

對于多機器人SLAM來說，有一類有效且快速的方法是基于地圖融合的概念提出的。Howard提出了一種基于占用地圖融合的算法。這種算法使用地圖中的距離作為相似參數，并通過一種隨機游走算法來找到兩幅地圖中的相似模式。這種方法的缺點是，當兩幅地圖中的相似模式比較少時容易失敗。而且由于這種方法比較耗時，所以對于室內環境中的大范圍地圖很有可能會效率低下。之后還提出了一個相似的方法，它使用模擬退火的方法進行地圖融合，但是當兩幅圖像的重疊較少時，該方法也會變得效率很低。

總結來看，雖然針對多機器人SLAM提出過多樣的拓撲方法，但是這些方法有的效率低下，有的準確度較低，并且并沒有之前的算法針對非線性轉換過程中存在的不確定度提出切實有效的方法進行解決。

發明內容

本發明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的基于二階矩保持傳播算法的拓撲地圖融合方法及系統。

根據本發明的一個方面，提供一種基于二階矩保持傳播算法的拓撲地圖融合方法，包括：

S1，基于概率性廣義Voronoi圖方法對不同地圖進行融合；

S2，通過二階矩保持傳播方法消除地圖融合的非線性不確定度。

S1進一步包括：

S1.1，利用Radon變換方法獲取兩幅地圖之間的相對旋轉角度；

S1.2，利用概率性廣義Voronoi圖方法提取兩幅地圖的拓撲骨架，獲取兩幅地圖之間的平移矩陣；

S1.3，根據所述相對旋轉角度和所述平移矩陣對兩幅地圖進行融合處理。

S2進一步包括：

S2.1，根據融合之后的地圖的顯著點進行撒點采樣，獲取采樣點集；

S2.2，通過非線性變換傳遞所述采樣點的不確定度，獲得新采樣點集；