[發明專利]一種封閉環境下輕量級視覺和慣性疊加行人定位和構圖方法

在審

• 申請號: 202210434839.0
• 申請日: 2022-04-24
• 公開（公告）號: CN115017784A
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 崔巖;熊智;丁一鳴;彭政;王婕;李曉東;孫銀收;劉晨;張玲;張苗;陳芷心;李婉玲;曹志國;王征淳
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/25
• 分類號: G06F30/25;G06K9/62;G06F16/29;G06F16/22
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種封閉環境下輕量級視覺和慣性疊加行人定位和構圖方法，通過蒙特卡洛法對N個粒子的t時刻行人位姿s_t進行預測采樣使用VLAD算法進行當前圖像I_i特征提取f_VLAD(I_i)并與已有圖像特征f(I)進行匹配，得到匹配的粒子位姿對序列根據位姿對每個粒子構建柵格地圖Θ^[m]并建立地圖觀測模型并結合匹配的粒子位姿對序列進行粒子權重更新，實現定位和構圖誤差的修正。本發明可以在低成本處理器中實現基于行人的視覺和慣性實時定位和構圖，降低了視覺和慣性行人定位系統的成本，適合于工程應用。

技術領域

本發明屬于視覺和慣性行人導航系統技術領域，具體涉及一種封閉環境下輕量級視覺和慣性疊加行人定位和構圖方法。

背景技術

在地鐵、地下管道、礦井等特殊復雜的場景下，特種作業人員通常處于封閉環境中。因導航衛星信號容易被干擾、遮蔽且信號不連續，衛星導航難以滿足特種作業人員的定位需求。其次，環境未知且復雜，作業人員需要實時掌握當前環境地圖信息，這對定位導航系統的環境感知能力提出了新的挑戰。

基于慣性傳感器的導航定位技術具有體積小、成本低、功耗低、抗干擾性強的特性，但由于傳感器噪聲等因素，其定位誤差隨時間累積。因此，在行人運動過程中如何消除慣性系統的累積誤差，實現封閉環境下長時間穩定可靠的行人定位對于提高慣性行人定位系統的實用性具有重大意義。

即時定位與構圖(SLAM)算法是一種在定位的同時構建環境地圖，在利用構建的地圖修正定位誤差的方法，能夠在封閉環境中有效消除定位系統的累積誤差，可以彌補慣性導航系統誤差隨時間累積的缺點。然而目前以視覺、激光雷達等傳感器件為核心的SLAM系統體積大、成本高，對信息處理系統的運算能力要求高，難以普及應用在行人定位中。因此構建輕量級視覺和慣性疊加行人SLAM框架，在保證視覺和慣性融合導航系統的高精度定位性能的同時，實現長續航、高可靠性、低成本的輕量化行人實時定位與構圖系統具有突出的應用價值。

發明內容

發明目的：本發明提供了一種封閉環境下輕量級視覺和慣性疊加行人定位和構圖方法，能夠在地鐵、地下管道、礦井等封閉空間中，滿足基于行人的低成本、高精度、高可靠性的實時定位與導航的需求。

技術方案：本發明所述的一種封閉環境下輕量級視覺和慣性疊加行人定位和構圖方法，包括以下步驟：

(1)使用N個粒子通過蒙特卡洛采樣方法對t時刻行人位姿s_t進行預測采樣

(2)基于VLAD算法對當前位姿s_t對應的圖像I_i進行特征提取f_VLAD(I_i)并與圖像特征序列A_I中的圖像特征進行匹配，如果圖像特征匹配成功，則對于每一個粒子根據位姿序列進行匹配點對篩選，得到匹配的粒子位姿對序列

(3)根據第m個粒子t時刻位姿更新該粒子的柵格地圖Θ^[m]，根據柵格地圖Θ^[m]中的柵格占用次數建立地圖觀測模型；

(4)根據粒子位姿對序列計算粒子圖像匹配概率

(5)結合步驟(3)得到的地圖觀測模型進行粒子的權重更新，實現對定位和構圖誤差的修正。

進一步地，所述步驟(1)包括以下步驟：

(11)如果t時刻為初始時刻t₀，則對N個粒子進行初始位姿賦值：

式中為初始時刻行人x、y方向坐標，為初始時刻行人航向角，上標[m]代表第m個粒子，上標T代表矩陣的轉置；