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面向室内助盲导航的语义拓扑地图构建技术研究

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面向室内助盲导航的语义拓扑地图构建技术研究

作者：刘可北京化工大学

学位级别：硕士

随着我国盲人群体逐年增加,其日常出行问题受到了广泛关注。使用导盲犬、盲杖等方式不能满足盲人的实际出行需求,应用导航技术显得尤为重要。然而,当前的助盲导航技术过度依赖于稠密的先验地图,现实的陌生环境很难获取,尤其盲人不具备... 详细信息

随着我国盲人群体逐年增加,其日常出行问题受到了广泛关注。使用导盲犬、盲杖等方式不能满足盲人的实际出行需求,应用导航技术显得尤为重要。然而,当前的助盲导航技术过度依赖于稠密的先验地图,现实的陌生环境很难获取,尤其盲人不具备大范围环境的探索能力,难以通过重复行走构建满足导航要求的地图。因而,针对室内建筑的平面布局图构建语义拓扑地图具有重要的现实意义。本文利用深度学习技术提取平面布局图中语义信息,对融合语义信息的拓扑地图构建技术展开研究,主要研究内容如下:首先,研究基于深度学习的平面布局图语义分割技术,结合VGGNet与编解码器方法构建网络模型。针对实际场景捕获图片存在角度倾斜、光线变化等复杂情况,对公开数据集进行数据增强。通过实验验证基于深度学习的语义分割算法较经典边缘检测算法的高效性,以及数据增强对模型鲁棒性能的提升。其次,结合所提的语义分割技术及OCR技术,设计了一种基于平面布局图的语义拓扑地图构建方法。针对平面布局图构建文本识别数据集,采用Mask R-CNN文本检测算法和SAR文本识别算法提取平面布局图的文本信息,通过对比实验验证模型的有效性;基于平面布局图的语义分割结果提取边缘信息并构建房间连通关系,进而根据房间位置将边缘信息与文本信息融合,构建语义拓扑地图并验证其连通性。最后,利用本文构建的语义拓扑地图,结合基于强化学习的分段避碰导航技术,分别在仿真环境与真实场景下进行导航实验,验证本文研究的语义拓扑地图构建技术的可行性。

关键词：深度学习语义分割拓扑地图 OCR技术

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基于拓扑地图的自主泊车路径协调与优化策略

中国公路学报 2021年第1期34卷 177-187页

作者：王永胜罗禹贡黄晨陈锐江发潮中国农业大学工学院北京100083 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室北京100084

为了使全局路径与泊车路径无偏差对接,得到曲率连续的可行驶路径,为泊车模式切换提供精准位姿,提出基于拓扑地图的自主泊车路径协调与优化策略。首先,定义一种精简的停车场拓扑地图描述形式与道路拓扑设计原则,通过采集停车场内关键特... 详细信息

为了使全局路径与泊车路径无偏差对接,得到曲率连续的可行驶路径,为泊车模式切换提供精准位姿,提出基于拓扑地图的自主泊车路径协调与优化策略。首先,定义一种精简的停车场拓扑地图描述形式与道路拓扑设计原则,通过采集停车场内关键特征的定位数据建立停车场拓扑地图。其次,基于道路拓扑设计原则与泊车规划原则,设计"第1次平滑处理-路径协调-第2次平滑处理"的流程,对规划出的全局路径与泊车路径进行协调与优化。其中,"第1次平滑处理"利用对称极多项式,以车辆最小转向半径为约束,对全局路径的转折处平滑处理;"路径协调"通过节点替换的方式实现全局路径与泊车路径的无偏差对接;"第2次平滑处理"利用梯度下降的方法,分别优化前进段与倒车段的路径曲率,消除路径对接与均匀插值之后引起的曲率抖动。最后,在PreScan/Simulink联合仿真平台和实车试验平台上,验证路径协调与优化策略的有效性。研究结果表明:所提策略能够无偏差对接全局路径与泊车路径,并生成曲率平滑的可行驶路径,为横向控制提供了平滑变化的曲率值,有助于提高路径跟踪时转向的平稳性;在路径跟踪前为自主泊车控制系统提供了精准的泊车切换位姿,保证了低速自动驾驶与自动泊车之间的准确切换。

关键词：汽车工程路径规划路径协调与优化策略自主泊车系统拓扑地图

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拓扑地图的路口局部路径生成策略

汽车实用技术 2023年第12期48卷 39-43页

作者：王玉龙张剑锋闵欢覃小艺李智广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院广东广州510641 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室湖南长沙410082

交叉路口是自动驾驶开发过程中面临的复杂交通场景,采用高精度地图方案成本高昂,而仅通过车载传感器难以有效识别路口形状,因此,提出了一种基于开源拓扑地图与视觉可行驶区域检测技术的路口局部路径规划算法。首先,基于开源拓扑地图采... 详细信息

交叉路口是自动驾驶开发过程中面临的复杂交通场景,采用高精度地图方案成本高昂,而仅通过车载传感器难以有效识别路口形状,因此,提出了一种基于开源拓扑地图与视觉可行驶区域检测技术的路口局部路径规划算法。首先,基于开源拓扑地图采用A*算法规划全局导航路径作为引导线,然后通过语义分割技术识别当前可行驶区域,并结合车辆实时定位信息,在路口确定局部路径的起点、终点与一组备选控制点,最后采用贝塞尔曲线插值方法,得到备选路径的曲线簇,根据多维度加权代价函数结果选取最优局部路径,进而实现车辆在路口转弯过程的自动驾驶。实验结果表明,该策略能够在不依赖高精地图的情况下,在路口处有效规划出局部路径,提高自动驾驶车辆在路口处的通过能力,路口通过率可达99%。该策略不依赖高精地图和激光雷达,对于自动驾驶量产降本具有重大意义。

关键词：自动驾驶局部路径规划交叉路口拓扑地图计算机视觉

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大规模环境下的拓扑地图创建与导航

机器人 2007年第5期29卷 433-438页

作者：石朝侠洪炳镕周彤王燕清哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院黑龙江哈尔滨150001 哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院黑龙江哈尔滨150080

提出了一种新型拓扑地图;该地图用激光的扇区特征和视觉的比例不变特征来联合表示节点.与传统地图相比,该地图在创建过程中不依赖任何人工路标和机器人的全局定位.机器人通过综合考虑单个节点的相似度和不同节点间的空间关系,利用隐马... 详细信息

提出了一种新型拓扑地图;该地图用激光的扇区特征和视觉的比例不变特征来联合表示节点.与传统地图相比,该地图在创建过程中不依赖任何人工路标和机器人的全局定位.机器人通过综合考虑单个节点的相似度和不同节点间的空间关系,利用隐马尔可夫模型来提高节点的识别率.实验表明,该地图不仅易于创建和维护,而且适用于机器人在大规模室内环境下的自主导航.

关键词：地图创建自主导航拓扑地图比例不变特征隐马尔可夫模型

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基于虚拟门检测的室内拓扑地图构建

吉林大学学报（工学版） 2020年第3期50卷 1017-1023页

作者：祁贤雨王巍张啸宇廖子维李明博袁梅北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191 北京进化者机器人科技有限公司北京100192

为构建以房间为节点的拓扑地图,针对常见的室内半结构化环境,提出了一种基于虚拟门检测的拓扑分割方法。该方法中,虚拟门是环境中真实门的可能位置。首先,依据主方向投票器提取房间主方向。然后,结合占据栅格地图和机器人构建地图时的... 详细信息

为构建以房间为节点的拓扑地图,针对常见的室内半结构化环境,提出了一种基于虚拟门检测的拓扑分割方法。该方法中,虚拟门是环境中真实门的可能位置。首先,依据主方向投票器提取房间主方向。然后,结合占据栅格地图和机器人构建地图时的轨迹信息,在主方向上检测满足真实门宽度的占据栅格。最后,依据连通域分析法,完成拓扑地图构建。在真实环境中的多个场景对本文方法进行测试,结果表明,该方法具有较高的房间分割准确率和分割效率,超参数易于调节。

关键词：计算机应用移动机器人室内半结构化环境虚拟门检测拓扑地图拓扑分割房间分割

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基于新的图优化方法的拓扑地图创建

计算机与数字工程 2022年第10期50卷 2182-2186,2201页

作者：黄宏前石朝侠王燕清南京理工大学计算机科学与工程学院南京210094 南京晓庄学院信息工程学院南京211171

在机器人同时定位与地图构建(simultaneous localization and mapping,SLAM)过程中,图优化方法如捆绑约束(Bundle Adjustment,BA)通过对位姿误差的分布进行迭代优化同步提升机器人位姿和地图的准确性,但优化的过程需要较大的计算量。与... 详细信息

在机器人同时定位与地图构建(simultaneous localization and mapping,SLAM)过程中,图优化方法如捆绑约束(Bundle Adjustment,BA)通过对位姿误差的分布进行迭代优化同步提升机器人位姿和地图的准确性,但优化的过程需要较大的计算量。与度量地图相比,拓扑地图因其简洁的环境表示更加适用于大范围环境的自主导航。论文针对拓扑地图在线创建过程中的闭环检测问题提出一种新的图优化方法,该方法只采用里程计航迹推算信息,引入机械臂逆向运动学模型减小位姿跟踪和地图创建误差,并使用模拟退火算法实现变步长快速迭代。实验结果表明该方法具有如下优点:采用间断性运作模式,只是在拓扑节点位置进行图优化操作,适用于计算能力较弱的机器人建图应用;只利用节点间的相互位置关系完成闭环检测,如在此基础上增加场景匹配信息将极大提高地图创建的准确性。

关键词：同时定位与建图闭环检测机械臂拓扑地图

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拓扑地图介绍

地图 1989年第3期 39-42页

作者：华一新解放军测绘学院

一、拓扑地图的概念地球是球体,地图是平面,无论什么地图都会产生变形。通常情况下,制图的目的之一就是使这种变形尽量小。但有一类地图却不同,它是在保持图形拓扑关系的前提下,故意使地图变形,以突出表示地图的主要内容。例如,图1是一... 详细信息

一、拓扑地图的概念地球是球体,地图是平面,无论什么地图都会产生变形。通常情况下,制图的目的之一就是使这种变形尽量小。但有一类地图却不同,它是在保持图形拓扑关系的前提下,故意使地图变形,以突出表示地图的主要内容。例如,图1是一幅世界人口地图。

关键词：拓扑地图地图变形人口地图区域边界地图内容拓扑关系图把形状变形计算机制作制图数据

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基于激光传感器构建环境拓扑地图

传感器与微系统 2012年第9期31卷 64-66,70页

作者：苏丽颖宋华磊北京工业大学机电学院北京100124

地图构建是移动机器人在未知环境中实现导航任务的基础。利用激光传感器扫描数据构建环境边界的几何地图,并在构建环境几何地图的基础上,将传感器的扫描数据以机器人为中心分割成4个区域,并利用提出的中线法抽取机器人所处环境自由空间... 详细信息

地图构建是移动机器人在未知环境中实现导航任务的基础。利用激光传感器扫描数据构建环境边界的几何地图,并在构建环境几何地图的基础上,将传感器的扫描数据以机器人为中心分割成4个区域,并利用提出的中线法抽取机器人所处环境自由空间的拓扑地图。实验表明:该方法能有效、实时、紧凑地表示环境。

关键词：激光传感器移动机器人中线法拓扑地图

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面向移动机器人的拓扑地图自动生成

华中科技大学学报（自然科学版） 2008年第S1期36卷 163-166页

作者：樊征曹其新杨扬李长勇上海交通大学机器人研究所上海200240

提出了一种在区域内自动提取拓扑地图的混合算法.该算法通过定义拓扑点和线,在对已知环境定位的基础上,利用腐蚀法计算出所知环境的骨骼路径,应用区别算法区分出各个组成路径的拓扑点的属性值.考虑到在单独使用腐蚀法的情况下,无法准确... 详细信息

提出了一种在区域内自动提取拓扑地图的混合算法.该算法通过定义拓扑点和线,在对已知环境定位的基础上,利用腐蚀法计算出所知环境的骨骼路径,应用区别算法区分出各个组成路径的拓扑点的属性值.考虑到在单独使用腐蚀法的情况下,无法准确地得到机器人路径规划所需的关键驻点位置及方向等信息,提出了一种改进的图像骨骼化混合算法,并提出了实现完整拓扑地图的约束方法,对传统的路径规划方法做出了改进.仿真实验表明,该方法生成的拓扑地图克服了传统算法中的缺点,得到了较好的结果.

关键词：移动机器人导航腐蚀法路径规划混合算法拓扑地图