大尺度环境中自主式水下机器人同时定位与地图构建算法研究

【摘要】自主式水下机器人（AUV）无疑将发展成为未来海洋监测和调查的主要工具。目前AUV导航定位主要依赖声学基线技术，综合费用大、工作范围小、费时费力，是阻碍其广泛应用的主要瓶颈。本文旨在探索AUV在脱离外部支持框架下，采用同时定位与地图构建（SLAM）方法实现未知环境中的自主导航定位。SLAM方法在小尺度环境下已经得到成功应用，然而将其应用于大尺度环境AUV的自主导航与定位仍需攻克三个难点：一是算法数据关联问题；二是算法估计一致性问题；三是算法计算复杂度问题。本文即围绕这三个核心问题开展研究工作。针对传统单一兼容最近邻（ICNN）和联合兼容分枝界定（JCBB）数据关联算法的缺陷，本文提出一种适用于大尺度环境中的SLAM数据关联算法迭代分类匹配（ICM）方法。ICM通过使用四元数方法从初次关联成功的测量-地图特征集中提取出二者间的最小二乘匹配向量，并将该向量用于对初次关联失败的地图特征集进行匹配更新，以此来削弱不精确的机器人位姿估计对数据关联结果的影响。更新后的初次关联失败测量-地图特征集作为输入再次进行数据关联直到满足均方误差检测。仿真及维多利亚公园数据集实验验证了ICM算法是一种适用于大尺度环境的SLAM数据关联算法。为了解决大尺度环境中SLAM算法易出现估计不一致问题，在对经典EKF-SLAM系统进行可观测性分析基础上，总结出系统可观测性与系统一致性之间的关系，揭示SLAM算法出现估计不一致问题的深层原因。通过引入局部一致性的概念，设计出一种满足局部一致性约束的LCEKF-SLAM估计器。仿真及海试实验将LCEKF-SLAM与传统的以及当前比较流行的几种估计器进行了详细比较，估计误差、一致性和算法计算复杂度三方面的实验结果均显示出LCEKF-SLAM估计器的优越性。为满足AUV-SLAM在大尺度环境中实时应用的需求，提出一种基于子地图思想的混合SLAM方法，其具体内容包括：局部子地图建立过程采用添加了局部一致性约束的LCEKF-SLAM估计器，并引入多约束子地图建立策略；局部子地图联结过程则选择计算效率较高的SEIF算法，并引入D&C子地图联结策略进一步降低整个算法的计算复杂度。仿真、维多利亚公园数据集和海试实验证实基于子地图思想的混合SLAM方法在极大降低算法计算复杂度的同时，还兼顾算法的精确性和一致性。论文最后对全部研究工作进行了总结，并提出工作的不足以及今后可以改进的地方。
【作者】张书景；
【导师】元光；何波；
【作者基本信息】中国海洋大学，海洋信息探测与处理，2014，博士
【关键词】大尺度环境；自主式水下机器人；同时定位与地图构建；一致性；子地图；

【参考文献】
[1]刘常春.新中国法治建设的历程[D].华东师范大学,马克思主义理论与思想政治教育,2002,硕士.
[2]周建伟,王亮,卢山,刘东红.罐头食品热杀菌工艺仿真平台设计与开发[J].中国食物与营养,2014,07:39-41.
[3]龙振兴.二手住房市场保留价格形成机理研究[D].清华大学,管理科学与工程,2013,硕士.
[4]杨玉华.冀南扇鼓舞研究[D].中国艺术研究院,舞蹈学,2014,硕士.
[5]连爱萍.城市动态网络交通流分配及相关问题的研究[D].北京交通大学,2007.
[6].中国医师协会器官移植医师分会成立[J].中华移植杂志(电子版),2014,04:224.
[7]李颖.城市湖泊景观可持续营造研究[D].东北农业大学,园林植物与观赏园艺,2013,硕士.
[8]郭庆锋.地税机关人员绩效考核体系研究[D].湖南师范大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[9]覃兰静.大学生思想政治教育项目化管理模式探究[J].中国教育学刊,2014,S3:103-104+107.
[10]陈涛.深层网络信息资源分析与获取策略研究[D].东北师范大学,2005.
[11]刘雪妮.食品零售商的质量安全信息传递问题研究[D].山东师范大学,区域经济学,2013,硕士.
[12]余哲.区域投资规范及其对多边投资协定的影响[D].华东政法学院,国际法,2004,硕士.
[13]周伟文.区域性公共产品PPP模式的制度安排与创新研究[D].南京师范大学,西方经济学,2012,硕士.
[14]张凯.纳米材料化学修饰碳糊电极的构筑及应用[D].郑州大学,2014.
[15]李璇.女性高层任职对上市公司过度投资治理作用的研究[D].南京财经大学,会计学,2013,硕士.
[16]马兆峰.基于新型人工电磁介质的吸波应用研究[D].浙江大学,光学工程,2014,硕士.
[17]张立.纳米组装体的可控制备及其在细胞成像分析中的应用研究[D].西南大学,2010.
[18]张华.论无单放货责任的诉讼时效[D].吉林大学,法律,2013,硕士.
[19]范云鹏.黄芪有效成分提取与增值转化技术研究[D].天津大学,材料学,2004,硕士.
[20]赵欣慧.我国优秀男子乒乓球运动员处理关键分运用的技战术分析[D].天津体育学院,体育教学（专业学位）,2013,硕士.
[21]寇敏.公共旅游资源经营模式研究[D].青岛大学,旅游管理,2004,硕士.
[22]姜丽华.农业科研机构科技创新能力评价的理论与方法研究[D].中国农业科学院,作物信息科学,2014,博士.
[23]杨逸晴.山东电力集团公司EAP体系构建研究[D].山东大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[24]李慧灵.能源企业社会责任与财务绩效的相关性研究[D].吉林大学,会计学,2014,硕士.
[25]杨娜.中英养老保险制度改革比较研究[D].上海工程技术大学,社会保障,2010,硕士.
[26]王明凯.利益网络下的白村赢利型经纪研究[D].中共中央党校,中外政治制度,2013,硕士.
[27]李宁致,徐兰芳.分布式数据挖掘的隐私保持[J].网络安全技术与应用,2005,10:78-80.
[28]郭振东.社区矫正现状与对策研究[D].华南理工大学,法律（专业学位）,2012,硕士.
[29]付轶.我国大学本科生导师制研究[D].华中师范大学,高等教育学,2013,硕士.
[30]李昌键.北京市公共支出规模与经济增长关系的实证研究[D].首都经济贸易大学,国民经济学,2014,硕士.
[31]张梅莹.三焦经穴排刺治疗中风后上肢痉挛性瘫痪的临床研究[D].黑龙江中医药大学,针灸推拿学（专业学位）,2014,硕士.
[32]李景春.ZQJ-230E氦质谱检漏仪使用中的特殊问题处理[J].一重技术.2002(04)
[33]刘显著.炉温预测及智能控制的研究和实现[D].浙江大学,2003.
[34]吕立召.非序贯蒙特卡洛改进法在电网运行方式风险评估中的应用[D].湖南大学,电气工程,2011,硕士.
[35]张红方.基于HHT方法的大型风力机叶片动态响应特性分析[D].华北电力大学,热能工程,2012,硕士.
[36]张艳丽.论英美法中合同的履行时间[D].对外经济贸易大学,法律,2004,硕士.
[37]郭华.高层建筑结构有限元分析[D].太原理工大学,结构工程,2004,硕士.
[38]李敏.副词“还”研究综述[D].东北师范大学,汉语言文字学,2012,硕士.
[39]韩晶.我国西部开发中生态安全风险预防法律制度研究[D].中国地质大学（北京）,环境与资源保护法学,2014,硕士.
[40]王震.全球化的发展趋势及其对我国的影响[J].品牌(下半月),2015,02:49.
[41]蒋忠中,汪定伟.有时间窗车辆路径问题的捕食搜索算法[J].控制与决策,2007,01:59-62+68.
[42]格明福.审美意识形态：从路易·阿尔都塞到特里·伊格尔顿[D].广西师范大学,文艺学,2003,硕士.
[43]吕明昊.两类高斯过程的KARHUNEN-LOèVE展开及其大小偏差估计[D].哈尔滨工业大学,概率论与数理统计,2013,硕士.
[44]饶睿.价值工程在矿山机械企业低碳生产中的应用研究[D].北方工业大学,企业管理,2014,硕士.
[45]高振兴.利率市场化背景下我国商业银行贷款利率风险管理研究[D].天津商业大学,金融学,2013,硕士.
[46]李文魁.电力系统状态估计及不良数据检测与识别研究[D].南京航空航天大学,通信与信息系统,2004,硕士.
[47]方欢欢.个人心理与社会现实—爱伦坡恐怖小说创作动因[D].安徽大学,英语语言文学,2013,硕士.
[48]肖嫚.战略性新兴产业发展的科技金融创新模式研究[D].武汉理工大学,工商管理,2012,硕士.
[49]冯庆华,陈菊红,刘通.基于模糊双合作博弈的收益分配模型[J].控制与决策,2013,05:701-705.
[50]祖英利.液压挖掘装载机WZ30-25反铲装置仿真优化[D].吉林大学,2005.