• ISSN 0258-2724
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基于卷积神经网络优化回环检测的视觉SLAM算法

郭烈 葛平淑 王肖 王东兴

郭烈, 葛平淑, 王肖, 王东兴. 基于卷积神经网络优化回环检测的视觉SLAM算法[J]. 西南交通大学学报, 2021, 56(4): 706-712, 768. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190723
引用本文: 郭烈, 葛平淑, 王肖, 王东兴. 基于卷积神经网络优化回环检测的视觉SLAM算法[J]. 西南交通大学学报, 2021, 56(4): 706-712, 768. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190723
GUO Lie, GE Pingshu, WANG Xiao, WANG Dongxing. Visual Simultaneous Localization and Mapping Algorithm Based on Convolutional Neural Network to Optimize Loop Detection[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2021, 56(4): 706-712, 768. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190723
Citation: GUO Lie, GE Pingshu, WANG Xiao, WANG Dongxing. Visual Simultaneous Localization and Mapping Algorithm Based on Convolutional Neural Network to Optimize Loop Detection[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2021, 56(4): 706-712, 768. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190723

基于卷积神经网络优化回环检测的视觉SLAM算法

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190723
基金项目: 国家自然科学基金(51975089,51575079);中国博士后科学基金项目(2018M641688);辽宁省教育厅科学研究经费项目(LJYT201915)
详细信息
    作者简介:

    郭烈(1978—),男,副教授,博士,研究方向为智能移动机器人、车辆动力学与控制,E-mail:guo_lie@dlut.edu.cn

    通讯作者:

    葛平淑(1983—),女,副教授,博士,研究方向为计算机视觉、智能车辆,E-mail:gps@dlnu.edu.cn

  • 中图分类号: TN911.73

Visual Simultaneous Localization and Mapping Algorithm Based on Convolutional Neural Network to Optimize Loop Detection

  • 摘要: 传统视觉即时定位与建图(SLAM)算法若无回环检测可能会存在累积误差无法消除的现象,即使有回环检测,也因准确率和效率比较低而无法应用于轻量级设备上,为此,研究一种回环检测优化的视觉SLAM算法. 前端估计时,对相邻帧图像进行ORB (oriented fast and rotated brief)特征提取与匹配,对匹配成功的特征点进行PnP (perspective-n-point)求解,获得相机运动估计并筛选出关键帧图像;后端优化时,利用SqueezeNet卷积神经网络 (CNN)提取图像的特征向量,计算余弦相似度判断是否出现回环,若出现回环则在位姿图中增加相应约束,利用图优化理论对全局位姿进行整体优化;最后利用项目组制作的数据集和TUM (technical university of munich)公开数据集进行测试与对比. 研究结果表明:相比于无回环检测算法,本文方法可以成功检测到回环并为全局轨迹优化增添约束;相比于传统词袋法,在回环检测准确率相同的情况下,本文方法召回率可提高21%且计算耗时减少74%;与RGB-D (red green blue-depth) SLAM算法相比,本文方法建图误差可降低29%.

     

  • 图 1  FAST角点示意

    Figure 1.  Diagram of FAST corner

    图 2  重投影误差

    Figure 2.  Error because of reprojcetion

    图 3  fire2结构

    Figure 3.  Structure of fire2

    图 4  SqueezeNet网络结构

    Figure 4.  Network structure of SqueezeNet

    图 5  位姿图

    Figure 5.  Pose graph

    图 6  轨迹估计对比

    Figure 6.  Comparison results for trajectory estimation

    图 7  点云图对比(红圈为出现回环部分)

    Figure 7.  Comparison results for points nephogram (the red circle is the loop)

    图 8  本文算法与词袋法的准确性和召回率曲线对比

    Figure 8.  Comparison of the accuracy and recall curves between the algorithm in this paper and the word bag method

    图 9  标准轨迹、估计轨迹和轨迹误差

    Figure 9.  Standard trajectory,estimated trajectory and trajectory error

    表  1  实验采用的数据集

    Table  1.   Data sets for testing

    序号数据集数量/帧
    1nyuv2782
    2TUM fr3_stf938
    3Turtlebot2采集968
    4TUM fr1_xyz902
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    表  2  回环检测可能出现的结果

    Table  2.   Possible results for loop detection

    检测结果事实上存在回环事实上不存在回环
    是回环真阳性假阳性
    不是回环假阴性真阴性
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    表  3  本文算法与词袋法对比

    Table  3.   Comparison between algorithm and word bag method in this paper

    算法准确率为 1 时的
    召回率
    对两张图片进行相似度
    计算所花时间/s
    词袋法0.330.50
    本文算法0.400.13
    两者差值0.070.37
    百分比/%2174
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    表  4  建图误差对比

    Table  4.   Comparison of mapping errors

    数据集本文算法
    误差/m
    文献[19]算法
    误差/m
    两者差值/%
    TUM fr3_stf0.050 00.049 02
    TUM fr3_xyz 0.010 40.013 529
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-19
  • 修回日期:  2020-03-08
  • 网络出版日期:  2021-04-01
  • 刊出日期:  2021-08-15

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