同时定位与地图创建问题全局最优解研究及其在无人车系统中的应用

Autonomous Vehicle has a promising potential of application in both civilian and military use, due to its high efficiency and reliability. This project mainly studies the reliable localization problem in unknown environment without the aid of GNSS, based on SLAM theory and technique. Considering the following several important issues to be solved: 1) Special nonlinear structure of SLAM problem has not been well understood; 2) SLAM in very large environments is still an open problem. Map joining is a promising strategy but it still cannot be guaranteed that global optimal solution is obtained; 3) Application of monocular SLAM method has the potential to reduce the cost of autonomous vehicle greatly, but feature initialization and scale drift still pose significant challenges to existing methods. For tackling above problems, this project will develop reliable algorithms to solve large scale SLAM problems through analyzing the special structure and convexity of SLAM problems and map joining techniques, furthermore, develop reliable algorithms to obtain global optimal solution to monocular SLAM problems, the outcome of this project provides significant theory and application value in both SLAM and localization of autonomous vehicle.

无人车以其高效可靠的自动驾驶性能，在民用和军事上都有广阔的应用前景，本项目采用基于同时定位与地图创建(SLAM)的定位理论与技术，重点解决无人车在没有全球卫星导航系统辅助的未知环境下的可靠定位问题。针对SLAM方法存在的以下几点亟待解决的问题：1)SLAM问题存在特殊结构仍没有得到合理解释；2)大规模环境下的SLAM问题求解仍然是一个开放问题，基于局部地图连接的方法提供了该问题的一条解决途径，但仍不能保证问题解收敛到全局最优值；3)单目SLAM方法可以极大降低无人车定位技术成本，但环境特征初始化及尺度漂移问题仍没有很好解决。本项目通过分析SLAM问题非线性特殊结构及其凸性，结合局部地图连接技术，研究高效可靠算法求解大规模SLAM问题，进一步，研究大规模单目SLAM问题全局最优解的求解算法。研究成果对SLAM理论及基于SLAM的无人车定位都具有重要的理论和应用价值。

本项目通过分析SLAM问题结构特殊性，研究了高效算法求解局部地图连接和单目SLAM问题的全局最优解，并将研究成果应用于无人车控制系统。具体地，分析了点特征SLAM问题非线性结构的基本特性，比较了两类不同目标函数对SLAM问题全局最优解的影响，分别分析了一步和两步SLAM问题在选取两类目标函数时全局最优解的取得条件，特别的，当采用Frobenius范数描述方向角的估计时，所得解优于传统的方法，同时给出了详细的理论证明，并推广到单目SLAM问题求解算法中。进一步，在SLAM技术基础上，研究了基于多传感器融合的无人车定位算法，基于激光雷达的无人车行人检测与跟踪算法，无人车路径跟踪控制算法以及相关跟踪控制方法，并将研究成果应用于无人车系统中，取得了良好的效果。 项目执行期间，发表和录用学术论文21篇（均已标注），其中SCI期刊论文18篇，包括Automatica, IEEE Transactions on Automatic Control， IEEE Transactions on Fuzzy Systems，IEEE Transactions on Cybernetics, IEEE transactions on Neural Networks and Learning Systems等控制领域国际著名期刊论文。