北京交通大学硕士学位论文移动机器人视觉导航系统研究姓名:王红波申请学位级别:硕士专业:信号与信息处理指导教师:阮秋琦 20080601中文摘要中文摘要摘要:基于视觉的移动机器人导航是近年发展起来的一种先进导航技术。
与其它的非视觉传感器导航相比,它具有信息丰富、探测范围宽、目标信息完整等优点。
本文结合实际应用,提出了一个完整的移动机器人视觉导航系统解决方案。
研究内容主要包括四个部分:摄像机标定、目标识别、单目测距和运动控制。
分别阐述如下:第一,摄像机标定,基于张正友的平面标定算法对摄像头进行精确标定,针对摄像头的自动变焦特性,提出了一个新的离线离散标定策略,并获得多个状态下的摄像头内外参数。
第二,目标识别,传统分割方法存在多分割问题,影响到目标物提取的精度, 这罩提出一个改进了的基于HSI模型的彩色图像分割算法,在多通道阈值分割的基础上,融入了连通区域标记和形念学开闭运算。
第三,单目测距,基于摄影测量学和立体几何理论,建立了单目视觉测距模型,并推导了基于地平面约束的单目测距算法。
针对多种误差因素,在测距算法中加入了误差校币,使移动机器人能够更加准确地定位目标物体。
第四,运动控制,控制摄像机云台实现日标物搜索,调整移动机器人位姿和对夹持器的动作控制。
实验结果表明:即使在恶劣光照条件下,提出的Hs工分割算法能够对向光、背光、近处、远处物体实现快速有效提取;提出的单目测距模型和算法能够对目标物体进行精确的测距;当把这些算法集成到实验平台上时,能够快速实现移动机器人的导航控制,并成功完成物体抓取操作。
关键词:摄像机标定、彩色目标识别、单目视觉测距、移动机器人分类号:TP 391.41ABSTRACI'ABSTRACTABS。
I’RAC’1..In recent years,vision attracts a lot of attention for navigating a mobile robot indynamic pared with other sensing systems,visual navigation is excellent and effective.With a visual sensing system,wider view of field,rich andintensive data Can be obtained for a mobile robot moving in a changing environment.In this study,a visual navigation scheme is proposed for a mobile robot to realize object collection,and it comprises of camera calibration,objectrecognition,monocular measurement and motion control,as stated in the following.Firstly,the technique of camera calibration is presented on the basis of Zhang’S algorithm.Since a PTZ calTlera is used here,it is controlled to move upand down,from left to right,to extend the view of field.Therefore,calibration in different positions is needed,and a new discrete method is proposed here.Secondly,amodified image segmentation method is used here based on HS[ algorithm,with the morphological filteringand multi—channel segmentation techniques・ It improves the accuracy of the conventional segmentation methods.Thirdly,a monocular technique is proposed here to measurean object position in 3D space.Visual models are established based on the principle of imaging and spatial geometry constrains.Toreduce the measuring errors,a compensating term is added into the method.Finally,these techniquesare integrated into a mobile robot platform to implement collection of specified objects.To find an object of long distance,the camera is tilted and panned,the location information is computed from the feedback of wheel motions, and the gripper is control to grasp the specified object.Numerous experiments show that the calibration of camera is precise,and the image segmentation algorithm is effective even under very bad illumination conditions, and the visual navigation scheme works very well for the mobile robot to collect a specified object.KEYWORDS:Objeet Recognition,Monocular Measurement,Mobile Robots, Visual NavigationCI.ASSNo:TP 391.41VIl学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。
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与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
学位论文作者签名:王勿缎签字日期:伽8年‘月1o日致谢本论文的工作是在我的导师阮秋琦教授的悉心指导下完成的,阮秋琦教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。
阮秋琦教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作,在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助, 在此向阮老师表示衷心的谢意!另外信息所的杨唐文老师、倪蓉蓉老师、朱振峰老师、刘渭滨老师、肖扬老师、梁满贵老师等对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见,在此向几位受入尊敬的老师表示衷心的感谢!在实验室工作及撰写论文期间,祝琨、邢文浩、阮宇慧、鲍征、李杰、王杨、郭晶晶、彭大静、邸锦、赵燕燕、侯妍颖、王晶、杨萍萍等同学对我论文中的许多研究工作给予了热情帮助,在此向他们表达我的由衷的感激之情!另外也感谢我的爸爸妈妈,他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业!最后,向在这两年以来所有关心过我帮助过我的人表示感谢!序序本课题是计算机视觉与机器人学的结合,自2007年4月开始投入研究,2008年4月结束工作,历时一年。
本题开发了一个完整的移动机器人视觉导航系统。
本课题的研究成果可以应用到工业自动化,车辆自动导航等各个领域。
目前广泛使用的视觉导航技术一般为视觉与多传感器融合,设备价格极高。
本文纯粹使用单个摄像头,不但节省了成本,而且提高了实时性。
本课题是国家自然科学基金(No.60472033、国家973项目 (No.2004CB318005以及教育部博士点基余资助项目(No.20030004023、同时得到北京交通大学科技基金(2007XM007支持。
综述1综述1.1研究背景及意义工业生产的迅速发展,推动着科学技术的突飞猛进。
但在不少工业生产和科研领域中,存在着长时问高温、有气味、有危险以及要求重复性的强体力消耗的工作环境,这就给科学工作者提出了研制替代人的“机器人”课题。
自从20世纪50年代术,第一台工业机器人发明以来,机器人的发展已有半个多世纪,机器人的应用越来越广泛,几乎渗透到所有领域。
工业机器人在经历了诞生——成长——成熟期后,己成为制造业中不可少的核心装备,世界上有约 75万台工业机器人讵与人类并肩战斗在各条战线上。
特种机器人作为机器人家族的后起之秀,由于其用途广泛而大有后来居上之势,仿人形机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等各种用途的特种机器人纷纷面世,而且正以飞快的速度向实用化迈进。
中国工程院前院长宋健指出:“机器人学的进步和应用是20世纪自动控制最有说服力的成就,是当代最高意义上的自动化"。
机器人技术综合了多学科的发展成果,代表了高技术的发展前沿,它在人类生活中的应用领域的不断扩大正引起国际上重新认识机器人技术的作用和影响。
从某种意义上讲,一个国家机器人技术水平的高低反映了这个国家综合技术实力的高低。
随着机器人应用领域的不断拓展,人们对机器人的作业要求也逐渐向大范围、高难度的方向发展。
这就要求机器人具有更大的活动空间和更强的适应能力。
作为传感器、执行器、运动规划密切结合的活动载体,移动机器人具有广阔的应用前景和商业价值,其研究也越来越受到人们的重视。