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基于视觉的机器人导航

北京交通大学硕士学位论文基于视觉的机器人导航姓名:程新宇申请学位级别:硕士专业:计算机科学与技术指导教师:王奇志20090601摘要机器人导航是机器人领域中的重要研究内容,而视觉传感器获得信息量丰富、非接触式采集等特点使得基于视觉的机器人导航系统的研究成为热点。本文的工作内容是对当前基于视觉的机器人导航理论进行研究,并针对目前机器人导航系统中的双目测距系统的应用局限,提出了基于双目变焦摄像机的测距算法。该算法摆脱了传统双目测距算法中对摄像机焦距的依赖,而依据双目摄像机转动角度来对目标物进行测距,并以此为基础,实现了双目变焦摄像机测距系统。另外,我们针对实验室机器人的具体应用和具体实验环境,设计了专门应用于穿越走廊的机器人视觉伺服系统,并结合该系统和实际走廊环境提出了基于狭窄走廊的改进人工势场路径规划算法,该算法不仅能够解决传统人工势场法容易陷入力平衡陷阱的缺点,而且能够显著的减小机器人在走廊行走时的振荡情况,并最终实现了走廊视觉导航系统。本文中完成的两种系统在室内定位目标物和室内走廊实验中均取得了理想的效果。关键词:视觉伺服系统;机器人导航;双目测距系统;变焦;摄像机转动角度:改进人工势场法分类号:TP242j匕塞变通厶堂亟±堂位i金塞△娶墨!壁△£!

ABSTRACTThcrobotnavigationisallimportantissueinthefiledofrobotics.Becauseofthe

advantageofthevisualsensor,whichisnon-contactandcapturingawealthofgoalinformation,therobotnavigationbasedonvisionisbecomingtheimportantresearch

direction.Inthispaper,weresearchthecurrenttheoryabouttherobotnavigationandthe

robotvisualnavigation.Andthen,consideringtherobotapplicationandexperimental

environment,Wedesigntworobotvisualnavigation

systems.nefirstsysmnisa

binocularvisionrangingsystembasedonthezoomlens.Itisdependentontheangleof

calTlel'arotationratherthanthefocallengththatistheessentialelementinthetraditionalbinocularvisionrangingmethods.Sowecallusethezoomlenscameraandcapture

clearerimageofobject.Thesecondsystemistherobotcorridorwalkvisionnavigation

system.Wbspeciallydesignthevisualservoingsystemandtheimprovingartificial

potentialfieldmethodforthecircumstancesofthecorridor.Thevisualservoingsystem

isplanedtoextractthetargettothenavigationsystemandtheimprovingartificialpotentialfiledmethodisplanedtoplanthepathfortheautonomousmobilerobot.Inthissystem,theimprovingartificialpotentialfieldmethodnotonlysolvedtheforce-balanceproblembutreducedthe

walkingoscillation.

Wetesttheproposedtechniquesfromthebinocularvisionrangingsystembasedon

thezoomlensindoorandtherobotcorridorwalknavigationsystemandgoodresults

havebeenobtained.KEYWORDS:VisualServoingSystem;RobotNavigation;BinocularVisionRanging

System;ZoomLens;111eAngleofCameraRotation;TheImproving

ArtificialPotential

FieldMethodCLASSNO:TP242图目录图2.1手眼视觉机械手……………………………………………………………6图2.2蛇形机器人…………………………………………………………………6图2.3基于位置的视觉伺服结构图………………………………………………6图2.4基于图像的视觉伺服结构图………………………………………………7图2.52.5D视觉伺服结果图………………………………………………………9图2.6环境特征提取……………………………………………………………。12图2.7激光扫描仪成像图………………………………………………………..13

图3.1双目视差原理图…………………………………………………………..15

图3.2双目变焦摄像机测距系统……………………………………………….18

图3.3双目变焦摄像机测距系统软件流程图………………………………….19图3.4RGB模型…………………………………………………………………20图3.5HSV模型…………………………………………………………………20图3.6双目成像示意图………………………………………………………….22图3.7中心成像示意图………………………………………………………….24图3.8目标物识别过程一……………………………………………………….25图3.9目标物识别过程二………………………………………………………。26图3.10目标物识别过程三……………………………………………………….27图3.11系统实际运行状态………………………………………………………28

图3.12不同距离目标物图像一…………………………………………………28图3.13不同距离目标物图像二…………………………………………………29图3.14绝对误差曲线……………………………………………………………30图4.1Pioneer3机器人……………………………………………………………35图4.2Pioneer3机器人声纳分布图……………………………………………。35图4.3走廊视觉导航系统软件流程图………………………………………….36图4.4机器人在走廊中受力图一……………………………………………….40图4.5机器人在走廊中受力图二……………………………………………….41图4.6机器人在走廊中受力图三……………………………………………….4l图4.7机器人在走廊中受力图四……………………………………………….42图4.8机器人在走廊中受力图五……………………………………………….42图4.9走廊图像………………………………………………………………….45图4.10平滑处理结果……………………………………………………………45图4.11边缘检测结果…………………………………………………………….46图4.12直线提取结果………………………………………………………………46图4.13墙脚线识别结果…………………………………………………………47图4.14重叠效果图………………………………………………………………47图4.15视觉偏移图………………………………………………………………..48图4.16视觉偏移图处理结果……………………………………………………49图4.17带障碍物走廊图…………………………………………………………49图4.18障碍物处理结果…………………………………………………………50图4.19路径规划仿真系统………………………………………………………50图4.20仿真结果图一……………………………………………………………5l图4.21仿真结果图二……………………………………………………………5l图4.22起点偏离中线仿真结果图一……………………………………………52图4.23起点偏离中线仿真结果图二……………………………………………52独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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:彳注斯字签字日期:二口一7年z月工7L日

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