移動(dòng)機器人視覺(jué)定位設計方案

摘要： 針對移動(dòng)機器人的局部視覺(jué)定位問(wèn)題進(jìn)行了研究。首先通過(guò)移動(dòng)機器人視覺(jué)定位與目標跟蹤系統求出目標質(zhì)心特征點(diǎn)的位置時(shí)間序列， 然后在分析二次成像法獲取目標深度信息的缺陷的基礎上， 提出了一種獲取目標的空間位置和運動(dòng)信息的方法。該方法利用序列圖像和推廣卡爾曼濾波， 目標獲取采用了H IS 模型。在移動(dòng)機器人滿(mǎn)足一定機動(dòng)的條件下， 較精確地得到了目標的空間位置和運動(dòng)信息。仿真結果驗證了該方法的有效性和可行性。

　　運動(dòng)視覺(jué)研究的是如何從變化場(chǎng)景的一系列不同時(shí)刻的圖像中提取出有關(guān)場(chǎng)景中的目標的形狀、位置和運動(dòng)信息， 將之應用于移動(dòng)機器人的導航與定位。首先要估計出目標的空間位置和運動(dòng)信息， 從而為移動(dòng)機器人車(chē)體的導航與定位提供關(guān)鍵前提。

　　視覺(jué)信息的獲取主要是通過(guò)單視覺(jué)方式和多視覺(jué)方式。單視覺(jué)方式結構簡(jiǎn)單， 避免了視覺(jué)數據融合， 易于實(shí)現實(shí)時(shí)監測。如果利用目標物體的幾何形狀模型， 在目標上取3 個(gè)以上的特征點(diǎn)也能夠獲取目標的位置等信息。此方法須保證該組特征點(diǎn)在不同坐標系下的位置關(guān)系一致， 而對于一般的雙目視覺(jué)系統， 坐標的計算誤差往往會(huì )破壞這種關(guān)系。

　　采用在機器人上安裝車(chē)載攝像機這種局部視覺(jué)定位方式， 本文對移動(dòng)機器人的運動(dòng)視覺(jué)定位方法進(jìn)行了研究。該方法的實(shí)現分為兩部分： 首先采用移動(dòng)機器人視覺(jué)系統求出目標質(zhì)心特征點(diǎn)的位置時(shí)間序列， 從而將對被跟蹤目標的跟蹤轉化為對其質(zhì)心的跟蹤； 然后通過(guò)推廣卡爾曼濾波方法估計目標的空間位置和運動(dòng)參數。

　　1 目標成像的幾何模型

　　移動(dòng)機器人視覺(jué)系統的坐標關(guān)系如圖1 所示。

　　其中O-X Y Z 為世界坐標系； O c - X cY cZ c 為攝像機坐標系。其中O c 為攝像機的光心， X 軸、Y 軸分別與X c 軸、Y c 軸和圖像的x ， y 軸平行， Z c 為攝像機的光軸， 它與圖像平面垂直。光軸與圖像平面的交點(diǎn)O 1 為圖像坐標系的原點(diǎn)。O cO 1 為攝像機的焦距f 。

　　圖1 移動(dòng)機器人視覺(jué)系統的坐標關(guān)系

　　不考慮透鏡畸變， 則由透視投影成像模型為：

　　式中， Z′= ［u， v ］T 為目標特征點(diǎn)P 在圖像坐標系的二維坐標值； （X ， Y ， Z ） 為P 點(diǎn)在世界坐標系的坐標； （X c0， Y c0， Z c0） 為攝像機的光心在世界坐標系的坐標； dx ， dy 為攝像機的每一個(gè)像素分別在x 軸與y 軸方向采樣的量化因子； u0， v 0 分別為攝像機的圖像中心O 1 在x 軸與y 軸方向采樣時(shí)的位置偏移量。通過(guò)式（1） 即可實(shí)現點(diǎn)P 位置在圖像坐標系和世界坐標系的變換。

　　2 圖像目標識別與定位跟蹤

　　2.1 目標獲取

　　目標的獲取即在攝像機采集的圖像中搜索是否有特定目標， 并提取目標區域， 給出目標在圖像中的位置特征點(diǎn)。

　　由于機器人控制實(shí)時(shí)性的需要， 過(guò)于耗時(shí)的復雜算法是不適用的， 因此以顏色信息為目標特征實(shí)現目標的獲取。本文采用了HS I 模型， 3 個(gè)分量中，I 是受光照影響較大的分量。所以， 在用顏色特征識別目標時(shí)， 減少亮度特征I 的權值， 主要以H 和S 作為判定的主要特征， 從而可以提高顏色特征識別的魯棒性。

　　考慮到連通性， 本文利用捕獲圖像的像素及其八連通區域的平均HS 特征向量與目標像素的HS特征向量差的模是否滿(mǎn)足一定的閾值條件來(lái)判別像素的相似性； 同時(shí)采用中心連接區域增長(cháng)法進(jìn)行區域增長(cháng)從而確定目標區域。圖2 給出了目標區域分割的算法流程。

　　圖2 目標區域分割算法流程

　　實(shí)現目標區域提取后， 由于目標有一定的大小和形狀， 為了對目標定位， 必須在圖像中選取目標上對應的點(diǎn)的圖像位置。由于目標的質(zhì)心點(diǎn)具有不隨平移、旋轉與比例的改變而變化的特點(diǎn)， 故選取目標的質(zhì)心點(diǎn)作為目標點(diǎn)。

　　質(zhì)心坐標計算公式如下：

　　式中：為質(zhì)心坐標； n 為目標區域占據的像素個(gè)數， 且n≥2; （x i， y i） 為第i 個(gè)像素的坐標； p （x i， y i）為第i 個(gè)像素的灰度值。