移動機(jī)器人視覺定位方法的研究
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運(yùn)動視覺研究的是如何從變化場景的一系列不同時(shí)刻的圖像中提取出有關(guān)場景中的目標(biāo)的形狀、位置和運(yùn)動信息， 將之應(yīng)用于移動機(jī)器人的導(dǎo)航與定位。首先要估計(jì)出目標(biāo)的空間位置和運(yùn)動信息， 從而為移動機(jī)器人車體的導(dǎo)航與定位提供關(guān)鍵前提。
視覺信息的獲取主要是通過單視覺方式和多視覺方式。單視覺方式結(jié)構(gòu)簡單， 避免了視覺數(shù)據(jù)融合， 易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。如果利用目標(biāo)物體的幾何形狀模型， 在目標(biāo)上取3 個(gè)以上的特征點(diǎn)也能夠獲取目標(biāo)的位置等信息。此方法須保證該組特征點(diǎn)在不同坐標(biāo)系下的位置關(guān)系一致， 而對于一般的雙目視覺系統(tǒng)， 坐標(biāo)的計(jì)算誤差往往會破壞這種關(guān)系。
采用在機(jī)器人上安裝車載攝像機(jī)這種局部視覺定位方式， 本文對移動機(jī)器人的運(yùn)動視覺定位方法進(jìn)行了研究。該方法的實(shí)現(xiàn)分為兩部分： 首先采用移動機(jī)器人視覺系統(tǒng)求出目標(biāo)質(zhì)心特征點(diǎn)的位置時(shí)間序列， 從而將對被跟蹤目標(biāo)的跟蹤轉(zhuǎn)化為對其質(zhì)心的跟蹤； 然后通過推廣卡爾曼濾波方法估計(jì)目標(biāo)的空間位置和運(yùn)動參數(shù)。
1 目標(biāo)成像的幾何模型
移動機(jī)器人視覺系統(tǒng)的坐標(biāo)關(guān)系如圖1 所示。
其中O-X Y Z 為世界坐標(biāo)系； O c - X cY cZ c 為攝像機(jī)坐標(biāo)系。其中O c 為攝像機(jī)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(jī)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(biāo)系的原點(diǎn)。O cO 1 為攝像機(jī)的焦距f .
圖1 移動機(jī)器人視覺系統(tǒng)的坐標(biāo)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(biāo)特征點(diǎn)P 在圖像坐標(biāo)系的二維坐標(biāo)值； （X , Y , Z ） 為P 點(diǎn)在世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)； （X c0, Y c0, Z c0） 為攝像機(jī)的光心在世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)； dx , dy 為攝像機(jī)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(jī)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。通過式（1） 即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)P 位置在圖像坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系的變換。
2 圖像目標(biāo)識別與定位跟蹤
2.1 目標(biāo)獲取
目標(biāo)的獲取即在攝像機(jī)采集的圖像中搜索是否有特定目標(biāo)， 并提取目標(biāo)區(qū)域， 給出目標(biāo)在圖像中的位置特征點(diǎn)。
由于機(jī)器人控制實(shí)時(shí)性的需要， 過于耗時(shí)的復(fù)雜算法是不適用的， 因此以顏色信息為目標(biāo)特征實(shí)現(xiàn)目標(biāo)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(biāo)時(shí)， 減少亮度特征I 的權(quán)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(qū)域的平均HS 特征向量與目標(biāo)像素的HS特征向量差的模是否滿足一定的閾值條件來判別像素的相似性； 同時(shí)采用中心連接區(qū)域增長法進(jìn)行區(qū)域增長從而確定目標(biāo)區(qū)域。圖2 給出了目標(biāo)區(qū)域分割的算法流程。
圖2 目標(biāo)區(qū)域分割算法流程
實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域提取后， 由于目標(biāo)有一定的大小和形狀， 為了對目標(biāo)定位， 必須在圖像中選取目標(biāo)上對應(yīng)的點(diǎn)的圖像位置。由于目標(biāo)的質(zhì)心點(diǎn)具有不隨平移、旋轉(zhuǎn)與比例的改變而變化的特點(diǎn)， 故選取目標(biāo)的質(zhì)心點(diǎn)作為目標(biāo)點(diǎn)。
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