基于视觉的多机器人实验系统室内实时定位研究

摘要

移动机器人技术已成为目前机器人技术研究的一个热点。移动机器人运行过程中，需要实时测量自身位置和姿态。和传统的传感器相比，视觉传感器方式具有信号探测范围宽、获取信息完整等优点，使得通过视觉传感器定位的方法成为移动机器人定位技术的主要发展方向之一。本文设计了一个机器人视觉系统，该视觉系统使用固定于顶棚的普通摄像机、利用单目视觉定位算法，能迅速、准确地确定多个机器人位置和姿态。该系统使用边数不同的多边形标志以标识各个机器人，根据机器人在摄像机视野中的状态选择全局搜索或者递推搜索算法识别多边形标志，并使用子像素精度角点检测算法提取多边形的各个顶点位置。对于全局搜索的情况，使用两步法，即先搜索机器人然后在机器人内部搜索标志；对于递推搜索的情况，使用卡尔曼滤波预测标志上各个特征点位置，在预测位置附近区域内使用Harris算法搜索特征点。得到特征后，系统首先粗定位各个特征点，并将得到的标志多边形与设计的多边形标志相比较，使用对应边差别最小准则，完成图像特征点和物理特征点的配对，进而使用相应的视觉测量算法确定机器人的位置和姿态。由于本系统使用的摄像机不是全景摄像机，故视野较小，为了扩大可定位区域，本系统使用两台摄像机协作定位。当机器人从一台摄像机视野移动到另一台摄像机视野的过程中，系统自动完成定位用的摄像机的切换。本文对所设计的视觉系统性能进行了分析，得出结论，该系统视野宽阔，位姿测量精度高，运行速度快，具有较强的稳定性并且容易扩展，各项指标均满足设计要求。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究目的和意义

1.2 国内外的研究现状及分析

1.3 本课题主要研究的内容

第2章 机器人实时定位图像处理

2.1 前言

2.2 图像处理基础

2.2.1 图像的采集

2.2.2 图像预处理

2.2.3 图像分割

2.2.4 角点检测算法

2.3 标志设计

2.4 特征提取

2.4.1 标志识别

2.4.2 特征提取

2.5 本章小结

第3章 机器人视觉测量算法

3.1 引言

3.2 视觉测量算法基础

3.2.1 摄像机模型

3.2.2 摄像机参数标定

3.2.3 位姿测量算法

3.3 摄像机参数标定

3.3.1 摄像机参数标定过程

3.3.2 内、外摄像机外参数计算

3.4 位姿测量算法

3.4.1 坐标变化关系

3.4.2 特征粗定位

3.4.3 特征点配对

3.4.4 机器人位姿测量

3.5 多摄像机协作定位

3.5.1 切换区域确定方法

3.6 本章小结

第4章 系统设计与性能分析

4.1 引言

4.2 系统设计与实现

4.2.1 系统初始化部分

4.2.2 图像采集部分

4.2.3 特征提取部分

4.2.4 位姿计算部分

4.2.5 系统注销部分

4.3 位姿测量精度分析

4.3.1 静态位姿测量精度分析

4.3.2 动态位姿测量精度分析

4.3.3 重复测量精度分析

4.4 实时性、扩展性与算法稳定性分析

4.4.1 系统实时性分析

4.4.2 系统扩展性分析

4.4.3 系统稳定性分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢