基于双目立体视觉的全自主移动机器人导航研究

摘要

随着移动机器人在人类生活中各个领域的广泛应用，提高机器人智能化水平的研究受到国内外学者的高度关注。由于双目立体视觉技术能模仿人眼视觉成像原理，可通过图像传感器以非接触的方式获得三维场景的深度信息。加之近年来大规模集成电路技术、半导体技术、精密加工技术等领域的飞速发展，使得基于双目立体视觉导航的移动机器人成为国内外智能机器人领域的研究热点。因此，研究视觉导航中的关键技术是一项具有实际意义的工作。
　　本文主要针对双目立体视觉导航关键技术中的立体标定、图像采集、图像预处理做了深入研究；特别的，研究了视觉导航中对室内环境下球形物体的快速、准确定位。
　　首先为了满足视觉导航相关技术的研究需要，本文设计搭建了一个基于双目视觉的全向移动机器人。先介绍了该移动机器人的硬件系统架构，然后分别逐一对机器人各主要组成模块做了介绍。
　　接着系统介绍了摄像机的成像模型，引出摄像机标定所要求取的内外参数。概述了基于张正友标定法的单目摄像机标定的主要原理，并分析了双目立体标定的目的是求取包含两个摄像机几何关系的旋转和平移矩阵。在Visual Studio2010开发环境下，利用开源计算机视觉库OpenCV实现了对移动机器人上的双目摄像机立体标定，实验结果验证了标定算法的可靠性。
　　其次介绍了设计的移动机器人所采用的基于DirectShow技术的图像采集系统。研究分析得出在图像预处理环节决定利用高斯滤波算法进行平滑滤波并利用Canny算法进行边缘检测。提出了一种改进的基于对称性的Hough变换圆形检测算法，介绍了该算法的基本原理并通过实验证实了算法能够快速精确的识别室内环境下具有圆形特征的物体。
　　最后介绍了基于视差法的球形目标定位原理。在Visual Studio2010开发环境下，利用了OpenCV和DirectShow技术设计实现了基于MFC的视觉移动机器人的定位跟踪程序。通过实验证实了程序的可行性，并分析了影响目标定位精度的原因。

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第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要工作及结构安排

第2章 基于双目视觉的移动机器人硬件系统搭建

2.1 双目视觉移动机器人硬件系统总体架构

2.2 控制器模块

2.3 UP-Debugger调试器

2.4 CDS5516机器人数字舵机

2.5 ZigBee无线通信模块

2.6 双目视觉系统

2.7 机器人行走系统

2.8 本章小结

第3章 双目立体视觉摄像机标定

3.1 摄像机成像模型

3.2 单目摄像机标定

3.3双目立体标定

3 . 4 基于O pen CV的双目立体标定实验

3.5 本章小结

第4章 室内环境下移动机器人圆形目标检测

4 . 1 基于D ire ctS how的图像采集系统

4.2 图像预处理

4.3 基于对称性的圆形特征快速检测算法

4.4 本章小结

第5章 移动机器人球形目标定位和跟踪的实现

5.1 基于视差法的目标定位

5.2 移动机器人视觉定位和跟踪程序设计

5.3 双目移动机器人球形目标定位跟踪实验

5.4本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢