基于新型人工路标的自主移动机器人导航相关问题研究

摘要

自主移动机器人技术经过近40年的探索和研究，正向着智能化方向发展，而最能反映其智能化水平的就是其导航能力的高低。随着传感技术的迅速发展，各种导航方式相继问世，其中视觉导航以其费用低廉、无有害影响、所探测的信号范围宽、信息量大、获取信息完整等特点倍受关注。本文以自行设计的一种新型人工路标为基础，针对带有单目视觉的自主移动机器人，研究了视觉导航中的相关问题。 首先，本文对各种导航方式进行了综述，介绍了各自的导航原理和优缺点，重点对视觉导航的基本原理和特点进行了阐述。详细地介绍了目前各种人工路标模式的结构、导航方式以及各自的优缺点。同时从数学角度介绍了摄像机成像模型和成像过程中所涉及到的各种空间几何变换以及各种变换下的不变量或不变性。 视觉导航需要通过计算机视觉测量技术来进行定位，因此摄像机的标定问题是一个关键步骤。本文利用消元方法，分别对未标定的P5P问题和基于Kruppa方程的自标定问题提出了解析求解方法，同时分析了图像噪声对求解精度的影响，这一研究成果丰富了摄像机标定方法，具有实际应用价值。 为了利用人工路标进行视觉导航，本文利用交比不变性和七段数码结构特点设计了一种新型灰度路标。路标由六个矩形和两个七段数码构成，其中矩形构造交比用于路标的探测，而七段数码用于不同路标的识别。摄像机成像过程中的交比不变性保证了路标探测可靠性。同时根据路标的结构特点，提出了一种自定位方法，该方法可基于n(n≥1)个路标进行定位，并对定位作了详细的误差分析和具体的仿真实验，在此基础上提出了减小定位误差的相关措施。成功的实际导航实验表明了这种路标模式的可行性。 最后，为了扩大这种路标的应用环境，提高探测的准确率，本文研究了在基于形状信息视觉识别中颜色信息的应用方法，提出了路标的红色模式，具体给出了基于聚类思想的红色路标探测方法，这些研究对基于颜色的物体识别具有普遍的指导意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1自主移动机器人导航概论

1.2基于人工路标的视觉导航及其几种人工路标模式

1.3本文的主要研究内容

第二章摄像机成像模型及空间几何变换

2.1针孔摄像机及参数

2.1.1针孔摄像机模型

2.1.2摄像机的内参与外参

2.2空间几何变换

2.3几何变换的不变量

2.4小结

第三章针孔摄像机的标定

3.1各种标定方法的概述

3.1.1传统标定方法

3.1.2基于PnP问题的标定方法

3.1.3基于主动视觉的标定方法

3.1.4摄像机自标定方法

3.2未标定摄像机P5P问题的一种解析解

3.3基于Kruppa方程的解析法自标定

3.3.1双视点的对极几何与基础矩阵

3.3.2基础矩阵的几种求解方法

3.3.3 Kruppa方程

3.3.4自标定问题的解析解

3.4小结

第四章基于交比不变量构建新型人工路标及识别方法

4.1交比不变量在机器视觉中的应用及误差分析

4.1.1交比不变量在机器视觉中的应用

4.1.2交比不变量在机器视觉中的误差分析

4.2七段数码结构特点

4.3新型人工路标的构建

4.4新型人工路标的探测识别方法

4.5路标模式设计说明

4.6路标模式的拓展

4.7小结

第五章基于新型路标的定位算法与误差分析

5.1基于一个路标的定位算法

5.2定位方法的误差分析

5.3亚像素提高定位精度的方法

5.4基于多个路标的定位算法

5.5小结

第六章基于新型人工路标的实际室内导航实验

6.1导航任务的描述及实验环境的建立

6.2实验的硬件系统

6.3实现导航的控制软件

6.4导航实验结果与分析

6.5小结

第七章颜色在路标识别中的应用

7.1基于形状信息视觉识别中出现的问题

7.2机器视觉中的颜色及颜色恒常性问题

7.2.1机器视觉中的颜色

7.2.2机器视觉中的颜色恒常性问题

7.3颜色在新型路标模式上的应用

7.4彩色路标的识别方法

7.5小结

第八章结束语

8.1本文总结

8.2主要创新点

8.3问题与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间取得的成果

作者简介