基于虚拟定标线和电子地图的机器人视觉导航研究

摘要

随着计算机和机器人技术的发展，人们对于机器人的性能要求也在不断提高。现代机器人已经不再像早期局限在工业制造自动化方面，而是广泛地应用在军事、民用、科学研究等各个领域，机器人技术也将成为新世纪的主导技术。因此，开发研制以工业领域、服务业领域为应用背景的，且易于用户二次开发的移动机器人平台具有良好的市场潜力和研究意义。自主移动机器人导航技术是智能机器人领域的一个重要研究方向，其中视觉导航具有其它传感器导航方式所无法比拟的优点，是自主移动机器人的关键技术和研究热点。本文针对基于视觉导航技术的室内移动机器人导航与定位算法问题开展研究工作。主要内容如下： 1、首先对自主移动机器人研究领域的发展、机器人导航技术、移动机器人视觉系统与视觉导航的研究现状作了简要的回顾，并对本文的选题背景、主要组成结构作了介绍。 2、导航线识别。通过边缘检测，找出导航线的边缘，然后计算导航线的重心，以该重心为界计算出导航线上下部分的重心，将它们连接就是机器人的行走轨迹，即导航线。 3、电子地图。移动机器人的智能性主要体现在认知周围的环境、阅读电子地图和自主规划路径。通过电子地图，一方面可以拓展机器人的应用范围和环境，例如在危险场合可以利用电子地图进行机器人路径规划，从而使机器人在实际应用中更加灵活方便；另一方面可以提供直观便捷的人机接口，便于人们根据实际需要安排机器人作业。把机器人运行的真实路径网络绘制成平面地图嵌入到导航系统中。当输入机器人的目的地时，机器人根据迪杰斯特拉算法出一条从当前位置到目的地的最优路径，并能够直观的显示机器人将要经过哪些路口和节点。 4、编码识别。为了正确定位并且按照规划路径行走，提出了一套对不同节点进行编排序号的编码方案。编码方案：编码区域分为九个矩形框，每个框代表一个码字区域，编码形式为0、1字符串，即在每个框内放置黑色矩形块与否来表示1或者0。通过图像处理来识别这些矩形框并判断编码的字符串，然后进行十进制解码就可以得到该节点出的编码。 5、模糊决策及转弯控制。为了让机器人沿着规划的导航线行走，需要控制机器人的左右轮速。提出了虚拟定标线方法和利用了模糊控制策略。虚拟定标线是视频图像上一组虚拟直线，由摄像头的俯仰角决定。如果导航线不在机器人视野中间的一定范围内，则机器人必定偏离了规划路径，于是可以计算出偏离距离d。不需要全局坐标系，仅通过比较导航线和定标线的夹角，就可以方便地计算出机器人偏离导航线的倾斜角θ。然后按照不同的隶属度函数，对计算出的距离d和倾斜角θ进行模糊划分，从而构造出一个模糊查找表并按照经验值填表，于是就实现了对机器人的模糊控制。在转弯路口前的导航线上设置断点，通过图像处理找到该断点，可以执行转弯策略，即机器人轮速下降，减小惯性，就可以实现机器人的平稳转弯控制。 机器人目前能够识别出导航线，在模糊控制下能够调整位姿，稳定的前行和转弯；能够识别地面编码、存储电子地图和自主路径规划。在此基础上机器人能够完成指定的简单任务，如机器人巡检等。 下一步的工作是研究基于单目视觉的机器人避障问题，主要处理两种障碍物，即凸出物和凹陷坑。目前，课题组正在针对这两种情况研究避障策略。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1机器人视觉导航的研究意义

1.2研究现状及所存在问题

1.2.1磁导航

1.2.2惯性导航

1.2.3激光导航

1.2.4路标导航

1.2.5 GPS导航

1.2.6视觉导航

1.3本文的主要研究内容及组织结构

第二章视觉导航常用方法

2.1双目立体视觉

2.2全景视觉导航

2.2.1基于全景视觉的地图创建

2.2.2路径规划

2.2.3导航操作

2.3单目视觉导航方法和过程

2.4本章小结

第三章移动机器人结构与软件架构

3.1机器人结构

3.1.1驱动控制系统

3.1.2传感器模块结构

3.1.3通信和决策系统

3.2 Voyager Ⅱ机器人基本结构

3.3机器人的软件架构

3.3.1硬件通讯层

3.3.2指令协议层

3.3.3行为层

3.3.4决策层

3.4本章小结

第四章导航策略

4.1图像采集

4.1.1 DirectShow技术简介

4.1.2 DirectX SDK安装与VC环境配置

4.1.3灰度化

4.2图像预处理

4.2.1中值滤波

4.2.2边缘检测

4.3计算导航线

4.4虚拟定标线技术

4.4.1虚拟定标线的提出

4.4.2虚拟定标线的作用

4.4.3虚拟定标线的测定

4.5获取控制参数

4.6模糊控制策略与模糊控制表

4.6.1模糊推理

4.6.2获取模糊控制表

4.7转弯策略

4.8编码的设计与实现

4.8.1编码方案的设计

4.8.2识别与解码

4.9电子地图

4.9.1最短路径的规划

4.9.2电子地图的设计与实现

4.10本章小结

第五章实验结果分析

5.1图像预处理实验结果

5.2识别导航线实验结果

5.3机器人沿直线行走实验结果

5.4机器人转弯实验结果

5.5编码识别试验结果

5.6本章小结

第六章课题相关工作

6.1机器人足球

6.2钢包标志牌的设计与识别

第七章结束语

参考文献

致谢

攻读学位期间科研、发表论文情况及获得奖励