基于视觉的三位测量及其在遥操作机器人中的应用研究

摘要

在遥操作机器人的各种传感器中，视觉传感器可以实时获取大量、直观的环境信息，为机器人的远程控制及决策提供可靠的信息保障。双目视觉系统可获得作业场景的三维信息及目标物体的深度与尺寸等数据，是新一代机器人环境感知单元的核心，其研究价值更加凸显。论文结合“智能化机器人系统”项目和国防科工局“XXXX机器人系统”项目的具体需求，对遥操作机器人三维视觉单元的系统实现和环境适应性指标提高等关键技术进行了分析、研究。
　　针对OpenCV中角点检测模块常有角点提取失败、提取精度较差等缺陷，采用MATLAB与OpenCV结合的方法对独立组建的双目摄像机实现高精度标定，快速求解出摄像机内外参数，并确定摄像机间的相对位置关系，提高了三维信息恢复的准确性。
　　提出改进rank变换的多窗口彩色图像立体匹配算法，对彩色图像进行改进rank变换后，通过加入快速多窗口算法，实现立体匹配。改进算法相对于固定窗口非参数变换匹配算法对视差不连续区域的误匹配率降低了18.5％。克服了传统rank变换得到的rank图像过分依赖变换窗口内像素的灰度统计特性及可靠性低等缺点。
　　在已获得摄像机内外参数并完成左右图像立体匹配的基础上，实现了遥操作机器人对作业场景及目标物体三维信息的实时获取。对双目视觉测量系统中各环节的误差来源进行了深入分析，提高了系统测量精度。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 双目视觉三维测量研究动态

1．2．1 国内外研究现状

1．2．2 发展趋势

1．3 遥操作机器人研究现状

1．4 课题来源

1．5 本章小结

2 遥操作机器人系统分析

2．1 遥操作机器人系统需求分析

2．2 遥操作机器人系统设计方案

2．3 信息采集系统介绍

2．3．1 遥操作机器人双目视觉系统

2．4 人-机交互平台

2．4．1 整体方案

2．4．2 软件设计

2．5 本章小结

3 遥操作机器人双目摄像机标定

3．1 常用坐标系及其转换关系

3．2 双目立体视觉系统数学模型

3．3 双目摄像机典型标定方法分析

3．3．1 线性摄像机标定

3．3．2 非线性摄像机标定

3．4 本文标定算法介绍

3．5 本章小结

4 遥操作机器人视觉立体匹配及三维测量算法研究

4．1 遥操作机器人视觉立体匹配

4．1．1 立体匹配原理

4．2．2 常用立体匹配方法

4．2 改进rank变换的多窗口彩色图像立体匹配算法

4．2．1 灰度图像的rank变换

4．2．2 本文改进立体匹配算法

4．2．3 实验结果及分析

4．3 空间点三维信息的确定及目标物体深度获取

4．3．1 空间点三维坐标的计算

4．3．2 深度信息的获取

4．4 本章小结

5 双目视觉三维测量系统实现与应用研究

5．1 遥操作机器人双目视觉三维测量系统介绍

5．2 遥操作机器人双目视觉三维测量系统实现与分析

5．2．1 双目摄像机标定

5．2．2 立体匹配

5．2．3 深度获取及三维尺寸测量

5．3 系统各环节误差分析

5．3．1 摄像机标定误差分析

5．3．2 结构参数误差分析

5．3．3 立体匹配误差分析

5．4 双目视觉三维测量在遥操作机器人中的应用

5．4．1 目标物体三维尺寸测量

5．4．2 作业场景和目标物体的三维重建

5．4．3 遥操作机器人路径规划

5．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果