扫地机器人定位算法设计与嵌入式系统实现

摘要

扫地机器人作为服务机器人的一种，能替代传统的人工清洁工作，市场前景广阔。目前国产扫地机很少具备导航定位功能，缺乏有效的路径规划，价格便宜但清扫效率低。国外的许多扫地机具备导航定位功能，清扫效果好却价格高，不利于扫地机器人的普及。针对国内扫地机器人的现状，本文提出一种基于单目视觉的室内定位算法，定位所需的视觉信息来自天花板。相比使用昂贵的环境感知设备如激光雷达，使用摄像机极大的降低了成本。本文的主要工作为:
　　1.针对室内天花板高度及装饰的不同，给出了一种自适应确定天花板高度的办法和一种改进的特征点提取算法。自适应确定天花板的高度需要两个置于特定位置的LED灯配合，图像处理得到灯在图像上的光斑质心坐标后，考虑结构关系并利用摄像机小孔成像模型确定天花板的高度。在特征点提取方面，将FAST算法与Shi-Tomasi算法结合起来，用于获得一定数目且在图像中分布合理的特征点。实验证明FAST结合Shi-Tomasi特征点提取算法与Shi-Tomasi相比，特征点提取效果接近但是速度提高5倍左右。
　　2.根据摄像机的成像模型以及扫地机器人的结构布局，建立了扫地机器人单目视觉定位模型。依据模型以及扫地机器人的清扫策略，分别对扫地机器人的平移运动、旋转运动以及混合运动进行定位。本文给出了一种图像匹配算法，该算法利用陀螺仪和霍尔传感器提供的位姿数据缩小特征点的匹配范围，使用ORB（Oriented Fast and Rotated BRIEF）特征和汉明距离确定匹配对。在消除多对一的匹配后使用随机抽样一致性（RANSAC）等算法对匹配对提纯。此外，本算法对扫地机的不同运动采用不同的图像匹配策略，为定位提供准确的匹配对。
　　3.为证明本文提出的单目视觉定位算法有效，设计了扫地机直线运动、旋转运动和矩形回路运动的定位验证实验。在Smart210核心板上实现了与STM32F4运动控制系统的串日通信、使用V4L2(Video4 Linux2)控制摄像头的灰度视频采集以及USB-WiFi传输定位数据等功能;在PC虚拟机Ubuntu上用Qt制作演示界面，收到Smart210发来的数据后绘制定位波形。实验结果为:扫地机直线运动不超过255cm时，在运动方向及其垂直方向上的定位结果与实际测量值间的距离误差均不超过5cm，角度误差不超过5°;扫地机旋转不超过180°时，视觉定位角度值与实际测量值的误差在3°以内。实验结果表明本文提出的算法有效的实现了扫地机器人室内定位功能。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 扫地机器人国内外研究现状

1．3 基于单目视觉的室内定位算法研究

1．4 本文的组织结构

第二章 扫地机器人单目视觉室内定位方案设计

2．1 概述

2．2 单目视觉定位总体结构

2．2．1 传感器定位模块

2．2．2 综合定位模块

2．3 扫地机器人数学建模

2．3．1 与摄像机相关的四个坐标系

2．3．2 扫地机数学模型

2．4 扫地机器人定位关系的数学推导

2．4．1 扫地机器人任意运动定位

2．4．2 扫地机器人旋转运动定位

2．5 壹适应确定天花板的高度

2．5．1 轮廓提取与光斑质心的计算

2．5．2 确定天花板高度的实验验证

2．6 本章小结

第三章 单目摄像头的视频采集控制与标定

3．1 概述

3．2 基于V4L2的摄像头灰度视频采集

3．3 MPU6050传感器控制摄像头的灰度视频采集

3．3．1 STM32F4使用IIC读取MPU6050数据

3．3．2 Linux多线程

3．3．3 Linux串瑟编程

1．3．4 实验与结果

3．4 单目摄像机标定

3．4．1 线性摄像机模型(针孔模型)

3．4．2 非线性摄像机模型

3．4．3 基于OpenCV的摄像机标定

3．4．4 摄像机一些参数的确定

3．5 图像像素距离与空间距离的转换

3．6 本章小结

第四章 图像特征点的提取与匹配

4．1 引言

4．2 特征点提取算法

4．2．1 Harris角点

4．2．2 Shi-Tomasi角点

4．2．3 SUSAN角点检测

4．2．4 FAST角点检测

4．2．5 角点提取算法性能比较

4．3 特征点描述

4．3．1 BRIEF描述

4．3．2 ORB描述

4．4 FAST结合Shi-Tomasi的角点检测

4．5 图像特征点匹配

4．5．1 混合运动时的图像匹配

4．5．2 平移运动时的图像匹配

4．5．3 图像匹配对的提纯

4．5．4 图像特征点匹配实验与分析

4．6 本章小结

第五章 单目视觉定位功能实现与Linux-ARM验证

5．1 概述

5．2 数据通信

5．2．1 STM32F4与Smart210之间的通信约定

5．2．2 Smart210与PC机的数据通信

5．2．3 使用TCP协议进行数据传输

5．3 Qt接收端实现

5．4 实验结果与分析

5．4．1 扫地机器人直线运动定位实验

5．4．2 扫地机器人旋转运动定位实验

5．4．2 扫地机器人矩形回路测试定位实验

5．5 本章小结

第六章 总结与晨望

6．1 本文工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果