全向移动式家用服务机器人目标识别与视觉导向系统设计(2)
3.5 三文重建与测距原理 . 27
3.6 目标定位算法设计 . 28
3.7 小结 . 28
4 实验结果及分析 29
4.1 双目摄像机的标定 . 29
4.2 目标识别实验 . 34
4.3 距离测量实验 . 38
4.4 实验结果分析 . 39
5 结束语 41
5.1 论文工作总结 . 41
5.2 工作展望 . 41 1 绪论 1.1 课题的研究背景及意义 移动机器人的研究始于上世纪 60 年代末期，当时，美国斯坦福研究院的 Nilssen 等人研发出取名为Shakey的自主移动机器人，其目的是研究如何应用人工智能技术，实现复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制。70 年代末，随着计算机技术和传感器技术的发展，世界上一批著名公司开始研究移动机器人平台，这些移动机器人平台主要作为大学实验室以及研究机构的移动机器人实验平台[1]。在自主移动式机器人相关技术的研究中，导向技术是其研究核心。导向是指移动机器人通过传感器感知环境和自身状态，实现在有障碍物的环境中面向目标的自主运动。导向技术主要解决三方面的问题： （1）通过一定的检测手段获取移动机器人在空间中的位置、方向以及所处环境的信息； （2）通过算法处理采集到的信息并且能恢复场景模型； （3）在所有可行的路径中找到最优或者近似最优的路径，实现机器人安全移动路径的规划。目前，在移动机器人的导向系统方面的研究已经取得了丰硕的成果，但是仍然存在许多关键理论和技术问题需要优化和改进。 移动机器人常见的导向技术有电磁导向[2]、 光反射导向[2]、 视觉导向[2][3][4]、 觉导向[3][4]、声音导向[3][4]等。其中视觉导向方式具有信号探测范围广、采集环境信息完整等优点，是未来的移动机器人导向的一个重要发展方向。视觉导向尤其适合室内物品种类多、空间有限的环境下，移动机器人的目标识别与目标定位。 进入二十一世纪以来，随着我国人口老年化和少子化的发展，老年人对服务机器人的需求不断增长，以助老助残为目标的服务机器人研究得到了广泛重视。本文就是为了满足全向移动式服务机器人在家庭环境下对导航技术的需求，开展基于机器视觉的目标识别与目标定位技术研究。 1.2 家用服务机器人视觉系统研究现状 家用服务机器人的主要工作是在日常家庭生活中进行简单劳动，例如扫地，倒水，找到并拿取物品为主，属于室内服务机器人。相比于工业机器人，室内服务机器人的特点有很多，例如体积小，灵活性高，需要携带移动电源，更加智能化等。但其主要的特点如下[5]： （1）可移动性：为了能在室内完成动作，家用服务机器人一般都具有一定的移动能力，例如行走等。其移动装置很多都是轮式移动装置，为了能运动自由，服务机器人一般有多个控制轮，而且往往都配有自备能源。 （2）轻便性：由于家用服务机器人功能较全、机构较多，这就要求尽可能减轻其自重和体积，以减少能量的消耗，增加活动能力。整个机器人的各种机械装置和控制装置都尽量做到轻型化。 （3）易操作性：家用服务机器人与人类的关系是十分密切的，人机之间的和谐合作是很重要的一点，因此，用户和机器人的互动需要方便快捷。 （4）适应性：为了对执行作业的位置环境做出适应性反应，例如自主避障等，有些家用服务机器人具有学习、感觉和判断的功能。而且广泛采用高性能的视觉、听觉、触觉等多种传感器，使其具有一定的感知和自主能力[6]。 而对于家用服务机器人视觉系统而言，关键技术就在于目标的寻找、识别、定位。目前已经在应用的家用移动机器人上的视觉系统多种多样，例如基于单摄像机的机器视觉系统。又如基于单目视觉和传感器的目标识别与导向系统。再如基于 PC 平台开发的双目视觉的目标识别与导向系统等等。但是，即使有如此多的种类的机器视觉系统，目标识别与导向技术仍然存在很多弊端，有待继续优化。 基于单摄像机的目标识别与导向系统，当其应用于家庭环境或者说室内环境中的时候，由于空间相对狭小，背景较为复杂，虽然目标识别可以正常进行，但是单目视觉的原理对其导向的功能造成了极大的限制，单目视觉只能处理所得到的二文图像，无法计算场景深度等三文信息，所以在移动机器人的应用上还有很大缺陷。 相比于单目视觉的导向系统，与传感器配合工作的单目视觉很大程度上克服了测距的问题。该系统一般使用超声波或者红外传感器进行环绕机器人本身的环境障碍物测距，从很大程度上克服了机器人的定位问题，但是该方法仍然不够完善，在家庭环境中的墙体或者沙发、地毯等材料，会在一定程度上影响传感器的工作精度，这种方法还是存在一定的局限性。 双目视觉技术是目前在移动机器人视觉研究领域受到广泛关注和研究技术，大多数移动机器人都采用了基于 PC 平台的双目视觉目标识别与导向技术。双目视觉技术不但可以像单目摄像机一样进行目标识别，而且可以以较高的精度得出目标所在的位置相对于机器人本身的坐标，这样一来，家用移动机器人的发展又向前迈进了一大步。 1.3 论文总体思路与内容安排 本课题选用以TMS320DM642芯片为核心的嵌入式系统平台，进行移动机器人的双目视觉系统算法的开发与研究。首先进行系统分析和总体设计，选定硬件平台以及其他硬件设备，同时对算法做了初步设计，选定双目视觉系统作为机器人的目标识别和导向系统。分析了目标识别和目标定位的原理，在 CCS 平台下对目标识别和目标定位系统进行开发。同时选用MATLAB 进行算法效果的验证。经过算法移植将开发出来的算法导入 DSP 平台进行调试实验。最后对得出的实验数据和现象进行分析。 本文按照课题研究目标，分为五章进行论述，论文各章研究内容如下： 第一章：查阅资料，深入调研了移动式家用机器人的视觉导向系统的发展历史以及在国内外的研究现状，了解了课题背景以及相关专业知识。 第二章：设计并搭建双目视觉系统的硬件工作平台，选定TMS320DM642 机器视觉图像处理芯片，详细介绍了该芯片的内核资源和与外部接口。同时介绍了软件和硬件系统。 第三章：构建了双目视觉系统的基本模型，并且分析了摄像机的标定原理。论述了目标识别和目标定位的基本理论，对系统算法进行了设计。 第四章：在PC平台上用 MATLAB对双目摄像机进行了标定。之后对采集到的图像进行了畸变校正。实际验证目标识别原理中所提到的算法。进行以DSP 为平台的双目视觉算法的实验，分别进行了目标识别与目标定位、距离测量的实验，而后对实验结果进行了分析总结，了解了误差产生的原因并提出了相应的解决建议。 第五章：为论文工作做了总结，对该项研究的未来进行展望。