基于計(jì)算機(jī)視覺的移動(dòng)機(jī)器人路徑識(shí)別與跟蹤

1、西北大學(xué)碩士學(xué)位論文基于計(jì)算機(jī)視覺的移動(dòng)機(jī)器人路徑識(shí)別與跟蹤姓名：趙瑜申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：電路與系統(tǒng)指導(dǎo)教師：種蘭祥20080610西北大學(xué)碩士學(xué)位論文，：，：，西北大學(xué)碩士學(xué)位論文：，西北大學(xué)學(xué)位論文知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明書本人完全了解西北大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定。學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版。本人允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)西北大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。同時(shí)授權(quán)中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所等機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文收錄到中國(guó)學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)或其它相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)。保密論文待解密后

2、適用本聲明。學(xué)位論文作者簽名：氐垂；指導(dǎo)教師簽名：如年月日年月日西北大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明：所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，本論文不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得西北大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材料與蕕一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說(shuō)明并表示謝意。學(xué)位論文作者簽名：越粕咖年占月日西北大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論引言世界上第一臺(tái)試驗(yàn)型機(jī)器人于年誕生于美國(guó)，雖然它是一臺(tái)樣機(jī)，但是它體現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)廣泛應(yīng)用的機(jī)器人的主要特征。機(jī)器人產(chǎn)品問世于世紀(jì)年代，代表

3、性的有美國(guó)公司的機(jī)器人和美國(guó)公司的機(jī)器人。世紀(jì)年代，機(jī)器人進(jìn)入了工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)用化階斟。到了年代，工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入普及時(shí)代，汽車、電子等行業(yè)開始大量使用工業(yè)機(jī)器人，推動(dòng)了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。到了年代以后，隨著世界信息化速度的加快，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，具有各種特殊功能的新型機(jī)器人不斷出現(xiàn)，智能化程度也不斷提高：進(jìn)入世紀(jì)以后，人們更注重機(jī)器人對(duì)外界環(huán)境的感知能力和自主能力，新的機(jī)器人技術(shù)必然向著智能化方向發(fā)展，以滿足不同使用者的個(gè)性化需要。移動(dòng)機(jī)器人的研究始于年代末期斯坦福研究院（）口】，現(xiàn)在移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要分支，其研究

4、具有重要意義，可以廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)學(xué)、家庭服務(wù)等領(lǐng)域。移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃、決策、執(zhí)行于一體的智能控制系統(tǒng)，對(duì)它的研究涉及多個(gè)學(xué)科【】包括圖像實(shí)時(shí)處理、計(jì)算機(jī)視覺、傳感器技術(shù)、人工智能、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)并行處理、機(jī)械學(xué)等多學(xué)科理論與技術(shù)。移動(dòng)機(jī)器人的研究?jī)?nèi)容與發(fā)展?fàn)顩r移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的主要研究方向移動(dòng)機(jī)器人所涉及的關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)介。導(dǎo)航技術(shù)導(dǎo)航技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人研究的關(guān)鍵技術(shù)之一【】，是其實(shí)現(xiàn)真正智能化和完全自主移動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)，它通常包括自身和環(huán)境信息的獲取及理解、運(yùn)動(dòng)控制算法等。移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航問題主要涉及提出的三個(gè)問題：“我現(xiàn)在何處？”，我要往何處去？”，“要如何到該處去？【。其中第

5、一個(gè)問題是導(dǎo)航系統(tǒng)中的定位問題，即確定移動(dòng)機(jī)器人在工作環(huán)境中相對(duì)于全局坐標(biāo)的位置及其本身的姿態(tài)，西北大學(xué)碩士學(xué)位論文第二、三個(gè)問題是導(dǎo)航系統(tǒng)的路徑規(guī)劃及跟蹤。移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航方式根據(jù)機(jī)器人工作環(huán)境的復(fù)雜性、配備傳感器的種類和數(shù)量的不同，分為以下幾種方式：）磁導(dǎo)航。磁導(dǎo)航是目前自動(dòng)導(dǎo)引車（，）的主要導(dǎo)航方式。是移動(dòng)機(jī)器人中的一種，同時(shí)也是自動(dòng)化物流運(yùn)輸系統(tǒng)柔性生產(chǎn)組織系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。磁導(dǎo)航方式要在運(yùn)行路徑上，開出深度為左右，寬左右的溝槽，在其中埋入導(dǎo)線。在導(dǎo)線上通以的交變電流，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。上左右對(duì)稱安裝了兩個(gè)磁傳感器，用于檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度引導(dǎo)車輛沿所埋設(shè)的路徑行駛。這種導(dǎo)航方式在中廣泛應(yīng)用，

6、并且該方式技術(shù)成熟可靠，但對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力較差，而且在安裝維護(hù)成本、靈活性、抗干擾能力等方面尚有很大差距【酬。）里程計(jì)導(dǎo)航。里程計(jì)導(dǎo)航是根據(jù)機(jī)器人左右兩輪上里程計(jì)信息推算出當(dāng)前的位置和航向，初始位置和航向要已知【】。它是實(shí)現(xiàn)相對(duì)定位最簡(jiǎn)單的方法且實(shí)現(xiàn)成本低廉，并且能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)性。但是由于是通過(guò)對(duì)兩個(gè)輪子在時(shí)間上位移增量的累加來(lái)實(shí)現(xiàn)定位，因此在長(zhǎng)距離的導(dǎo)航時(shí)，累積誤差將會(huì)增加，使得其準(zhǔn)確度下降。）慣性導(dǎo)航。它利用機(jī)器人裝配的光電編碼器和陀螺儀計(jì)算機(jī)器人航程，從而推知機(jī)器人當(dāng)前的位置和下一步目的地。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是不需要外部參考，但是隨時(shí)間的漂移，經(jīng)積分后，任一小的常數(shù)誤差就會(huì)無(wú)限增長(zhǎng)，所以慣

7、性傳感器對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的精確定位是不適宜的。）導(dǎo)航。全球定位系統(tǒng)（）是適用于室外移動(dòng)機(jī)器人的一種全局定位系統(tǒng)，是美國(guó)第二代軍用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也是目前世界上最先進(jìn)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)【。通過(guò)接收衛(wèi)星信號(hào)并分析處理，確定導(dǎo)航對(duì)象在地表的位置，由于定位系統(tǒng)的精度高、覆蓋范圍廣，一般在軍事中發(fā)揮著巨大的作用。）視覺導(dǎo)航。機(jī)器人系統(tǒng)中的視覺子系統(tǒng)獲取當(dāng)前狀態(tài)下機(jī)器人周圍環(huán)境信息，通過(guò)分析確定環(huán)境對(duì)象和機(jī)器人在環(huán)境中的位置。視覺導(dǎo)航主要完成障礙物，路標(biāo)的探測(cè)及識(shí)別，根據(jù)路標(biāo)的不同，可分為人工路標(biāo)導(dǎo)航和自然路標(biāo)導(dǎo)航。視覺導(dǎo)航方式具有信號(hào)探測(cè)范圍廣，獲取信息較其它傳感器更完整、信息量大等優(yōu)點(diǎn)，是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的一個(gè)主要

8、發(fā)展方向。目前國(guó)內(nèi)外主要采用在移動(dòng)機(jī)器人上安裝車載攝像機(jī)的基于局部視覺的導(dǎo)航方式，如：等研制的移動(dòng)機(jī)器人利用車載西北大學(xué)碩士學(xué)位論文攝像機(jī)和較少的傳感器通過(guò)識(shí)別路標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航【】；等利用車載攝像機(jī)和超聲波傳感器研究了基于視覺導(dǎo)航系統(tǒng)中的避碰問題【】。視覺導(dǎo)航中圖像分割、邊緣檢測(cè)、特征提取等圖像處理方法計(jì)算量大且實(shí)時(shí)性較差，解決該問題的關(guān)鍵在于怎樣設(shè)計(jì)一種快速實(shí)時(shí)的圖像處理方法或者采取多傳感器集成與融合的導(dǎo)航方式】。）超聲波導(dǎo)航【】。通過(guò)在移動(dòng)機(jī)器人車身上安裝超聲波的發(fā)射和接收裝置，測(cè)得移動(dòng)機(jī)器人到障礙物或者路標(biāo)的距離和方位從而估計(jì)機(jī)器人的位置。超聲波導(dǎo)航方法的優(yōu)點(diǎn)是硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，容易操

9、作，但是因?yàn)槌暡▊鞲衅髯陨淼娜毕荩纾虹R面反射、有限的波束角等，給充分獲得周圍環(huán)境信息造成困難。在實(shí)際應(yīng)用中，往往采用其它傳感器來(lái)補(bǔ)償，或采用多傳感器融合技術(shù)提高檢測(cè)精度等。路徑規(guī)劃和路徑跟蹤技術(shù)路徑規(guī)劃技術(shù)是機(jī)器人研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支。路徑規(guī)劃是依據(jù)某種優(yōu)化準(zhǔn)則（如行走路線最短、行走時(shí)間最短、行走能量消耗最低等），在其工作空間中找到一條從起始位置到目標(biāo)位置，且能避開障礙物的最優(yōu)路徑【】。對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的路徑跟蹤的研究主要集中在兩個(gè)方向上：一是路徑的設(shè)置及其信息的獲??；二是控制方法的研究。路徑的設(shè)置主要有兩種方法，即有線路徑和地圖路徑。移動(dòng)機(jī)器人有線路徑可以是埋在地下的電纜、鋪刷在地面上的

10、磁性路徑或者有色亮帶、自然或人工擺設(shè)的墻壁等。地圖路徑可以是基于全局路徑規(guī)劃的路徑，也可以是示教的路徑。移動(dòng)機(jī)器人路徑跟蹤的控制方法有很多，從經(jīng)典的控制到各種智能控制，都可以來(lái)進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人的路徑跟蹤。由于移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型較為復(fù)雜，加之一些非線性因素和不定因素的影響【，使得移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制很復(fù)雜。多傳感器集成與融合對(duì)移動(dòng)機(jī)器人來(lái)講，無(wú)論是導(dǎo)航控制，還是路徑規(guī)劃與路徑跟蹤控制，都要通過(guò)傳感器感知外部環(huán)境和自身狀態(tài)。受環(huán)境干擾因素的影響和自身性能的限制，單一傳感器提供的信息往往是不完備的，移動(dòng)機(jī)器人很難依此做出合理的判斷，因此限制了系統(tǒng)的感知能力和魯棒性。因此，移動(dòng)機(jī)器人常采用視

11、覺、超聲、紅外和激光等多傳感器集成來(lái)獲得環(huán)境信息，這些信息在時(shí)間、空間、可信度、表達(dá)方式上不盡相同。但是，這些信息都是同一環(huán)境下對(duì)目標(biāo)不同側(cè)面的反映，因此存在一定的相關(guān)性引。利用多傳感器信息融合技術(shù)，對(duì)這些信息進(jìn)行綜合，獲得冗余的、互補(bǔ)西北大學(xué)碩士學(xué)位論文的、完整的外界信息，使移動(dòng)機(jī)器人能夠做出合理的、高魯棒性的行動(dòng)決策。多傳感器信息融合比較確切的定義可概括為：利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)按時(shí)序獲得的若干傳感器的觀測(cè)信息在一定準(zhǔn)則下加以自動(dòng)分析、優(yōu)化綜合以完成所需的決策和估計(jì)任務(wù)而進(jìn)行的信息處理過(guò)程。把信息融合技術(shù)應(yīng)用到移動(dòng)機(jī)器人上的研究，雖然國(guó)內(nèi)外許多研究工作者己經(jīng)做了大量的工作，但由于移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)的

12、多樣性，加上信息處理的復(fù)雜性和工作環(huán)境的不確定性等原因，對(duì)如何有效地、實(shí)時(shí)地進(jìn)行信息不同層次的采集、分析、融合，及信息的不確定推理、理解等方面仍舊沒有一個(gè)好的統(tǒng)一的解決方案。因此，深入研究多傳感器信息融合技術(shù)在全自主移動(dòng)機(jī)器人上的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)信息融合技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)的完美結(jié)合，對(duì)智能機(jī)器人的研究和發(fā)展具有重要意義。多機(jī)器人協(xié)作技術(shù)近年來(lái)，多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)以其突出的柔性、魯棒性和自主性逐漸應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域【。通過(guò)多機(jī)器人的協(xié)作，可以完成單機(jī)器人難以完成的復(fù)雜作業(yè)，提高機(jī)器人系統(tǒng)在作業(yè)過(guò)程中的效率；當(dāng)機(jī)器人工作環(huán)境發(fā)生變化或系統(tǒng)局部發(fā)生故障時(shí)，多機(jī)器人之間通過(guò)其固有的自組織能力及協(xié)作機(jī)制重新

13、確立協(xié)作關(guān)系，仍然可以完成預(yù)定作業(yè)。自上世紀(jì)年代以來(lái)，對(duì)多機(jī)器人系統(tǒng)的研究越來(lái)越受到重視【】。多機(jī)器人系統(tǒng)的研究分為多機(jī)器人合作和多機(jī)器人協(xié)調(diào)兩大類，主要研究給定一個(gè)多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)后，如何組織多個(gè)機(jī)器人去完成任務(wù)，如何分解和分配任務(wù)以及如何保持機(jī)器入之間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)一致。多機(jī)器人協(xié)作新的技術(shù)研究和應(yīng)用領(lǐng)域不斷出現(xiàn)，多機(jī)器人協(xié)作仍然是一個(gè)剛剛起步的研究領(lǐng)域。移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r移動(dòng)機(jī)器人的研究開始于上個(gè)世紀(jì)年代末期，年美國(guó)斯坦福研究院的，等人研制了名為的自主移動(dòng)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了人工智能技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用。上世紀(jì)年代末，隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和傳感器技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人又有了新的進(jìn)展【】。從年代開始

14、，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局專門立項(xiàng)，制定了地面無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)的戰(zhàn)略計(jì)劃。從此，在全世界揭開了全面研究室外移動(dòng)機(jī)器人的序幕，如的“戰(zhàn)略計(jì)算機(jī)”計(jì)劃中的自主地面車輛（計(jì)劃西北大學(xué)碩士學(xué)位論文。進(jìn)入上世紀(jì)年代，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)，高適應(yīng)性的移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)，真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，展開了移動(dòng)機(jī)器人更高層次的研究【】。美國(guó)麻省理工大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一個(gè)人形機(jī)器人（圖），使用一套傳感器圖像來(lái)模擬人的感官，包括視覺、聽覺、觸覺和發(fā)聲系統(tǒng)。美國(guó)佐治亞理工大學(xué)的機(jī)器人利用激光傳感器來(lái)構(gòu)建一坐標(biāo)和地圖（圖）。為了彌補(bǔ)超聲、紅外和激光傳感器的不足，許多學(xué)者進(jìn)行了基于視覺導(dǎo)航的研究。

15、例如，美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的計(jì)劃完全采用了視覺作為導(dǎo)航方式，實(shí)行了基于圖像表現(xiàn)的視覺定位和導(dǎo)航；日本的的智能輪椅采用了視內(nèi)燈光作為導(dǎo)航標(biāo)記，使用了自然圖像和激光反射圖像相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了自定位等。圖機(jī)器人圖機(jī)器）國(guó)內(nèi)在移動(dòng)機(jī)器人的研究方面起步較晚，研究及應(yīng)用水平與日美相比存在較大差距，主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。世紀(jì)年代，我國(guó)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展得到政府的重視和支持，機(jī)器人步入了跨越式發(fā)展時(shí)期。年，我國(guó)開展了“七五”機(jī)器人攻關(guān)計(jì)劃，年，我國(guó)的“”高技術(shù)計(jì)劃將機(jī)器人方面的研究開發(fā)列入其中，進(jìn)行了工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)、基礎(chǔ)元器件、幾類工業(yè)機(jī)器人整機(jī)及應(yīng)用工程的開發(fā)研究。年代，確定了特種機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人及其

16、應(yīng)用工程并重，以應(yīng)用帶動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)研究的發(fā)展的方針，研制出了有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機(jī)器人系列【】。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，一方面體現(xiàn)在機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大和機(jī)器人種類的增多；另一方面體現(xiàn)在機(jī)器人的智能化。在世紀(jì)，各種智能機(jī)器人將得到廣泛的應(yīng)用，具有像人的四肢、靈巧的雙手、雙目視覺、力覺感知功能的仿人型智能機(jī)器人將被研制成功。西北大學(xué)碩士學(xué)位論文圖。清華型智能車圖圖“先行者”機(jī)器人清華大學(xué)智能技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的新一代移動(dòng)機(jī)器人清華型智能車，如圖示；中科院自動(dòng)化所研制的集多種傳感器、視覺、語(yǔ)音識(shí)別與會(huì)話功能于一體的智能移動(dòng)機(jī)器人，如圖所示；國(guó)防科技大學(xué)在年成功研制出我國(guó)第一臺(tái)兩足步行機(jī)器人

17、的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)十年研究，在年研制成我國(guó)第一臺(tái)類人型機(jī)器人“先行者”，如圖所示，等等，這些都是我國(guó)在移動(dòng)機(jī)器人研究方面取得的成績(jī)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，移動(dòng)機(jī)器人開始在更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上，開拓各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，向?qū)嵱没M(jìn)軍。在軍事上，移動(dòng)機(jī)器人可以在危險(xiǎn)地帶代替人類完成偵察、排雷等任務(wù)；在民用方面，減少交通事故的自動(dòng)或輔助駕駛系統(tǒng)，幫助殘疾人士的智能輪椅，家庭用清掃機(jī)器人，通風(fēng)管道監(jiān)測(cè)機(jī)器人等都利用到了移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)；在科學(xué)研究上，移動(dòng)機(jī)器人可以用于外星勘探，例如中國(guó)為奔月衛(wèi)星研制“移動(dòng)機(jī)器人”月球探測(cè)車，年初美國(guó)發(fā)射的勇氣號(hào)，機(jī)遇號(hào)火星車等；同時(shí)移動(dòng)機(jī)器人為智能控制、人工智能及數(shù)據(jù)融合等學(xué)科研究提供了一個(gè)非

18、常好的應(yīng)用平臺(tái)，得到廣泛關(guān)注的機(jī)器人足球比賽就是移動(dòng)機(jī)器人一個(gè)很好的例子。計(jì)算機(jī)視覺人們利用自己的眼、耳、鼻、嘴以及其他器官?gòu)闹車沫h(huán)境中獲取信息，從而在紛繁的世界上生存與發(fā)展。因此，一旦產(chǎn)生了計(jì)算機(jī)，人們也希望計(jì)算機(jī)能夠代替他們與周圍的環(huán)境交換信息，這就推動(dòng)了計(jì)算機(jī)視覺的產(chǎn)生與發(fā)展。計(jì)算機(jī)視覺研究的目標(biāo)是使計(jì)算機(jī)通過(guò)二維圖像理解三維環(huán)境信息。三維環(huán)境信息不僅指三維環(huán)境中物體的幾何信息，還包括物體的位置、姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)等信息，并且能對(duì)物體進(jìn)行描述、存儲(chǔ)、識(shí)別和理解等。計(jì)算機(jī)視覺的研究對(duì)提高機(jī)器人的自西北大學(xué)碩士學(xué)位論文動(dòng)化和智能水平、對(duì)智能機(jī)器人和智能系統(tǒng)的發(fā)展都有很大的促進(jìn)作用。計(jì)算機(jī)視覺概述計(jì)

19、算機(jī)視覺是在世紀(jì)年代從統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別開始的，到年代中期，麻省理工學(xué)院人工智能（）實(shí)驗(yàn)室正式開設(shè)“機(jī)器視覺”（）課程。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室也吸引了國(guó)際上許多知名學(xué)者參與機(jī)器視覺的理論、算法、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究。其中的教授于年提出了不同于“積木世界”分析方法的計(jì)算視覺理論（），系統(tǒng)地概括了心理生理學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)等方面已取得的所有重要成果，建立了計(jì)算機(jī)視覺的理論框架，是視覺研究中迄今為止最為完善的視覺理論剛。信息處理系統(tǒng)的角度出發(fā)，認(rèn)為視覺系統(tǒng)的研究應(yīng)分為三個(gè)層次，即計(jì)算理論層次、表達(dá)與算法層次、硬件實(shí)現(xiàn)層次。計(jì)算理論層次研究視覺系統(tǒng)的目的和策略，亦即各部分的輸入輸出是什么，之間的關(guān)系是什么變換或什么約束；表達(dá)與

20、算法層次應(yīng)給出各部分的輸入輸出和內(nèi)部的信息表達(dá)，以及實(shí)現(xiàn)計(jì)算理論所規(guī)定的目標(biāo)的算法；硬件實(shí)現(xiàn)層次研究用硬件實(shí)現(xiàn)上述表示和算法的問題，比如計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)及具體的計(jì)算裝置及其細(xì)節(jié)【。在這三個(gè)層次中，從信息處理的角度看，最重要的是計(jì)算理論層次，只有正確理解了待解決問題的本質(zhì)，才有助于理解并創(chuàng)造算法。視覺計(jì)算理論核心的部分是將視覺過(guò)程自上而下地劃分為三個(gè)階段：早期視覺處理、中期視覺處理和后期視覺處理三個(gè)階段。目前，計(jì)算機(jī)視覺仍然是一個(gè)非?；钴S的研究領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能、信號(hào)處理、神經(jīng)生理學(xué)、模式識(shí)別以及其它相關(guān)領(lǐng)域?qū)W科的發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺研究的新概念、新方法、新理論不斷涌現(xiàn)，計(jì)算機(jī)視

21、覺理論的研究得到了更深入的發(fā)展?；谟?jì)算機(jī)視覺的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航視覺在人類生活中起著非常重要的作用，人們每天都通過(guò)眼睛采集大量的信息，這些信息經(jīng)過(guò)大腦的處理，成為人們認(rèn)知和理解世界的基礎(chǔ)?？茖W(xué)證明，人類從外部世界獲得的總信息的來(lái)自于視覺。機(jī)器人視覺系統(tǒng)正如人的眼睛一樣，是機(jī)器人感知局部環(huán)境的重要“器官”，同時(shí)依此感知的環(huán)境信息實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的導(dǎo)航。西北大學(xué)碩士學(xué)位論文機(jī)器人視覺信息主要指攝像機(jī)采集的二維圖像信息。視覺信息能否被正確、實(shí)時(shí)地處理直接關(guān)系到機(jī)器人對(duì)障礙物的避碰、對(duì)路標(biāo)的識(shí)別以及對(duì)路徑的跟蹤，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和魯棒性具有決定性的作用。視覺信息的處理技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人研究中關(guān)鍵的技術(shù)之一。為了

22、簡(jiǎn)化視覺信息處理，通常把移動(dòng)機(jī)器人的工作環(huán)境分為結(jié)構(gòu)化道路環(huán)境和非結(jié)構(gòu)化道路環(huán)境。結(jié)構(gòu)化道路的檢測(cè)相對(duì)來(lái)說(shuō)較易實(shí)現(xiàn)，其檢測(cè)技術(shù)一般都以邊緣檢測(cè)為基礎(chǔ)，輔以變換、模式匹配等，并利用最、乘法處理對(duì)應(yīng)于道路邊界的線條，得出道路的幾何描述。由于非結(jié)構(gòu)化道路的環(huán)境復(fù)雜、特征描述困難，使得非結(jié)構(gòu)化道路的檢測(cè)及信息處理復(fù)雜化。近年來(lái)，機(jī)器人視覺導(dǎo)航技術(shù)有了很大的發(fā)展。移動(dòng)機(jī)器人的工作環(huán)境可能比較復(fù)雜，因此提高圖像識(shí)別的準(zhǔn)確性以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的準(zhǔn)確定位是移動(dòng)機(jī)器人完成其導(dǎo)航任務(wù)的首要前提；同時(shí)，由于移動(dòng)機(jī)器人在導(dǎo)航過(guò)程中需要實(shí)時(shí)的采集并分析圖像信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)環(huán)境的識(shí)別以進(jìn)行準(zhǔn)確的路徑跟蹤。因此，如何在提

23、高圖像識(shí)別的準(zhǔn)確性的同時(shí)達(dá)到較好的實(shí)時(shí)性是移動(dòng)機(jī)器人視覺技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。論文的選題背景與主要內(nèi)容現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)在人工智能、計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的推動(dòng)下獲得了飛速發(fā)展，其中移動(dòng)機(jī)器人因具有可移動(dòng)性和自治能力，能適應(yīng)環(huán)境變化被廣泛用于物流、探測(cè)、服務(wù)等領(lǐng)域。移動(dòng)機(jī)器人的核心技術(shù)之一是導(dǎo)航技術(shù)，特別是自主導(dǎo)航技術(shù)。由于環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化和不可預(yù)測(cè)性、機(jī)器人感知手段的不完備等原因，使得移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航難度較大，一直是人們研究的重點(diǎn)【。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)及圖像處理硬件的發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)視覺的導(dǎo)航方式在機(jī)器人導(dǎo)航中得到廣泛關(guān)注。本論文的主要內(nèi)容是研究基于計(jì)算機(jī)視覺的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的路徑

24、識(shí)別與跟蹤。論文的主要工作如下：通過(guò)視覺傳感器采集路面信息，對(duì)采集到的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，辨識(shí)出有用的路徑信息，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)當(dāng)前環(huán)境的理解。在分析移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)本文的工作平臺(tái)移動(dòng)機(jī)器西北大學(xué)碩士學(xué)位論文人，完成其直線跟蹤和轉(zhuǎn)彎部分的運(yùn)動(dòng)控制。采用超聲傳感器測(cè)量機(jī)器人與障礙物的距離，對(duì)超聲波傳感器與視覺傳感器獲得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行組合與處理。論文的主要內(nèi)容安排如下：第一章概述移動(dòng)機(jī)器人的研究?jī)?nèi)容、發(fā)展現(xiàn)狀以及計(jì)算機(jī)視覺在移動(dòng)機(jī)器人中的應(yīng)用，其中重點(diǎn)闡述了移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航技術(shù)、路徑規(guī)劃和路徑跟蹤技術(shù)、多傳感器集成與融合技術(shù)；并簡(jiǎn)要介紹本文的工作和研究?jī)?nèi)容。第二章介紹本文的工作平臺(tái)：對(duì)

25、移動(dòng)機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)，移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的子系統(tǒng)通信子系統(tǒng)和視覺子系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行說(shuō)明，最后概述整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理。第三章實(shí)現(xiàn)了本文提出和采用的視覺子系統(tǒng)的圖像處理和路徑信息辨識(shí)的方法。首先通過(guò)對(duì)各種圖像處理方法的實(shí)驗(yàn)比較和分析，結(jié)合本文導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)際環(huán)境中的圖像特點(diǎn)，確定出適合于本研究的圖像處理算法；然后在圖像處理的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)路徑信息的辨識(shí)，并提出改善路徑信息辨識(shí)速度和精度的方法。第四章在分析移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，將移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制分為直線跟蹤和轉(zhuǎn)彎兩部分；然后根據(jù)采集到的路徑圖像信息，模仿人工預(yù)瞄行為，提出直接依據(jù)圖像信息設(shè)計(jì)機(jī)器人的輸入控制量方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線跟蹤。對(duì)攝

26、像機(jī)標(biāo)定，由圖像信息獲得機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)系中的參數(shù)，計(jì)算出機(jī)器人相對(duì)于轉(zhuǎn)角的實(shí)際距離，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主轉(zhuǎn)彎的控制。并將視覺傳感器與超聲波傳感器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行組合與處理，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在移動(dòng)時(shí)能對(duì)前方障礙物進(jìn)行檢測(cè)；最后對(duì)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及性能進(jìn)行分析和討論。第五章總結(jié)全文，并提出若干需要進(jìn)一步研究和改善的地方。西北大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)針對(duì)樂高（）乏的“移動(dòng)機(jī)器人【，研究了基于計(jì)算機(jī)視覺導(dǎo)航的移動(dòng)機(jī)器人路徑識(shí)別與跟蹤。本章給出移動(dòng)機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)及本文所搭建的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)是定義一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間相互關(guān)系和功能分配，

27、確定一個(gè)機(jī)器人或多個(gè)及機(jī)器人系統(tǒng)的信息傳遞關(guān)系和邏輯上的計(jì)算結(jié)構(gòu)。對(duì)于一個(gè)具體的機(jī)器人而言，是指這個(gè)機(jī)器人信息處理和控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。移動(dòng)機(jī)器人基本功能模塊如圖所示，其中決策廷感知?jiǎng)涌刂茍D移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的基本功能和模塊感知模塊：傳感器感知模塊是連接現(xiàn)實(shí)世界環(huán)境與機(jī)器人的接口，是機(jī)器人獲取信息的窗口。用傳感器采集信息可以使機(jī)器人具備感知環(huán)境的能力，對(duì)采集到的信息進(jìn)行處理，可以為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制提供決策依據(jù)。單一的傳感器往往只能提供外界環(huán)境的部分信息，移動(dòng)機(jī)器人很難依此做出合理的判斷。為了彌補(bǔ)單個(gè)或單類傳感器性能上的差異和探測(cè)缺陷，移動(dòng)機(jī)器人常采用多個(gè)或多類傳感器，利用多傳感器融合技術(shù)對(duì)這些傳感

28、器獲取的信息進(jìn)行綜合處理以獲得完整的外界信息。決策模塊：機(jī)器人通過(guò)傳感器獲取外界環(huán)境信息之后，對(duì)所感知的信息進(jìn)行綜合判斷，并對(duì)判斷結(jié)果做出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，下達(dá)移動(dòng)機(jī)器人的自主行進(jìn)、自主西北大學(xué)碩士學(xué)位論文導(dǎo)航、避障、目標(biāo)檢測(cè)等智能化的操作的指令。運(yùn)動(dòng)控制模塊：該模塊根據(jù)決策層的路徑規(guī)劃，產(chǎn)生作用于移動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的命令，使機(jī)器人對(duì)現(xiàn)實(shí)世界環(huán)境的變化做出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。移動(dòng)機(jī)器人采用模塊化的結(jié)構(gòu)，分為動(dòng)力、控制、傳感器三個(gè)模塊，模塊間通過(guò)許多不同的結(jié)構(gòu)件來(lái)連接固定，圖是其中的部分結(jié)構(gòu)件。整個(gè)機(jī)器入由三點(diǎn)支撐，前面兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，后面一個(gè)萬(wàn)向輪用于平衡。一譽(yù)一圖機(jī)器人的部分結(jié)構(gòu)件一麓露一一一邑池板二

29、卜動(dòng)力系統(tǒng)圖移動(dòng)機(jī)器人實(shí)物圖移動(dòng)機(jī)器人底部為動(dòng)力系統(tǒng)，裝有伺服電機(jī)，機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎主要是通過(guò)兩個(gè)電機(jī)的差速轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)即處理器，其主處理器是位處理器，主頻，閃存，靜態(tài)內(nèi)存；協(xié)處理器是位處理器，主頻，閃存，靜態(tài)內(nèi)存。處理器上共有個(gè)端口，輸入端口為個(gè)線數(shù)字接口，支持?jǐn)?shù)字和模擬接口（可接個(gè)傳感器）；個(gè)高速端口，符合國(guó)際總線標(biāo)準(zhǔn)及歐洲標(biāo)準(zhǔn)；輸出端口為個(gè)線數(shù)字接口，支持解碼器信號(hào)輸入（可接個(gè)伺服馬達(dá)）。處理器面部裝有顯示屏，西北大學(xué)碩士學(xué)位論文×像素黑白圖像顯示，可視區(qū)域×。背部裝有鋰電池板。處理器四周安裝有傳感器系統(tǒng)，移動(dòng)機(jī)器人配備的傳感器系統(tǒng)包括檢測(cè)距離的超聲波傳感器；讀取

30、環(huán)境光強(qiáng)度的光電傳感器；測(cè)量噪音（或丑），識(shí)別調(diào)制聲音模式、音調(diào)、音色的聲音傳感器及觸動(dòng)傳感器。移動(dòng)機(jī)器人實(shí)物圖如圖所示。本文搭建的移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖所示。以通用計(jì)算機(jī)作為導(dǎo)航系統(tǒng)的處理核心，通過(guò)藍(lán)牙設(shè)備實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與移動(dòng)機(jī)器人之間的無(wú)線通信，采用單目攝像頭作為視覺傳感器用于移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航，通過(guò)數(shù)據(jù)線將攝像頭與計(jì)算機(jī)相連。同時(shí)，該導(dǎo)航系統(tǒng)還配有備用超聲波傳感器。伺服電機(jī)圖移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航子系統(tǒng)通信子系統(tǒng)在整個(gè)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航子系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)與移動(dòng)機(jī)器人的通信是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，通信子系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)與移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)溝通的橋梁。近年來(lái)隨著藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展及其廣泛應(yīng)用

31、，其在短距離無(wú)線傳輸上的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，使得它的應(yīng)用范圍擴(kuò)西北大學(xué)碩士學(xué)位論文展到移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域中。藍(lán)牙技術(shù)簡(jiǎn)介藍(lán)牙技術(shù)是由愛立信、諾基亞、東芝等家公司于年月聯(lián)合制定的近距離無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)【，是全球統(tǒng)一、開放的無(wú)線數(shù)據(jù)和語(yǔ)音通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)【】。其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是為固定設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備之間的通信環(huán)境建立通用的無(wú)線電空中接：（），將通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步結(jié)合起來(lái)，提供一種低價(jià)位、低功耗、替代電纜的無(wú)線數(shù)據(jù)和語(yǔ)音鏈路，使設(shè)備能在近距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)相互通信或操作。藍(lán)牙技術(shù)主要面向網(wǎng)絡(luò)中各類數(shù)據(jù)及語(yǔ)音設(shè)備（如、撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)、筆記本電腦、打印機(jī)、移動(dòng)電話等），通過(guò)無(wú)線方式將它們連成一個(gè)微微網(wǎng)（），多個(gè)微微網(wǎng)之間也可以互聯(lián)

32、形成分布式網(wǎng)絡(luò)（），從而方便、快速的實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備之間的通信【，使人們能夠隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)個(gè)人區(qū)域內(nèi)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信息的交換與傳輸。藍(lán)牙技術(shù)的特點(diǎn)藍(lán)牙技術(shù)可以將人們從千頭萬(wàn)緒的數(shù)據(jù)線連接工作中解放出來(lái)：將寫有藍(lán)牙無(wú)線收發(fā)程序的小芯片嵌入藍(lán)牙設(shè)備，在范圍內(nèi)不需要任何數(shù)據(jù)連接線，所有支持藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備之間就進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)連接。藍(lán)牙技術(shù)支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多的通信，可采用無(wú)線方式將若干藍(lán)牙設(shè)備連成一個(gè)微微網(wǎng)。多個(gè)微微網(wǎng)又可以互連出特殊分散網(wǎng)，從而形成一個(gè)靈活的區(qū)域網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備間的快速通信。同時(shí)由于藍(lán)牙也采用了微波技術(shù)，可以繞開障礙物傳輸信號(hào)。同時(shí)藍(lán)牙還具有以下特點(diǎn)：全球可操作性，藍(lán)牙設(shè)備的工作頻段選在的（業(yè)

33、、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段，該頻段在全球各個(gè)國(guó)家都是有效的，沒有被任何一個(gè)組織或行業(yè)單獨(dú)占用，可自由使用【】；體積小，可以直接嵌入主微型設(shè)備中；功耗小，可以用電池供電，工作電壓只需；低成本；安全性高，體現(xiàn)在：（）抗干擾能力強(qiáng)，藍(lán)牙采取抗干擾措施主要有快調(diào)頻、自適應(yīng)功率控制和短數(shù)據(jù)包等；（）保密性好，藍(lán)牙在其基帶協(xié)議中加入了鑒權(quán)和加密措施；（）低輻射，藍(lán)牙的標(biāo)稱輸出功率僅為。藍(lán)牙技術(shù)在移動(dòng)機(jī)器人通信中的應(yīng)用目前，機(jī)器人的人機(jī)交互和信息傳輸?shù)姆绞街饕鞋F(xiàn)場(chǎng)總線方式、紅外線方式等。西北大學(xué)碩士學(xué)位論文現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)多種多樣，通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，使得系統(tǒng)的開放性大打折扣。此外，隨著機(jī)器人機(jī)構(gòu)的復(fù)雜化和集成度的提高，

34、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的走線有時(shí)非常困難甚至是不可能的【。而藍(lán)牙技術(shù)的首要好處就是消除了這些令人頭痛、千頭萬(wàn)緒的電纜線，大大縮小了系統(tǒng)的體積。紅外線通信（）方式是一種短距離無(wú)線傳輸技術(shù)，它依靠紅外線來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，不像現(xiàn)場(chǎng)總線方式那樣需要通信電纜。是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的技術(shù)，是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)的技術(shù)。目前，它的軟硬件技術(shù)都很成熟，在小型移動(dòng)設(shè)備（，掌上電腦）、手機(jī)上廣泛使用。其內(nèi)通信速率已達(dá)到，采用（，脈沖位置調(diào)制）調(diào)制方式，適合于傳輸容量大的數(shù)據(jù)文件和多媒體數(shù)據(jù)流。另外，由于紅外線發(fā)射角小，因此在物理傳輸上具有一定的安全性?？蓱?yīng)用于工業(yè)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的互連，為工業(yè)移動(dòng)測(cè)試和傳輸提供優(yōu)良的手段】

35、。但是，同樣也存在明顯的缺點(diǎn)，即傳輸距離短，一般為左右，且視線可及；要求通信設(shè)備的位置固定；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸，無(wú)法靈活組網(wǎng)。與相比，藍(lán)牙技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：使用全向天線，更易于發(fā)現(xiàn)設(shè)備；具有很好的抗干擾能力；支持終端的移動(dòng)性；傳輸速率設(shè)計(jì)為，全雙工通信：信號(hào)傳輸不受視距影響；支持點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的連接，易于組網(wǎng)。藍(lán)牙技術(shù)相對(duì)于紅外線通信的這些優(yōu)勢(shì)使得它更適合于機(jī)器人，因此將藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用在機(jī)器人系統(tǒng)相對(duì)于其他的通信方式有著顯著的優(yōu)勢(shì)。視覺子系統(tǒng)視覺子系統(tǒng)分為圖像采集和圖像處理兩大部分，其中圖像采集部分包括攝像器件和圖像采集卡。本節(jié)主要概述圖像采集部分。圖像采集方式目前的視覺系統(tǒng)根據(jù)所使用的攝像機(jī)的個(gè)數(shù)一般分為三

36、類：?jiǎn)螖z像頭式，雙攝像頭式和多攝像頭式，大多數(shù)采用單攝像頭或是雙攝像頭方式。多攝像頭式中，各攝像頭之間有著不同的焦距，視角從小到大。目前，視覺系統(tǒng)采集圖像遇到的問題是：采用大焦距攝像頭時(shí)，轉(zhuǎn)彎視角過(guò)窄，無(wú)法觀察到兩旁的景物。選用廣角鏡頭捕捉前方場(chǎng)景圖像時(shí)，拍攝遠(yuǎn)處則存在圖像分辨率較低，非線性畸變大等問題，采用多西北大學(xué)碩士學(xué)位論文攝像頭方式可解決這些問題【。但此時(shí)需要同時(shí)處理多幀圖像，計(jì)算量巨大，運(yùn)用此種方式的系統(tǒng)比較少。雙攝像頭式對(duì)不同視角的攝像機(jī)獲取的兩幅圖像進(jìn)行區(qū)域匹配，實(shí)現(xiàn)立體視覺，可以得到相對(duì)較多的信息，例如車輛及障礙物的檢測(cè)等，但涉及的計(jì)算復(fù)雜，運(yùn)算量較大，不容易實(shí)現(xiàn)。單攝像頭式采

37、用一個(gè)面陣型攝像機(jī)，在精度要求不很高的情況下，可以獲得足夠的信息進(jìn)行路徑跟蹤。在綜合考慮了本文中導(dǎo)航系統(tǒng)的工作環(huán)境、設(shè)計(jì)成本等因素后，本系統(tǒng)采用單目攝像頭作為視覺傳感器用于機(jī)器人的視覺導(dǎo)航。由于機(jī)器人是在環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單的室內(nèi)運(yùn)行，且機(jī)器人的主要任務(wù)是基于引導(dǎo)線的路徑識(shí)別與跟蹤，因此采用單目攝像頭采集方式可以滿足系統(tǒng)需求。當(dāng)然，采用單一的視覺傳感器會(huì)增加導(dǎo)航的難度。圖像采集設(shè)備圖像采集設(shè)備決定著視覺系統(tǒng)數(shù)據(jù)源頭的質(zhì)量問題。使用黑白攝像機(jī)或彩色攝像機(jī)是圖像采集模塊的兩種選擇方案。與彩色攝像機(jī)相比，雖然黑白攝像機(jī)設(shè)備成本低，相同大小圖像的圖像數(shù)據(jù)量小，易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集和處理，環(huán)境噪聲對(duì)圖像質(zhì)量的影響較

38、小，但是存在諸如圖像的信息量小，不符合人眼的視覺感知特性。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，并考慮到本文中移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)研究的發(fā)展和繼承，選用彩色數(shù)字?jǐn)z像頭。攝像頭的感光元件一般分為和兩種。在攝影攝像方面，由于要求較高，因此多采用設(shè)計(jì)，本文應(yīng)用感光元件已能滿足需要。而且一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是制造成本較毛，功耗也小很多。本系統(tǒng)中所使用的攝像頭采用感應(yīng)器，動(dòng)態(tài)視頻分辨率為（萬(wàn)）像素，靜態(tài)視頻分辨率：（萬(wàn)）像素，最高每秒采集幀圖像。攝像機(jī)的安裝設(shè)計(jì)攝像機(jī)的視野范圍與攝像機(jī)的安裝高度有關(guān)。在相同的俯仰角情況下，攝像機(jī)安裝高度增大，攝像機(jī)視野范圍也隨之增大，機(jī)器人的預(yù)瞄距離也隨之增大。所以，安裝時(shí)可適量增大安裝高度。攝像機(jī)鏡頭

39、俯仰角為攝像機(jī)光軸與道路水平面的夾角，攝像機(jī)的預(yù)瞄距離定義為攝像機(jī)光軸與地面交點(diǎn)到攝像機(jī)鏡頭在地面上的垂直投影點(diǎn)之間的水平距離。西北大學(xué)碩士學(xué)位論文圖攝像機(jī)采集幾何關(guān)系示意圖如圖所示，表示攝像機(jī)安裝高度，表示攝像機(jī)的預(yù)瞄距離，秒表示攝像機(jī)鏡頭俯仰角。針對(duì)本系統(tǒng)中的移動(dòng)機(jī)器人，本論文采用單目攝像頭用于視覺系統(tǒng)的圖像采集，攝像頭通過(guò)數(shù)據(jù)線連接到計(jì)算機(jī)。攝像頭以一定俯仰角安裝于移動(dòng)機(jī)器人的右側(cè)，即右側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的上方，其中攝像頭的光軸與移動(dòng)機(jī)器人兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的中軸線基本垂直。攝像頭將采集到的數(shù)字視頻信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)線傳遞給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)接收到的圖像信息利用數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行處理，根據(jù)處理結(jié)果對(duì)移動(dòng)機(jī)器人發(fā)

40、送相應(yīng)的控制指令。移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理圖移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理圖移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)由移動(dòng)機(jī)器人、視覺子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)及通用計(jì)算機(jī)四部分構(gòu)成。系統(tǒng)工作原理如圖所示，首先移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)架設(shè)在機(jī)器人上的攝像頭采集工作環(huán)境的信息，然后由視覺子系統(tǒng)將視頻信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、辨識(shí)，計(jì)算機(jī)根據(jù)辨識(shí)的結(jié)果，由控制算法得到控制量，最后通過(guò)通信子系統(tǒng)與移動(dòng)機(jī)器人通信，將控制量發(fā)送給移動(dòng)機(jī)器人，控制機(jī)器人跟西北大學(xué)碩士學(xué)位論文蹤目標(biāo)或路徑行走?？梢?，這是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，即視覺傳感器將采集到的圖像信息送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)視頻圖像中的目標(biāo)或者路徑信息進(jìn)行處理、辨識(shí)，依據(jù)控制策略對(duì)機(jī)器人發(fā)出控制指令，以

41、達(dá)到機(jī)器人跟蹤目標(biāo)或者路徑的目的。本章小結(jié)本章主要概述了移動(dòng)機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)及本文所搭建的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)。對(duì)移動(dòng)機(jī)器人硬件平臺(tái)的構(gòu)成及各個(gè)模塊的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明，并簡(jiǎn)述移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理及其視覺子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成。西北大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章圖像處理及路徑信息辨識(shí)圖像工程根據(jù)抽象程度和研究方法等的不同可以分為三個(gè)層次：圖像處理、圖像分析和圖像理解。圖像處理著重強(qiáng)調(diào)在圖像之間進(jìn)行的變換，雖然人們常用圖像處理泛指各種圖像技術(shù)，但是比較狹義的圖像處理技術(shù)的主要目標(biāo)是要對(duì)圖像進(jìn)行各種加工以改善圖像的視覺效果并為后續(xù)的工作打下基礎(chǔ)。圖像分析不同于圖像處理，它主要是對(duì)圖像中感興趣

42、的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，以獲得它們的客觀信息，從而建立對(duì)圖像和目標(biāo)的描述。曾給出解釋，圖像分析的目的是，依據(jù)從圖像或者圖像序列中提取的信息，構(gòu)建成對(duì)場(chǎng)景的描述【。圖像處理與圖像分析二者之間既有區(qū)別也有聯(lián)系，通常圖像分析是在圖像處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。圖像理解的重點(diǎn)是在圖像分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究圖像中各目標(biāo)的性質(zhì)和它們之間的相互關(guān)系，并得出對(duì)圖像內(nèi)容含義的理解以及對(duì)原始客觀場(chǎng)景的解釋，從而指導(dǎo)和規(guī)劃行動(dòng)。本章首先簡(jiǎn)要介紹視覺系統(tǒng)圖像處理部分的基本算法，然后根據(jù)本文中導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)際工作環(huán)境中的特點(diǎn)，確定出適合于本研究的圖像處理算法，最后在圖像處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行圖像分析，即路徑信息的辨認(rèn)和識(shí)別。圖像處理圖像縮放圖

43、像插值算法經(jīng)常被用于圖像放大和局部圖像縮放，其技術(shù)廣泛用于靜態(tài)圖像和視頻信號(hào)壓縮解碼顯示【。插值算法的好壞直接關(guān)系到圖像的失真程度。常用的數(shù)字圖像的插值方法有最近鄰點(diǎn)插值法、雙線性插值法、雙三次插值法等【刪。最近鄰點(diǎn)插值法最近鄰點(diǎn)插值又稱零階插值，它輸出的像素值等于距離它映射到的位置最近的輸入像素值。對(duì)于二維圖像，該法是取待采樣點(diǎn)周圍個(gè)相鄰像素點(diǎn)中距離最近的一個(gè)鄰點(diǎn)的灰度值作為該點(diǎn)的灰度值。插值公式為（，）（，）（）其中，均為非負(fù)整數(shù)，甜，為，】區(qū)間的浮點(diǎn)數(shù)，一般可取，（，）表示原圖像（，）處的像素值。西北大學(xué)碩士學(xué)位論文此算法雖然計(jì)算簡(jiǎn)單，但由于僅用對(duì)該采樣點(diǎn)影響最大的即最近的像素的灰度值作

44、為該點(diǎn)的值，而沒有考慮其他相鄰像素的影響，即采樣點(diǎn)與其他相鄰像素的相關(guān)性，因此重新采樣后的圖像灰度值有明顯的不連續(xù)性，像質(zhì)損失較大。雙線性插值法雙線性插值又稱一階插值，是對(duì)最近鄰點(diǎn)法的一種改進(jìn)，這種方法是利用周圍個(gè)鄰點(diǎn)的灰度值在兩個(gè)方向上作線性內(nèi)插以得到待采樣點(diǎn)的灰度值，即根據(jù)待采樣點(diǎn)與相鄰點(diǎn)的距離確定相應(yīng)的權(quán)值計(jì)算出待采樣點(diǎn)的灰度值。插值公式為（，（）（，）廠（，）（）（，）（，），礦，）其中，均為非負(fù)整數(shù)，材，為，）區(qū)間的浮點(diǎn)數(shù)，（）（，）表示原圖像（，）處的的像素值。則這個(gè)像素的值（，）可由原圖像中坐標(biāo)為（，）、（，）、（，）、，）所對(duì)應(yīng)的周圍四個(gè)像素的值決定。與最近鄰點(diǎn)法相比，雙線性內(nèi)

45、插法考慮了待采樣點(diǎn)周圍個(gè)直接鄰點(diǎn)對(duì)待采樣點(diǎn)的影響，因此基本克服了前者灰度不連續(xù)的缺點(diǎn)，但其代價(jià)是計(jì)算量有所增大。雙三次插值法雙三次插值又稱立方卷積插值，是一種更加復(fù)雜的插值方式，即不僅考慮到四個(gè)直接鄰點(diǎn)灰度值的影響，還考慮到各鄰點(diǎn)間灰度值變化率的影響，利用了待采樣點(diǎn)周圍更大鄰域內(nèi)像素的灰度值作三次插值。此法用了式（）所示的三次多項(xiàng)式（叻，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為科式中為自變量，（叻為三次多項(xiàng)式的值。插值公式為（，）毒棗（）（）計(jì)算時(shí)利用周圍個(gè)鄰點(diǎn)的灰度值按式（）進(jìn)行內(nèi)插。其中【（“）（”）（）】（）西北大學(xué)碩士學(xué)位論文（，）（一，）（，）（，）（，）（，），（，）（，）（，）（甜）（“）（）（，）（，）

46、廠，一，乙（）動(dòng)，動(dòng)動(dòng)（，力（）式中的（）函數(shù)用式（）計(jì)算。與雙線性插值法相比，雙三次插值法不僅考慮了直接鄰點(diǎn)的灰度值對(duì)待采樣點(diǎn)的影響，還考慮了鄰點(diǎn)問灰度值變化率的影響，因此后者所求得的待采樣點(diǎn)灰度值更接近原（采樣）值。但此方法用進(jìn)一步增大計(jì)算量來(lái)?yè)Q取待采樣點(diǎn)精度的進(jìn)一步提高。還可以使用更多鄰點(diǎn)的內(nèi)插。使用更多鄰點(diǎn)意味著在更復(fù)雜表面對(duì)點(diǎn)賦灰度值，該方法通常會(huì)產(chǎn)生平滑一些的效果。對(duì)于三維圖形（）和醫(yī)學(xué)圖像處理等（），這是一個(gè)特別重要的產(chǎn)生圖像的方法。、原始圖像、最近鄰點(diǎn)插值、雙線性插值、雙三次插值圖三種插值方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果三種插值方法的執(zhí)行時(shí)間最近鄰點(diǎn)插值法雙線性插值法表雙三次插值法執(zhí)行時(shí)間（）下

47、面對(duì)同一幅圖像進(jìn)行倍的縮小，圖是三種插值方法的插值效果，其插值方法在運(yùn)算時(shí)間上的比較如表所示。西北大學(xué)碩士學(xué)位論文從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，使用晟近鄰點(diǎn)插值法，重新采樣后的圖像在邊緣處有明顯的不連續(xù)性，像質(zhì)損失較大。而使用雙線性插值、雙三次插值這兩種方法都能較好的克服前者出現(xiàn)的灰度不連續(xù)的缺點(diǎn)，插值效果得到改善。但同時(shí)從表可以看到，后兩種插值方法在插值運(yùn)算的時(shí)間上相較第一種方法也分別增加了倍和倍。也就是說(shuō)插值效果的提高是以增大插值運(yùn)算量為代價(jià)的。因此，在選取插值方法的時(shí)候必須結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)的要求，如果對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求較高，則應(yīng)當(dāng)選取插值計(jì)算量較小同時(shí)插值效果能基本滿足系統(tǒng)處理需要的方法以節(jié)省運(yùn)算時(shí)間。對(duì)于通常目的的數(shù)字圖像放大和收縮，減少一些額外的計(jì)算負(fù)擔(dān)是合理的，因此雙線性插值法通常是首選方法。圖像分割圖像分割就是指把圖像分成各具特性的區(qū)域并提取出感興趣目標(biāo)信息的過(guò)