基于立体视觉的移动机器人路径规划与避障技术的研究.pdf
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1、上海大学硕士学位论文基于立体视觉的移动机器人路径规划与避障技术的研究姓名:赵静申请学位级别:硕士专业:计算机应用技术指导教师:陈一民20090101上海大学硕上学位论文摘要随着各学科技术的发展,移动机器人得到国内外广泛的关注。移动机器人的应用潜力巨大,其应用领域包括自动驾驶、未知领域的探索、工农业自动化生产、高危环境无人工作等,移动机器人控制技术的发展将对人类生产、生活产生深远影响。移动机器人是一个集环境信息采集、图像处理与物件识别、动态决策与规划、运动控制等多项功能于一体的智能系统。移动机器人通过本身传感器对外界环境信息的感知、接受和处理,制定出行走路线,并在行进过程中完成躲避障碍物等行为,
2、最终完成指定任务。本文针对机器人路径规划与避障技术中的几个关键问题,如双目视觉测距、物件识别、路径规划以及避障策略等,进行了深入的研究和讨论。本文的主要工作集中在:(1)提出路径规划和避障系统的系统框架,整个系统主要包括:双路视频采集模块、视觉测距模块、路面分析和物件提取区分模块、路线规划和避障模块等部分。(2)环境采集子系统,利用双目视觉传感器和红外传感器相结合进行环境信息的采集和分析。通过架构D i r e c t S h o w 到O p e n C V 的桥梁,结合两者进行视频数据的处理;系统采用张氏平面标定法实现摄像机参数的标定,采用变焦测距技术实现测距。实验证明所提出的方法能有效提
3、高系统效率,扩展系统测距的距离。(3)图像处理和物件提取子系统,利用多种经典的图像处理算法,对采集到的图像进行了路面及背景区域分离和障碍物及目标物的识别。采用改进的模板匹配算法实现双目视觉下的匹配,改进方法能有效提高系统的效率;根据障碍物和目标物的几何外形不同,系统采用图像的统计特征矩(H u 矩),实现对障碍物和目标物的区分。(4)路径规划和避障子系统是整个系统的决策环节,利用双目视觉信息采集子系统测得的物件深度信息还原物件的位置和大小信息,以移动机器人为原点构建动态的地图;根据得到的地图,采用人工势场法进行路径规划,并通过修V I上海大学硕士学位论文改斥力场函数,消除人工势场法存在局部最小
4、值的现象;采用模糊控制原理,设计模糊控制器,制定避障策略,并提出了几种同步控制系统各个模块的方法。文章给出了立体视觉移动机器人路径规划和避障系统实验的结果和分析,得出该系统的设计和实现可以较好地完成课题所给出的要求,实现所需求的功能,完成移动机器人路径规划并成功避障。最后,总结了全文的研究内容,指出了该系统有待进一步解决的问题。关键词:视觉测距,路径规划,人工势场,机器人避障,模糊控制V l I上海大学硕士学位论文A b s t r a c tW i t ht h ed e v e l o p m e n to fv a r i o u st e c h n o l o g i e s,m o
5、 b i l er o b o t sh a v eb e e np a i dc l o s ea t t e n t i o nt o T h i si sd u et ot h eg r e a ta p p l i c a t i o np o t e n t i a lo fm o b i l er o b o t P o s s i b l ea p p l i c a t i o n si n c l u d ea u t o m a t i cf r e e w a yd r i v i n g,e x p l o r a t i o no fu n k n o w nr e
6、g i o n s,a u t o m a t i cp r o d u c t i o no fi n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e,w o r k i n gu n d e rh i g hr i s ke n v i r o n m e n t T h ed e v e l o p m e n to fi tw i l li m m e n s e l yi n f l u e n c eh u m a np r o d u c t i o na n dI i f e M o b i l er o b o ti sa ni n t e l l
7、 i g e n ts y s t e m,w h i c hc o m b i n e st h et e c h n o l o g i e so fe n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n,i m a g ep r o c e s s i n ga n do b je c t sr e c o g n i t i o n,d y n a m i cd e c i s i o n m a k i n g,p a t h p l a n n i n g,a n dm o t i o nc o n t r 0 1
8、 M o b i l er o b o tp e r c e p t st h ee n v i r o n m e n tw i t ht h eh e l po fs e n s o r s,d e s i g n st h er o u t e sa n da c c o m p l i s ho b s t a c l ea v o i d a n c ed u r i n gt h et r a v e l T h ep a p e rr e s e a r c h e sa n dd i s c u s s e ss e v e r a lk e yi s s u e so ft
9、h em o b i l er o b o tp a t h-p l a n n i n ga n do b s t a c l ea v o i d a n c es y s t e m T h ek e yi s s u e si n c l u d et h a tb i n o c u l a rv i s i o n,o b j e c tr e c o g n i t i o n,p a t h-p l a n n i n ga n do b s t a c l ea v o i d a n c es t r a t e g i e s I nt h i sp a p e r,o
10、u rm a i nw o r k sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w:(1)O u rs y s t e mb u i l d sam o b i l er o b o ts y s t e mo fa u t o m a t i co b s t a c l ea v o i d a n c e,w h i c hC a nb ed i v i d e di n t of i v em o d u l e s,v i d e oc a p t u r em o d u l e,b i n o c u l a rd i s t a n c em e a
11、 s u r e m e n tm o d u l e,s c e n ea n a l y z em o d u l ea n do b j e c t sr e c o g n i t i o nm o d u l e,m a pc o n s t r u c t i n ga n dp a t h p l a n n i n gm o d u l e,P L Cc o n t r o lm o d u l e(2)T h es y s t e ma c h i e v e se n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o nb yb i n o c u
12、l a rv i s i o nc o m b i n e dw i t hi n f r a r e ds e n s o r s T h es y s t e mc o n s t r u e sab r i d g eb e t w e e nD i r e c t S h o wa n dO p e n C V W es t a n d a r d i z et h ec a m e r ap a r a m e t e r sb ym e a n so fZ h a n g,a n dp r o p o s ead i s t a n c em e a s u r i n gm e
13、t h o db yz o o m i n g I tp r o v e st l l a tt h ez o o m i n gm e t h o dc a ni m p r o v es y s t e me f f e c t i v e l ya n de x p a n dt h er a n g eo fm e a s u r i n gb ye x p e r i m e n t s(3)T h ei m a g ep r o c e s s i n ga n do b j e c t se x t r a c t i n gs u b s y s t e ms e p a r
14、a t et h es u r f a c e,b a c k g r o u n da n do b j e c t so fi m a g e sb ys e v e r a lc l a s s i ci m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m s A ni m p r o v e dt e m p l a t em a t c ha l g o r i t h mi sp r e s e n t e d,w h i c hm a k et h em a t c h i n gp r o c e s sm o r ee f f i c i
15、e n t W er e c o g n i z et h eo b s t a c l e sa n dt h et a r g e tb yi m a g es t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c s(H uc h a r a c t e r i s t i c s)(4)T h ep a t h p l a n n i n ga n do b s t a c l ea v o i d a n c es u b-s y s t e mi st h ec o n t r o l l e ro ft h es y s t e m I n
16、t h eh e l po ft h eo b j e c t sd e p t hi n f o r m a t i o nw h i c hp r o v i d e db yb i n o c u l a rv i s i o ns u b-s y s t e m,w eb u i l dam a pw i t ht h em o b i l er o b o ta st h eo r i 垂n A c c o r d i n gt ot h em a p,w ea d o p tt h em e a n so fa r t i f i c i a lp o t e n t i a lf
17、 i e l dt op l a nt h ep a t h I no r d e rt oe l i m i n a t et h ed i s a d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a lm e t h o d,w em o d i f yt h ep o t e n t i a lf i e l df u n c t i o n W ed e s i g naf u z z yc o n t r o l l e r,a n df o r m u l a t eas e q u e n c eo fo b s t a c l ea v o
18、 i d a n c er u l e sb a s e do nf u z z yl o g i c W ep r o p o s es e v e r a ls t r a t e g i e so fs y n c h r oV I I I上海大学硕士学位论文c o n t r 0 1 W ep r e s e n tt h ee x p e r i m e n t sa n da n a l y s i so fm o b i l er o b o tp a t hp l a n n i n ga n do b s t a c l ea v o i d a n c es y s t e
19、 m T h ee x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v et h a tt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e mc o m p l e t e st h ed e m a n do ft h ep r o j e c t T h es y s t e mc a i ls u c c e e di np a t hp l a n n i n ga n do b s t a c l ea v o i d a n c e F i n a l l y,t h ew o
20、r ko ft h i sp a p e ri ss u m m a r i z e da n dt h ef u r t h e rr e s e a r c hi sd i s c u s s e d K e y w o r d s:B i n o c u l a rd e p t hm e a s u r e m e n t,p a t hp l a n n i n g,a r t i f i c i a lp o t e n t i a lf i e l d,r o b o to b s t a c l ea v o i d a n c e,f u z z yl o g i cI X原
21、创性声明本人声明:所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名:毳萄日期:雩:立!仝本论文使用授权说明本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留论文及送交论文复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容。(保密的论文在解密后应遵守此规定)签名:彳沮导师签名:乡2 趔日期:嫂夕I I I土瀣友堂亟堂僮途塞第一章绪论1 1 课题研究背景与来源移动机器人通过传感器感知外界环境和自身状态,实现
22、在有障碍物的环境中,向目标自主运动,完成一定作业功能的机器人系统。随着各学科技术的发展,移动机器人成为国内外研究的热点,在军事、民用和科学研究各个方面应用广泛,包括航天【、海洋【2 1、军事、农林【3 1、生活服纠4 1 等。移动机器人是一个集环境信息采集、图像处理与物件识别、动态决策与规划、运动控制等多项功能于一体的智能系统。它牵涉到运动学、信息论、图像学、人工智能等多个学科,集中体现了计算机技术和人工智能的最新成梨5 1。移动机器人最早的研究在1 9 6 6 年至1 9 7 2 年,目的是为了在复杂环境下机器人系统的自主推理规划和控制。如何在简单或复杂、部分已知或不可预测的环境中自主移动到
23、达目标点,并躲避障碍物是移动机器人最基本的功能之一。而这其中又牵涉到机器视觉、视觉测距、立体匹配、地图构建、路径规划、目标跟踪、控制策略和机器控制等。本课题来自国家教委“基于网络的远程机器人监控技术和上海市科委“基于I n t e r n e t 的智能控制技术的研究”科研项目。基于双目视觉的移动机器人避障与自动追踪技术的研究,也是该科研项目的一个延伸性分支。1 2国内外研究现状1-2 1国外研究现状国外移动机器人的研究开始于2 0 世纪6 0 年代,美国在1 9 6 2 年研制出世界上第一台工业机器人。2 0 世纪8 0 年代,美国国防高级研究计划局(D A R P A)专门立项,制定了地面
24、无人作战的战略计划。从此,室外移动机器人的研究在全世界展开:欧洲尤里卡的机器人计划;日本通产省组织的极限环境下作业的机器人计划;D A R P A土握鑫芏塑土星垃建童的“战略汁算机”计划中的自主地面车辆(A L V)计划等。美国卡内基梅隆大学机器人研究所在八十年代研制出N a v L a b J 机器人,它具有完成图像处理、图像理解、传感器信息融合、路径规划和本体控制等功能。2 0 世纪9 0 年代,随着科技的发展进步,移动机器人朝着高适应性、高水平环境信息处理等方向发展。图1 l 是美国M 1 T 人工智能宴验室开发人形机器人C o g【6 ,该机器人使用一整套传感系统来模拟人的感官美国N
25、A S A 资助研制的“丹蒂I I”八足行走机器人能实现对远程机器人行走探险。1 9 9 7 年美国N A S A 研制的火星探测机器人“索杰娜”登上火星,2 0 0 4 年美国又相继发射“勇气号1 和“机遇号”火星车。围】1 机器人C o g 和研究人员刚1 2 本田积足行走机器人图1 3 目立清洁机器人二战后的日本,为了解决劳动力紧张的情况,引进机器人及其技术并于1 9 6 8年研制出第一台“尤尼曼特”机器人。到了8 0 年代中期,日本的机器A 产量和安装台数在国际上跃居首位。图l2 为闩奉本田公司于2 0 0 0 年宣布推出的世界上第一台会跑步的双脚步行机器人A s i m o ”,它跑
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- 基于 立体 视觉 移动 机器人 路径 规划 技术 研究
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