【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 色相似時(shí)， Polly行走就變得困難，因?yàn)樗鼰o(wú)法用灰度值區(qū)分這些物體的邊界。 Polly 上還安裝了碰撞及聲納傳感器，因此它不是完全依賴(lài)于視覺(jué)。 Horswill 繼續(xù)開(kāi)發(fā)了第二代機(jī)器人稱(chēng)為 Frankie。 Frankie 用一個(gè)邊緣監(jiān)測(cè)器來(lái)識(shí)別障礙物。一些顏色特征也可以稍微識(shí)別出來(lái)。但是當(dāng)?shù)孛姹容^光滑發(fā)生反射時(shí)，它會(huì)將反射光作為障礙物。 Turk和 Marra研究出了一種利用顏色信息而不是邊緣信息來(lái)檢測(cè)道路上障礙物的算法。和簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)相似，這種算法將連續(xù)的彩色圖像相減來(lái)檢測(cè)障礙物。如果地面表面非常粗糙時(shí)，也將遇到與邊緣檢測(cè)算法相似的 問(wèn)題。此外，這種算法假設(shè)機(jī)器人和障礙物中有一個(gè)處于運(yùn)動(dòng)中。盡管在地面表面非常粗糙的時(shí)候， Turk和 Marra研究的算法不能起作用，但是立體視覺(jué)和光流系統(tǒng)卻能很好的發(fā)揮作用。 Lourakis和 Orphanoudakis對(duì)這些系統(tǒng)作了很詳細(xì)的總結(jié)。他們自己也研究出了一種方法。這種方法只將環(huán)境中的地面信息記錄下來(lái)，而不記錄 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 地面上的物體。 在視覺(jué)導(dǎo)航方式中 ， 目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用比較多的是采用在機(jī)器人上安裝車(chē)載攝像機(jī)的基于局部視覺(jué)的導(dǎo)航方式 [1]。 . Boley[6]等研制的移動(dòng)機(jī)器人利用車(chē)載攝像機(jī)和較少的傳感器通過(guò) 識(shí)別 陸標(biāo) 進(jìn)行導(dǎo)航 ， 比直接采用卡爾曼濾波器獲得了更好的實(shí)時(shí)性 ， 并有效抑制了噪聲 ； [7]等利用車(chē)載攝像機(jī)和超聲波傳感器研究了基于視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)中的避碰問(wèn)題 ； C. Fermuller[8]等的研究表明 ： 利用車(chē)載攝像機(jī)將機(jī)器人的三維運(yùn)動(dòng)描述和景物的形狀描述用于解決機(jī)器人的導(dǎo)航問(wèn)題具有較高的可靠性 ； [9]等對(duì)由車(chē)載攝像機(jī)構(gòu)成的移動(dòng)機(jī)器人視覺(jué)閉環(huán)系統(tǒng)的研究表明 ， 這種控制方法對(duì)提高路徑跟蹤精度有較好效果。 采用局部視覺(jué)這種導(dǎo)航方式 ， 所有的計(jì)算設(shè)備和傳感器都裝載在機(jī)器人車(chē)體上 ， 圖像識(shí)別、路徑規(guī)劃 等高層決策都由車(chē)載計(jì)算機(jī)完成 ， 所以車(chē)載計(jì)算機(jī)的工作量較大 ， 延遲問(wèn)題較為明顯。為提高導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和導(dǎo)航精度 ， 仍需研究更加合理的組合導(dǎo)航方式。 Trahanias[10]利用視覺(jué)探測(cè)陸標(biāo)來(lái)完成機(jī)器人導(dǎo)航，其中陸標(biāo)不是事先定義的人工陸標(biāo)，而是在學(xué)習(xí)階段自動(dòng)抽取的自然坐標(biāo)。 Stanley[11]提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)。 Reid[12]通過(guò)處理視覺(jué)信息選擇機(jī)器人行走基線，ActiveMedia 公司生產(chǎn)出的 Pioneer 系列機(jī)器人，美國(guó) NASA 火星探測(cè)智能移動(dòng)機(jī)器人 Spirit 和 Opportunity 也都包含了視覺(jué)導(dǎo)航的內(nèi)容。國(guó)際上備受矚目的機(jī)器人比賽，如 Robocup[13]也采用了視覺(jué)導(dǎo)航，其視覺(jué)子系統(tǒng)的輸入設(shè)備為一臺(tái)懸掛在球場(chǎng)上方的攝像機(jī)，拍攝的圖像經(jīng)電纜傳送到計(jì)算機(jī)主機(jī)。此外，最新出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人可對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遙控操縱，如 文獻(xiàn) [14]介紹了名為 Xavier 的機(jī)器人，在機(jī)器人上裝有多種傳感器，如激光探測(cè)器、聲納、車(chē)輪編碼器和彩色攝像機(jī)，并裝有揚(yáng)聲器和語(yǔ)言測(cè)試系統(tǒng)，機(jī)器人能夠完成現(xiàn)場(chǎng)任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)任務(wù)。 從國(guó)內(nèi)的研究情況來(lái)看，國(guó)內(nèi)也研究了一些利用視覺(jué)進(jìn)行導(dǎo)航的機(jī)器人。例如國(guó)內(nèi)中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研制 了自主車(chē)，上海大學(xué)研制了“導(dǎo)購(gòu)機(jī)器人”，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出了“導(dǎo)游機(jī)器人”以及正在開(kāi)發(fā)各種服務(wù)機(jī)器人。如今具有自主導(dǎo)航和自動(dòng)駕駛功能的智能車(chē)輛已初見(jiàn)端倪，如由一汽集團(tuán)和國(guó)防科技大學(xué)合作研制的紅旗 CA7460 自動(dòng)駕駛轎車(chē)、由清華大學(xué)研制的THMR(TsingHua Mobile Robot)[15]系列 ，均都采用機(jī)器視覺(jué)、雷達(dá)或兩者的有機(jī)組合作為傳感手段。 THMR 智能機(jī)器人已經(jīng)研制到了第五代，如圖 11。 THMRⅤ 利用視覺(jué)信息 對(duì)道路進(jìn)行檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)駕駛和輔助駕駛。目前 THMRⅤ 已 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)道路檢測(cè)與跟 蹤、 避障 停障、臨場(chǎng)感遙控駕駛等功能。 圖 11 THMRⅤ 給移動(dòng)機(jī)器人提供一個(gè)能適應(yīng)不同環(huán)境，且可適用于不同任務(wù)的視覺(jué)系統(tǒng)，是一項(xiàng)比較困難的工作?，F(xiàn)在，已經(jīng)有很多基于彩色圖像分割和跟蹤的方法可用于給移動(dòng)機(jī)器人提供視覺(jué)感知功能。然而誰(shuí)也不知道，這些方法中的哪一種最適合于某一給定的任務(wù)。由于移動(dòng)機(jī)器人的很多具體應(yīng)用要求能實(shí)時(shí)的對(duì)環(huán)境作出反應(yīng)，因此又一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題是，視覺(jué)系統(tǒng)中采用的分割或跟蹤方法的計(jì)算量問(wèn)題。而且，外界環(huán)境條件的動(dòng)態(tài)特征，如光照變化，也對(duì)機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)提出更多更高的 要求。因此視覺(jué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)該是計(jì)算量小而滿足實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)對(duì)光照和其它一些能了解的變化具有很強(qiáng)的魯棒性。 分析現(xiàn)有機(jī)器視覺(jué)方法的不足 ， 參考人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)的機(jī)理 ， 認(rèn)為對(duì)有些應(yīng)用如視覺(jué)導(dǎo)航而言 ， 不必要完成高層識(shí)別和三維重構(gòu) ， 而只需獲得對(duì)環(huán)境或其中的物體一個(gè)足夠好的理解 。 目前還沒(méi)有一種通用的導(dǎo)航系統(tǒng)適合于各種不同的環(huán)境。許多系統(tǒng)是針對(duì)某個(gè)特定的環(huán)境完成特殊的任務(wù)。 本文內(nèi)容與結(jié)構(gòu) 本文的主要任務(wù)是采集室內(nèi)環(huán)境的序列圖像，利用室內(nèi)環(huán)境的地面特征分析圖像序列，將環(huán)境圖像分割為只有可行走區(qū)域和障礙物區(qū)域的二值 圖像序列，從而讓機(jī)器人識(shí)別室內(nèi)的障礙物完成機(jī)器人導(dǎo)航的避障功能，同時(shí)將圖像序列壓縮存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。本文共分為六章，具體內(nèi)容包括： 第一章：緒論，介紹本課題研究領(lǐng)域的背景及意義、發(fā)展過(guò)程、國(guó)內(nèi)外研 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 究現(xiàn)狀及本論文的實(shí)現(xiàn)方案、研究?jī)?nèi)容和結(jié)構(gòu)。 第二章：機(jī)器人的視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)，詳細(xì)介紹機(jī)器人的各種導(dǎo)航技術(shù)、機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航的發(fā)展及其系統(tǒng)組成和系統(tǒng)工作過(guò)程。 第三章：機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航中的圖像處理技術(shù)，對(duì)機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航中用到的圖像預(yù)處理、圖像分割和圖像壓縮存儲(chǔ)這三個(gè)方面的圖像處理技術(shù)做了一定的研究和對(duì)比，為提出適合于本文的圖 像分析算法提供了理論基礎(chǔ)。 第四章：室內(nèi)地面分割的圖像處理算法，較為詳細(xì)地介紹本課題中室內(nèi)機(jī)器人識(shí)別地面及地面上障礙物的圖像處理算法，包括室內(nèi)環(huán)境中特征的選取和分析、彩色圖像的顏色空間及其分割等。 第五章：室內(nèi)機(jī)器人實(shí)時(shí)障礙物檢測(cè)系統(tǒng)，主要介紹本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，包括開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的工具，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能及運(yùn)行界面，并給出了本文算法得到的障礙物檢測(cè)實(shí)例。 第六章：全文總結(jié)及展望， 總結(jié)全文，并指出自己所作的工作和 成果 ，以及系統(tǒng)需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方 。 本章小結(jié) 本章在閱讀大量國(guó)內(nèi)外參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)本課題研究領(lǐng) 域的背景及意義、發(fā)展過(guò)程及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀做了詳細(xì)論述，并介紹了本論文的研究思路、研究?jī)?nèi)容和結(jié)構(gòu)。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 7 第 2 章 機(jī)器人的視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng) 從 20 世紀(jì) 50 年代后期開(kāi)始，機(jī)器人技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其發(fā)展過(guò)程大致經(jīng)歷了三個(gè)階段 [16]： (1) 示教再現(xiàn)型機(jī)器人，這是第一代機(jī)器人。這一代機(jī)器人沒(méi)有裝備任何傳感器，對(duì)環(huán)境沒(méi)有感知能力。機(jī)器人的作業(yè)路徑、運(yùn)動(dòng)參數(shù)需要操作人員手把手示教或通過(guò)編程設(shè)定，機(jī)器人重復(fù)再現(xiàn)示教的內(nèi)容。目前商品化、實(shí)用化的機(jī)器人大多數(shù)是此類(lèi)機(jī)器人。 (2) 感覺(jué)型機(jī)器人。此種機(jī)器人 配備了簡(jiǎn)單的內(nèi)、外部傳感器，能感知自身運(yùn)行的速度、位置、姿態(tài)等物理量，并以這些信息的反饋構(gòu)成閉環(huán)控制，如配備簡(jiǎn)易視覺(jué)、力覺(jué)傳感器等簡(jiǎn)單的外部傳感器，因而具有部分適應(yīng)外部環(huán)境的能力。 (3) 智能型機(jī)器人。這一代機(jī)器人具有多種內(nèi)、外部傳感器組成的感覺(jué)系統(tǒng)，不僅可以感知內(nèi)部關(guān)節(jié)的運(yùn)行速度、力的大小等參數(shù)，還可通過(guò)外部傳感器，如視覺(jué)傳感器、觸覺(jué)傳感器等，對(duì)外部環(huán)境信息進(jìn)行感知、提取、處理并做出適當(dāng)?shù)臎Q策，在結(jié)構(gòu)或半結(jié)構(gòu)化環(huán)境中自主完成某一項(xiàng)任務(wù)。目前，智能機(jī)器人尚處于研究和發(fā)展階段。 國(guó)際機(jī)器人研究在經(jīng)過(guò)了 80 年 代的低潮之后，呈現(xiàn)出復(fù)蘇和繼續(xù)發(fā)展的形勢(shì)，我國(guó)的機(jī)器人研究在國(guó)家“七五”、“八五”及“ 863”計(jì)劃的推動(dòng)下也取得了很大進(jìn)展。與 70 年代的機(jī)器人浪潮相比，現(xiàn)在的機(jī)器人研究有兩個(gè)特點(diǎn) [17]：一是對(duì)機(jī)器人智能的定位有個(gè)更加符合實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)，也就是不要求機(jī)器人具有象人類(lèi)一樣的高智能，而只是要求機(jī)器人在某種程度上具有自主處理問(wèn)題的能力；另一個(gè)特點(diǎn)是許多新技術(shù)及控制方法 (神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、傳感器融合、虛擬現(xiàn)實(shí)、高速度的并行處理機(jī)等 )被引入到機(jī)器人研究中。 機(jī)器人的導(dǎo)航技術(shù)是智能型機(jī)器人自主完成任務(wù)的核心技術(shù)。 移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航是指 移動(dòng)機(jī)器人按照預(yù)先給出的任務(wù)命令，根據(jù)已知信息做出路徑規(guī)劃，并在行進(jìn)過(guò)程中，不斷感知周?chē)木植凯h(huán)境信息，自主地做出決策，調(diào)整自身位姿，引導(dǎo)自身安全行駛或跟蹤已經(jīng)路徑到達(dá)目標(biāo)位置。這其中包括三個(gè)主要內(nèi)容：避障、定位和路徑規(guī)劃。 本文所設(shè)計(jì)的就是一個(gè)智能機(jī)器人實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境中障礙物的系統(tǒng)，根據(jù)圖像分析后的二值圖像序列信息，機(jī)器人能識(shí)別 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 室內(nèi)的障礙物，從而劃分出室內(nèi)環(huán)境中的可行走區(qū)域，達(dá)到機(jī)器人避開(kāi)障礙物的目的。 本章重點(diǎn)闡述機(jī)器人的視覺(jué)導(dǎo)航及其視覺(jué)系統(tǒng)。 機(jī)器人的導(dǎo)航技術(shù) 自主式移動(dòng)機(jī)器人 是一種具有高度自 規(guī)劃、自組織、自適應(yīng)能力，適合于在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中工作的機(jī)器人。自主式移動(dòng)機(jī)器人的目標(biāo)就是在沒(méi)有人的干預(yù)、無(wú)需對(duì)環(huán)境做任何規(guī)定和改變的條件下，有目的地移動(dòng)和完成相應(yīng)任務(wù)。在自主式移動(dòng)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)中，導(dǎo)航技術(shù)是其研究核心，也是移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能化及完全自主的關(guān)鍵技術(shù)。 移動(dòng)機(jī)器人有多種導(dǎo)航方式，這些導(dǎo)航方式各有其特點(diǎn)，適合于不同的環(huán)境。移動(dòng)機(jī)器人的研究是多種學(xué)科的集成和應(yīng)用。隨著移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航研究不斷提出新的課題，這將使移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航研究不斷深入和發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人也將擁 有更加廣泛的應(yīng)用前景。 智能型機(jī)器人的各種導(dǎo)航方式 目前移動(dòng)機(jī)器人有多種導(dǎo)航方式，這些導(dǎo)航方式各有其特點(diǎn)，適合不同的應(yīng)用環(huán)境。 移動(dòng)機(jī)器人常見(jiàn)的導(dǎo)航方式主要有基于地下 /地表敷線、基于羅盤(pán) /里程計(jì)、基于測(cè)距、基于 GPS 定位、基于視覺(jué)等的導(dǎo)航。 基于地下 /地表敷線的導(dǎo)航方式 。 在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑上敷設(shè)金屬導(dǎo)線或色帶 ， 通過(guò)對(duì)金屬導(dǎo)線信號(hào)檢測(cè)或?qū)ι珟У臋z測(cè)確定機(jī)器人的位置和運(yùn)動(dòng)方向。該方式技術(shù)成熟可靠 ， 但對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力較差且存在通過(guò)路徑 “ 瓶頸 ” 問(wèn)題 ，因而在全自主移動(dòng)機(jī)器人中應(yīng)用較少。 基于羅盤(pán) /里程 計(jì)的導(dǎo)航。通過(guò)羅盤(pán)對(duì)地磁的檢測(cè)確定機(jī)器人方位 ， 與里程計(jì)結(jié)合推斷機(jī)器人的當(dāng)前位置。由于該方式用累計(jì)的算法推斷機(jī)器人的當(dāng)前位置 ， 誤差會(huì)不斷積累 ， 同時(shí)在一次定位失敗后系統(tǒng)自恢復(fù)能力較差 ， 需要定期修正系統(tǒng)偏差。 從國(guó)內(nèi)外的研究來(lái)看 ， 磁導(dǎo)航方式的技術(shù)已相當(dāng)成熟 。 如 Mae 公司為自動(dòng)駕駛車(chē)輛則開(kāi)發(fā)了一種磁引導(dǎo)單元 ， 它是通過(guò)磁通門(mén)傳感器檢測(cè)磁帶來(lái)進(jìn)行車(chē)輛導(dǎo)航 。 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所已生產(chǎn)出基于磁導(dǎo)航的多代機(jī)器人 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 9 產(chǎn)品 。 基于測(cè)距的導(dǎo)航。通過(guò)測(cè)量機(jī)器人與參考物間的距離 ， 通過(guò)三角測(cè)量法計(jì)算機(jī)器人的當(dāng)前位置 ， 該方法具 有一定的精度 ， 導(dǎo)航的魯棒性較好。目前主要有超聲波定位導(dǎo)航、激光定位導(dǎo)航、紅外定位導(dǎo)航。 基于 GPS 的定位導(dǎo)航。 GPS 是美國(guó)國(guó)防部研制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。 通過(guò)對(duì)GPS 衛(wèi)星信號(hào)的接收分析 ， 確定導(dǎo)航對(duì)象在地表的位置 ， 由于 GPS 定位系統(tǒng)的精度和適用范圍 ， 其主要用于室外機(jī)器人導(dǎo)航 ， 如無(wú)人駕駛車(chē)等 。 基于視覺(jué)的導(dǎo)航。機(jī)器人平臺(tái)的圖像采集系統(tǒng)獲取機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)下的環(huán)境信息 ， 通過(guò)對(duì)環(huán)境圖像分析確定環(huán)境對(duì)象和機(jī)器人在環(huán)境中的位置。由于圖像有較高分辨率 ， 環(huán)境信息完整 ， 符合人類(lèi)的認(rèn)知習(xí)慣 ， 在機(jī)器人導(dǎo)航中得到廣泛關(guān)注。 不論采 用何種導(dǎo)航方式，智能移動(dòng)機(jī)器人要完成的功能應(yīng)該包括：路徑規(guī)劃與避障、探測(cè)與定位和控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，根據(jù)導(dǎo)航方式的不同，各方面所采用的技術(shù)和要達(dá)到的目標(biāo)不同。 視覺(jué)導(dǎo)航研究由于受到現(xiàn)有計(jì)算設(shè)備運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量的限制而發(fā)展較慢，但隨著 近年來(lái)計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò) 、圖像采集設(shè)備 和圖像處理技術(shù)發(fā)展的突飛猛進(jìn) ， 視覺(jué)導(dǎo)航也取得了很大的進(jìn)展。 加之 視覺(jué)導(dǎo)航方式具有信號(hào)探測(cè)范圍寬、獲取信息完整等優(yōu)點(diǎn) ，在圖像處理速度得到解決之后，視覺(jué)導(dǎo)航仍將是 未來(lái)機(jī)器人導(dǎo)航的一個(gè)主要發(fā)展方向。 視覺(jué)系統(tǒng)在導(dǎo)航研究中主要起到環(huán)境探測(cè)和辨識(shí)作用。環(huán)境的探測(cè) 包括障礙物探測(cè)和陸標(biāo)探測(cè)。本文主要完成的是室內(nèi)非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的障礙物探測(cè)。 智能機(jī)器人導(dǎo)航中的傳感器 智能機(jī)器人的研究都是以人或動(dòng)物作為模仿對(duì)象。人是通過(guò)眼、鼻、耳等五官和皮膚接收外界并通過(guò)神經(jīng)傳遞給大腦。大腦對(duì)多種不同的信息進(jìn)行加工、綜合并做出適當(dāng)?shù)臎Q策。智能機(jī)器人感知環(huán)境能力的大小取決于傳感器的數(shù)量、性能以及對(duì)多傳感器信息的綜合能力。智能型機(jī)器人中的傳感器就相當(dāng)于機(jī)器人的“五官”和皮膚，它們組成機(jī)器人的感知系統(tǒng)，以適應(yīng)工作對(duì)象的復(fù)雜性。 智能機(jī)器人的傳感器一般分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器兩種。內(nèi) 部傳感器主要用于檢測(cè)機(jī)器人內(nèi)部環(huán)境信息，如位置、速度等；外部傳感器用于探測(cè)機(jī)器人所處的外部環(huán)境信息，幫助機(jī)器人完成諸如避障、抓取物體等任務(wù)。常用 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 10 的外部傳感器有視覺(jué)傳感器、