基于立體相機(jī)的室外移動(dòng)機(jī)器人視覺里程計(jì)方法研究.pdf

1、隨著移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，在室外非結(jié)構(gòu)化復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)其自主行為和決策是機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，其首要問題是如何解決機(jī)器人的自主定位。目前在室外環(huán)境下普遍采用的定位方法是慣導(dǎo)和GPS相結(jié)合的方式，但GPS容易受到多徑誤差、信號(hào)丟失、阻塞等問題的影響，導(dǎo)致其定位存在一定的局限性。因此在GPS數(shù)據(jù)丟失乃至完全不可用情況下的定位問題是近年來興起的新熱點(diǎn)和研究趨勢(shì)，其中以立體相機(jī)為感知手段的視覺里程計(jì)技術(shù)受到廣泛關(guān)注。視覺里程計(jì)是指通過

2、從機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中獲取的圖像中提取特征，根據(jù)相機(jī)成像模型和環(huán)境特征的圖像坐標(biāo)變化，估計(jì)機(jī)器人的位姿變化。本文以國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目《基于集理論的野外機(jī)器人復(fù)雜地形環(huán)境建模和同時(shí)定位研究》(61005092)為依托，針對(duì)室外復(fù)雜地形環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人基于立體相機(jī)的視覺里程計(jì)方法進(jìn)行了深入研究。具體內(nèi)容如下:
　　針對(duì)雙目乃至三目立體相機(jī)的標(biāo)定問題進(jìn)行了研究?？紤]雙目相機(jī)兩個(gè)攝像頭之間的相對(duì)位姿關(guān)系，建立了雙目標(biāo)定優(yōu)化模型，以解決雙目標(biāo)

3、定的問題，其次針對(duì)三目相機(jī)的標(biāo)定做了進(jìn)一步的研究，提出利用三個(gè)攝像頭之間的冗余信息，建立帶有三目幾何約束的統(tǒng)一的標(biāo)定優(yōu)化模型，從而解決了三目相機(jī)的標(biāo)定問題。
　　針對(duì)視覺里程計(jì)方法中的特征匹配和跟蹤問題進(jìn)行了研究。首先對(duì)于同一時(shí)刻不同攝像頭采集圖像的特征點(diǎn)匹配問題，提出了一種改進(jìn)的基于SIFT特征點(diǎn)的立體視覺匹配算法，采用BBF樹加快特征點(diǎn)的匹配搜索速度，同時(shí)在傳統(tǒng)匹配過程中加入了極線約束、特征點(diǎn)局部區(qū)域顏色信息的相關(guān)性等約束條件

4、濾除錯(cuò)誤的匹配點(diǎn)，提高算法的實(shí)時(shí)性和匹配精度;其次對(duì)于前后幀圖像特征點(diǎn)的跟蹤問題，通過同時(shí)考慮立體圖像的時(shí)間和空間上的相關(guān)性，利用相鄰兩幀特征點(diǎn)對(duì)的空間位置的一致性濾除誤跟蹤的特征點(diǎn)，提高匹配的準(zhǔn)確性和效率。
　　針對(duì)視覺里程計(jì)方法中的運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法進(jìn)行了研究，提出了一種基于RANSAC濾波的最小二乘估計(jì)和光束平差優(yōu)化相結(jié)合的分層運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法，首先利用RANSAC濾波方法，通過迭代的方式剔除外點(diǎn)以獲得較為準(zhǔn)確的初始位姿矩陣估計(jì);在此

5、基礎(chǔ)上利用前后兩幀圖像迭代優(yōu)化和利用滑動(dòng)窗口機(jī)制批量優(yōu)化的兩階段局部光束平差方法做進(jìn)一步優(yōu)化處理，從而獲得更為準(zhǔn)確的全局優(yōu)化定位結(jié)果。此外還采用EKF濾波方法對(duì)慣導(dǎo)信息和視覺里程計(jì)信息進(jìn)行融合，通過慣導(dǎo)信息來增強(qiáng)視覺里程計(jì)定位系統(tǒng)的精確性、穩(wěn)定性和魯棒性。
　　在上述研究的基礎(chǔ)上，本文以配備有三目相機(jī)的MT-FR履帶式移動(dòng)機(jī)器人作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)室外大范圍環(huán)境中的視覺里程計(jì)方法進(jìn)行了廣泛的研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其結(jié)果表明本文所采用方法的可行