用于移動(dòng)機(jī)器人自定位的視覺(jué)路標(biāo)設(shè)計(jì)

1、機(jī)器人技術(shù)機(jī)器人技術(shù)文章編號(hào)：文章編號(hào)：10081008—0570(2009)020570(2009)022020502050303用于移動(dòng)機(jī)器人自定位的視覺(jué)路標(biāo)設(shè)計(jì)用于移動(dòng)機(jī)器人自定位的視覺(jué)路標(biāo)設(shè)計(jì)DesigDesig門ofaofavisuallmvisuallmarkarkusedusedfmfmobileobilerobotselflocalizationrobotselflocalization(1(1中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研中國(guó)

2、科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研所；所；2沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司)侯杰賢侯杰賢徐方張令濤張令濤HOUHOUJiexianJiexianXUXUFangFangZHANGZHANGLingtaoLingtao摘要：為了實(shí)現(xiàn)室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的自定位摘要：為了實(shí)現(xiàn)室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的自定位提出了一種簡(jiǎn)易美觀的新型視覺(jué)人工路標(biāo)以及基于對(duì)數(shù)極坐標(biāo)系投影直方圖的路標(biāo)識(shí)別方法并用基于共提出了一種簡(jiǎn)易美觀的新型視覺(jué)人工路標(biāo)以及基于

3、對(duì)數(shù)極坐標(biāo)系投影直方圖的路標(biāo)識(shí)別方法并用基于共面四點(diǎn)的位姿估計(jì)算法計(jì)算機(jī)器人面四點(diǎn)的位姿估計(jì)算法計(jì)算機(jī)器人位姿位姿實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，路標(biāo)檢測(cè)具有很高的魯棒性：路標(biāo)識(shí)別方法抗噪聲和形變的能力強(qiáng)：實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，路標(biāo)檢測(cè)具有很高的魯棒性：路標(biāo)識(shí)別方法抗噪聲和形變的能力強(qiáng)：位姿精度足夠滿足室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人自定位的需要關(guān)鍵詞：位姿精度足夠滿足室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人自定位的需要關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器人；視覺(jué)定位：人工路標(biāo)：目標(biāo)識(shí)別中圖分類號(hào)移動(dòng)機(jī)器人；視覺(jué)定位：人工路

4、標(biāo)：目標(biāo)識(shí)別中圖分類號(hào)：TP24TP24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AAbstractAbstract：InInderdertotorealizerealizeselfself—loealizationloealizationofofthetheindoindomobilemobilerobotrobotanewnewsimplesimpleunobtrusiveunobtrusivevisua1visua1articialarticial

5、lmarklmarkisispresentedpresented，thetherecognitionrecognitionmethodmethodoftheofthelmarklmarkbasedbasedononprojectiveprojectivehistogramhistogramoftheoftheloglog—polarpolarimageimageisispresentedpresentedthethepositionpo

6、sitionientationientationofofthetherobotrobotisiscalculatedcalculatedbybyfourfourcoplanarcoplanarpointspointsoIoIthethelmarklmarkTheTheexperimentexperimentresultsresultsproveprovethat【leteetingthat【leteetingthethearticial

7、lmarkarticiallmarkprovidesprovidesveryverybighbighrobustnessrobustness，recognitionrecognitionofofthethelmarklmarkisisrobusttorobusttonoisenoisedisttiondisttionthetheDreciDreci—sionsionofofthethepositionpositionientationi

8、entationofofthetherobotrobot，cancanmeetmeetthethedemdemofofthethejmlojmlomobilemobiler()botr()botselfself—lOCalizationlOCalizationvervvervWel1Wel1KeyKeyWdsWds：AutonomousmobilerobotsAutonomousmobilerobots；visuallocalizati

9、onvisuallocalization；artifciallmarkartifciallmark；objectrecognitionobjectrecognition1引言引言為了實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)環(huán)境中的自主導(dǎo)航，移動(dòng)機(jī)器人必須具有全為了實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)環(huán)境中的自主導(dǎo)航，移動(dòng)機(jī)器人必須具有全局自定位的功能。室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的位姿局自定位的功能。室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的位姿(位置與方向角位置與方向角)通常用通常用(，Y，0)0)表示。文獻(xiàn)中比較詳細(xì)地研究了移

10、動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航與定表示。文獻(xiàn)中比較詳細(xì)地研究了移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航與定位技術(shù)，由于視覺(jué)傳感器價(jià)格低廉并能獲取豐富的環(huán)境信息，許位技術(shù)，由于視覺(jué)傳感器價(jià)格低廉并能獲取豐富的環(huán)境信息，許多成功的機(jī)器人定位系統(tǒng)都采用視覺(jué)路標(biāo)來(lái)定位多成功的機(jī)器人定位系統(tǒng)都采用視覺(jué)路標(biāo)來(lái)定位路標(biāo)路標(biāo)可分為人可分為人J二路標(biāo)與自然路標(biāo)。自然路標(biāo)是直接從環(huán)境中提取的二路標(biāo)與自然路標(biāo)。自然路標(biāo)是直接從環(huán)境中提取的已存在的特征以及物體，如門、墻角、直線、天花板燈等。自然路已

11、存在的特征以及物體，如門、墻角、直線、天花板燈等。自然路標(biāo)識(shí)別難度大，難以實(shí)用。人丁路標(biāo)是人為放置在環(huán)境中的標(biāo)志標(biāo)識(shí)別難度大，難以實(shí)用。人丁路標(biāo)是人為放置在環(huán)境中的標(biāo)志物體，在復(fù)雜的環(huán)境中也很容易識(shí)別且具有較高的定位精度，因而取物體，在復(fù)雜的環(huán)境中也很容易識(shí)別且具有較高的定位精度，因而取得廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼提出了一些人工路標(biāo)模式，本得廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼提出了一些人工路標(biāo)模式，本文設(shè)計(jì)了一種新型的人工路標(biāo)，提文

12、設(shè)計(jì)了一種新型的人工路標(biāo)，提一種魯棒的基于一種魯棒的基于對(duì)數(shù)極坐標(biāo)系投影直方圖的路標(biāo)識(shí)別方法，并根據(jù)單攝像機(jī)采集對(duì)數(shù)極坐標(biāo)系投影直方圖的路標(biāo)識(shí)別方法，并根據(jù)單攝像機(jī)采集的單人的單人=r=r路標(biāo)圖像中四個(gè)角點(diǎn)來(lái)估計(jì)移動(dòng)機(jī)器人的位姿。路標(biāo)圖像中四個(gè)角點(diǎn)來(lái)估計(jì)移動(dòng)機(jī)器人的位姿。2人工路標(biāo)設(shè)計(jì)與識(shí)別人工路標(biāo)設(shè)計(jì)與識(shí)別基于單人工路標(biāo)的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人全局自定位算法主要基于單人工路標(biāo)的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人全局自定位算法主要由以下三步組成：由以下三步組成：l

13、、人工路標(biāo)感興趣區(qū)域檢測(cè)。、人工路標(biāo)感興趣區(qū)域檢測(cè)。2、不同人、不同人T路標(biāo)的識(shí)別。標(biāo)的識(shí)別。3、根據(jù)路標(biāo)的四個(gè)角點(diǎn)計(jì)算機(jī)器人位姿。、根據(jù)路標(biāo)的四個(gè)角點(diǎn)計(jì)算機(jī)器人位姿。21人工路標(biāo)模式人工路標(biāo)模式人工路標(biāo)的設(shè)計(jì)，主要有人工路標(biāo)的設(shè)計(jì)，主要有個(gè)要求：可靠性、實(shí)時(shí)性和美觀性。在實(shí)驗(yàn)研究中，美觀性往往被忽個(gè)要求：可靠性、實(shí)時(shí)性和美觀性。在實(shí)驗(yàn)研究中，美觀性往往被忽略。然而，路標(biāo)的美觀性對(duì)略。然而，路標(biāo)的美觀性對(duì)于商業(yè)化機(jī)器人產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，是極其重

14、要的。本文設(shè)計(jì)的人于商業(yè)化機(jī)器人產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，是極其重要的。本文設(shè)計(jì)的人T路標(biāo)主要應(yīng)用于家庭服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品，必須充分考慮美觀性要標(biāo)主要應(yīng)用于家庭服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品，必須充分考慮美觀性要求。該路標(biāo)為平面人求。該路標(biāo)為平面人T路標(biāo)，類似于墻壁上掛的裝飾廁，具有較好路標(biāo)，類似于墻壁上掛的裝飾廁，具有較好的視覺(jué)效果的視覺(jué)效果【見圖見圖l左上圖左上圖)。路標(biāo)由三部分組成：紅色矩形。路標(biāo)由三部分組成：紅色矩形侯杰賢：碩士侯杰賢：碩士基金項(xiàng)目：國(guó)家基金項(xiàng)目：

15、國(guó)家863863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目：機(jī)器人模塊化體系結(jié)構(gòu)目：機(jī)器人模塊化體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)(2007AA041700)(2007AA041700)機(jī)器人技術(shù)機(jī)器人技術(shù)23路標(biāo)識(shí)別算法在圖像識(shí)別中，圖像矩、射影不變量、仿路標(biāo)識(shí)別算法在圖像識(shí)別中，圖像矩、射影不變量、仿射不變量以及各種射不變量以及各種輪廓不變特征等應(yīng)用廣泛輪廓不變特征等應(yīng)用廣泛本文提本文提了一種簡(jiǎn)單魯棒的路標(biāo)識(shí)別方法，通過(guò)對(duì)目標(biāo)網(wǎng)像進(jìn)行對(duì)數(shù)橄坐了一種簡(jiǎn)單魯棒的路標(biāo)識(shí)別方法

16、，通過(guò)對(duì)目標(biāo)網(wǎng)像進(jìn)行對(duì)數(shù)橄坐標(biāo)變換，利用其角度軸的投影直方圖作為特征向量來(lái)實(shí)現(xiàn)路標(biāo)識(shí)標(biāo)變換，利用其角度軸的投影直方圖作為特征向量來(lái)實(shí)現(xiàn)路標(biāo)識(shí)別。別。對(duì)數(shù)極坐標(biāo)變換表達(dá)了一種圖像描述的變化，描述關(guān)系見對(duì)數(shù)極坐標(biāo)變換表達(dá)了一種圖像描述的變化，描述關(guān)系見公式公式：’“=“=log(rlog(r／ri。1v=0=kvarctan(Yv=0=kvarctan(Y／X)X)【1)【1)式中：式中：、k分別為距離分辨率和角度分辨率常數(shù)，分別為距離分辨

17、率和角度分辨率常數(shù)，■■■■為像素距變換中心的長(zhǎng)度，為像素距變換中心的長(zhǎng)度，(x(x，v1v1足像素在直角坐標(biāo)中的坐標(biāo)；足像素在直角坐標(biāo)中的坐標(biāo)；u是對(duì)數(shù)極坐標(biāo)系的橫坐標(biāo)軸，劉是對(duì)數(shù)極坐標(biāo)系的橫坐標(biāo)軸，劉’應(yīng)像素距變換中心的長(zhǎng)度；、，是應(yīng)像素距變換中心的長(zhǎng)度；、，是對(duì)數(shù)極坐標(biāo)系的縱坐標(biāo)軸等于該像素極徑與水平軸正方向的夾角；對(duì)數(shù)極坐標(biāo)系的縱坐標(biāo)軸等于該像素極徑與水平軸正方向的夾角；rminmin是變換的最小半是變換的最小半。變換中心采用傳

18、統(tǒng)的目標(biāo)質(zhì)。變換中心采用傳統(tǒng)的目標(biāo)質(zhì)心算法。心算法。對(duì)數(shù)極坐標(biāo)變換具有尺度不變性與旋轉(zhuǎn)不變性，即：目標(biāo)對(duì)數(shù)極坐標(biāo)變換具有尺度不變性與旋轉(zhuǎn)不變性，即：目標(biāo)尺度變化表現(xiàn)為對(duì)數(shù)極坐標(biāo)系中目標(biāo)區(qū)域的上下平移；目標(biāo)用尺度變化表現(xiàn)為對(duì)數(shù)極坐標(biāo)系中目標(biāo)區(qū)域的上下平移；目標(biāo)用繞中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)繞中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)L弧度村弧度村1當(dāng)于映射變換罔右移當(dāng)于映射變換罔右移L個(gè)單位。個(gè)單位。在文獻(xiàn)中，在文獻(xiàn)中，minmin取同定值，經(jīng)過(guò)改進(jìn)，我們選擇：同定值，經(jīng)過(guò)改進(jìn)，我們選

19、擇：rrain=rrain=／／H標(biāo)象素?cái)?shù)標(biāo)象素?cái)?shù)11／(2(21(2)(2)假設(shè)目標(biāo)圍繞中心點(diǎn)放大假設(shè)目標(biāo)圍繞中心點(diǎn)放大L倍，則目標(biāo)的象索總數(shù)將放大，則目標(biāo)的象索總數(shù)將放大LL倍，故倍，故FminFmin也放大也放大L倍，岡倍，岡在理想情況下，目標(biāo)尺度的變?cè)诶硐肭闆r下，目標(biāo)尺度的變化引起對(duì)數(shù)極坐標(biāo)目標(biāo)區(qū)域的化引起對(duì)數(shù)極坐標(biāo)目標(biāo)區(qū)域的』一下平移為零。此外，為了將一下平移為零。此外，為了將u軸的范圍限制在軸的范圍限制在『(】『(】，需要進(jìn)

20、行歸一化處理，需要進(jìn)行歸一化處理(見式見式3)3)：“=klog(rlog(r／r)／Iog(rIog(r／i)i)(3)(3)其中其中rmaxrmax為目標(biāo)象素距其喚心的最大距離。為目標(biāo)象素距其喚心的最大距離。從直觀意義上說(shuō)從直觀意義上說(shuō)H標(biāo)經(jīng)過(guò)縮放、平移以后，棚對(duì)目標(biāo)中標(biāo)經(jīng)過(guò)縮放、平移以后，棚對(duì)目標(biāo)中心，其各個(gè)方向上的象素?cái)?shù)日保持比例不變。這一點(diǎn)反映在投心，其各個(gè)方向上的象素?cái)?shù)日保持比例不變。這一點(diǎn)反映在投影直方岡上，就是經(jīng)過(guò)歸一化

21、的影直方岡上，就是經(jīng)過(guò)歸一化的v軸投影直方罔保持不變，當(dāng)然軸投影直方罔保持不變，當(dāng)然，其波峰波谷在，其波峰波谷在v軸上的位置亦保持不變。因此，在不考慮旋軸上的位置亦保持不變。因此，在不考慮旋轉(zhuǎn)的情況下，可以用轉(zhuǎn)的情況下，可以用v軸投影直方圖作為特征向量來(lái)計(jì)算距軸投影直方圖作為特征向量來(lái)計(jì)算距離，達(dá)到識(shí)別的目的。離，達(dá)到識(shí)別的目的。直方圖距離計(jì)算有多種方法，文獻(xiàn)中做了比較詳細(xì)的介紹，直方圖距離計(jì)算有多種方法，文獻(xiàn)中做了比較詳細(xì)的介紹，我們

22、發(fā)現(xiàn)用直方圖相交距離我們發(fā)現(xiàn)用直方圖相交距離有較好的實(shí)驗(yàn)效果，如式有較好的實(shí)驗(yàn)效果，如式(4)(4)。dn(dn(，K)=l_∑min(hiK)=l_∑min(hi潮，ki)ki)／∑k∑k，f41f41JJ、其中其中，H，K為兩直方岡寧列為兩直方岡寧列，dn(fIdn(fI／O為H，K的相交距離。的相交距離。由于投影直方岡的波峰波谷在由于投影直方岡的波峰波谷在v軸上位置基本軸上位置基本不變，可以由波峰波谷計(jì)算距離不變，可以由波峰波谷計(jì)

23、算距離對(duì)于兩投影直方圖對(duì)于兩投影直方圖H、K，如果，如果偽波偽波峰而危為波谷，那么兩物體相同的概率很小，令峰而危為波谷，那么兩物體相同的概率很小，令()=Ca()=Ca；類似地，若；類似地，若h『h『為波谷而為波谷而為波峰，為波峰，(1=ca(1=ca；若；若為波峰或波谷，而不存在波峰波谷，則為波峰或波谷，而不存在波峰波谷，則()=c()=c其他情況下其他情況下，()=0()=0。為了提高識(shí)別算法的抗噪聲以及抗形變能力，波峰波谷。為了提

24、高識(shí)別算法的抗噪聲以及抗形變能力，波峰波谷的對(duì)應(yīng)情況考慮的對(duì)應(yīng)情況考慮幅度為幅度為1的左右偏移的左右偏移。在檢測(cè)直方網(wǎng)波峰波谷前，先對(duì)投影直方圖進(jìn)行一維高斯平滑，。在檢測(cè)直方網(wǎng)波峰波谷前，先對(duì)投影直方圖進(jìn)行一維高斯平滑，同時(shí)為丁提高抗干擾性，只考慮寬度至少為同時(shí)為丁提高抗干擾性，只考慮寬度至少為5的波峰波的波峰波。為了驗(yàn)證算法的叮靠性和有效性，首先設(shè)為了驗(yàn)證算法的叮靠性和有效性，首先設(shè)i1i1一組仿真實(shí)一組仿真實(shí)驗(yàn)。選擇一組樣本圖像驗(yàn)。

25、選擇一組樣本圖像(圖2)2)，計(jì)算其中一一圖與其他圖中目標(biāo)的投影直方圖距離。選取，計(jì)算其中一一圖與其他圖中目標(biāo)的投影直方圖距離。選取參數(shù)參數(shù)=16=16、k：01、CaCa：1010、chch：02，根據(jù)最近鄰距離識(shí)別。，根據(jù)最近鄰距離識(shí)別。陶2中I2I2為IlIl加入噪聲斑點(diǎn)后的圖像加入噪聲斑點(diǎn)后的圖像I3I3為IlIl經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)100100的剪切變換后的圖像。的剪切變換后的圖像。表1為IlIl與其他圖像的投影直方圖距離。由與其他圖像的