基于立體視覺的環(huán)境構(gòu)建及機(jī)器人路徑規(guī)劃研究.pdf

1、移動(dòng)機(jī)器人對(duì)外部環(huán)境的有效感知以及基于該感知信息的路徑規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)其自主運(yùn)動(dòng)的前提和關(guān)鍵問題。雙目立體視覺不但能夠感知環(huán)境的影像信息，而且能夠通過(guò)兩幅視圖的匹配關(guān)系構(gòu)建場(chǎng)景三維數(shù)據(jù)，是獲取場(chǎng)景三維空間信息的理想方式。六足機(jī)器人與其他類型的移動(dòng)機(jī)器人相比，具有較強(qiáng)的地面適應(yīng)能力和良好的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。本文在六足機(jī)器人基礎(chǔ)上研制雙目立體視系統(tǒng)，使之具備三維信息感知能力，并且對(duì)六足機(jī)器人系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的路徑規(guī)劃方法進(jìn)行研究，具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)

2、用價(jià)值。
　　本文在對(duì)雙目立體視覺構(gòu)建原理進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，以六足機(jī)器人負(fù)載能力和應(yīng)用特點(diǎn)為指標(biāo)，設(shè)計(jì)小巧緊湊的雙目立體視覺機(jī)構(gòu)。完成以DSP為核心、以CAN總線為框架的分布式控制單元，實(shí)現(xiàn)了立體視覺與六足機(jī)器人系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，構(gòu)成完善的具有三維信息感知能力的六足機(jī)器人系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上對(duì)雙目立體視覺系統(tǒng)使用的攝像機(jī)進(jìn)行單目和雙目的標(biāo)定與校正，為后續(xù)的立體匹配研究提供理想的視圖對(duì)和攝像機(jī)參數(shù)信息。
　　立體視覺匹配研究中

3、，采用全局最優(yōu)匹配方法能夠獲取高精度視差圖，本文針對(duì)全局最優(yōu)立體匹配算法求解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問題進(jìn)行深入研究，設(shè)計(jì)了兩類立體匹配算法提高匹配速度。第一類匹配算法建立基于馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)最大后驗(yàn)概率模型的全局最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，采用最信度傳播算法求取最優(yōu)解。為進(jìn)一步提高全局最優(yōu)算法的求解速度，設(shè)計(jì)基于最優(yōu)分割的信度傳播改進(jìn)算法。采用最優(yōu)分割策略將視圖分割為若干小的區(qū)域，將全局問題局部化，運(yùn)用OpenMP多核加速技術(shù)對(duì)多個(gè)分割區(qū)域進(jìn)行并行匹配，提高整體視

4、圖的匹配速度。通過(guò)最優(yōu)分割與并行處理，算法的匹配時(shí)間減少到3秒以內(nèi)，綜合匹配精度達(dá)到91％；在第二類匹配算法中設(shè)計(jì)支撐點(diǎn)擴(kuò)展快速匹配算法，采用形式更加簡(jiǎn)化的立體匹配目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行匹配。算法首先搜索出具有明確匹配關(guān)系的點(diǎn)集并命名為支撐點(diǎn)，在整個(gè)視圖空間的匹配中，以支撐點(diǎn)為核心向鄰域擴(kuò)展，在擴(kuò)展區(qū)域的匹配過(guò)程中采用全局次優(yōu)快速匹配算法。由于擴(kuò)展空間以支撐點(diǎn)為鄰域，因而利用支撐點(diǎn)的匹配結(jié)果為已知條件，有效縮減待待匹配區(qū)域的視差范圍，進(jìn)而提高匹配

5、速度。算法匹配時(shí)間達(dá)到0.6秒以內(nèi)，綜合匹配精度達(dá)到78%，匹配速度有明顯改善，能夠達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的需求。
　　以視差圖為基礎(chǔ)經(jīng)過(guò)三維重投影恢復(fù)場(chǎng)景三維信息，采用基于隱式馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)模型識(shí)別方法對(duì)場(chǎng)景三維區(qū)域進(jìn)行劃分，將場(chǎng)景劃分為通行區(qū)域與障礙區(qū)域，為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃提供環(huán)境基礎(chǔ)。
　　針對(duì)局部信息路徑規(guī)劃問題，提出雙層路徑規(guī)劃算法。雙層路徑規(guī)劃算法由兩個(gè)層次組成，分別是路徑規(guī)劃層和運(yùn)動(dòng)控制層。路徑規(guī)劃層中的快速搜索多邊形構(gòu)造

6、方法能夠在復(fù)雜環(huán)境下搜索出逃離障礙物的包圍多邊形，構(gòu)建可視圖，通過(guò)可視圖優(yōu)化獲取最短路徑；運(yùn)動(dòng)控制層采用“基于勢(shì)場(chǎng)函數(shù)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法”，控制機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人能夠有效躲避障礙物并逐步趨向目標(biāo)點(diǎn)。每個(gè)控制周期內(nèi)，規(guī)劃算法的兩個(gè)步驟循環(huán)運(yùn)行，控制機(jī)器人完成規(guī)劃運(yùn)動(dòng)。
　　為體現(xiàn)本文兩類立體匹配算法的作用，設(shè)計(jì)了結(jié)合兩類匹配算法優(yōu)點(diǎn)的綜合感知實(shí)驗(yàn)方法。綜合感知方法對(duì)場(chǎng)景信息的獲取通過(guò)兩個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)，首先采用快速支撐點(diǎn)擴(kuò)展算法進(jìn)

7、行立體匹配，恢復(fù)場(chǎng)景三維信息，將場(chǎng)景分為通行區(qū)域和障礙區(qū)域。為保證通行區(qū)域內(nèi)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的安全性，利用視差圖與場(chǎng)景三維點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用高精度匹配算法對(duì)通行區(qū)域重新匹配以獲取更精確的場(chǎng)景信息。
　　在六足機(jī)器人路徑規(guī)劃實(shí)驗(yàn)研究中，設(shè)計(jì)六足機(jī)器人步行方法，該六足機(jī)器人步行方式與路徑規(guī)劃算法輸出的結(jié)果相對(duì)應(yīng)，進(jìn)而驗(yàn)證路徑規(guī)劃算法的實(shí)際價(jià)值。實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了平坦地面與粗糙地面兩類實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在兩類環(huán)境中采用綜合感知法、高精度感知法和快速感知法分