基于空中機(jī)器人平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和視覺導(dǎo)航.pdf

1、空中機(jī)器人具有廣闊的應(yīng)用前景，近年來成為國(guó)內(nèi)外機(jī)器人研究的熱點(diǎn)之一。實(shí)現(xiàn)基于計(jì)算機(jī)視覺的環(huán)境感知和導(dǎo)航，是空中機(jī)器人研究的重要組成部分，也是一個(gè)非常富有挑戰(zhàn)性的課題。
　　 空中機(jī)器人是一個(gè)動(dòng)態(tài)的平臺(tái)，而其又處在一個(gè)三維的環(huán)境中，所以基于空中機(jī)器人平臺(tái)的計(jì)算機(jī)視覺研究主要存在以下挑戰(zhàn):
　　 (1)與地面機(jī)器人不同，空中機(jī)器人可以在三維環(huán)境中自由運(yùn)動(dòng)，所以機(jī)載攝像機(jī)拍攝到的圖像更為復(fù)雜（比如機(jī)器人的高度會(huì)發(fā)生巨大的變化，

2、這在地面機(jī)器人當(dāng)中是不存在的），許多應(yīng)用于地面機(jī)器人的視覺感知和導(dǎo)航方法不能在空中機(jī)器人平臺(tái)上得到很好的應(yīng)用。
　　 (2)與地面機(jī)器人不同，空中機(jī)器人是一個(gè)不穩(wěn)定的平臺(tái)，所以其運(yùn)動(dòng)速度一般較快，控制頻率高，這就對(duì)圖像采集和處理的速度提出了更高的要求。并且，采集到的圖像數(shù)據(jù)中會(huì)存在較大的噪聲，這也增加了視覺感知和導(dǎo)航的難度。
　　 (3)與地面機(jī)器人不同，運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺方法得到的姿態(tài)數(shù)據(jù)往往需要直接參與空中機(jī)器人的姿態(tài)控

3、制，這就對(duì)基于視覺的機(jī)器人位姿估計(jì)的魯棒性和精確性要求更高。
　　 考慮到上述挑戰(zhàn)，針對(duì)空中機(jī)器人這個(gè)動(dòng)態(tài)平臺(tái)，本文主要對(duì)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景（所謂動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，即攝像機(jī)在運(yùn)動(dòng)，同時(shí)攝像機(jī)場(chǎng)景中也存在其它運(yùn)動(dòng)目標(biāo)）下的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和視覺導(dǎo)航進(jìn)行了研究:
　　 (1)提出了一種基于運(yùn)動(dòng)分割的方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)。該方法提出了一種有效的機(jī)制，利用三維運(yùn)動(dòng)分割的結(jié)果，對(duì)場(chǎng)景背景進(jìn)行跟蹤，然后建立背景/前景的外觀模型并準(zhǔn)確探測(cè)出運(yùn)動(dòng)

4、目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以克服現(xiàn)有方法的弱點(diǎn)，有效檢測(cè)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下的運(yùn)動(dòng)目標(biāo);基于空中機(jī)器人平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)表明該方法可以被有效的集成到該平臺(tái)中。
　　 (2)提出了一種基于外觀模型的方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)。該方法利用“關(guān)鍵幀”中的目標(biāo)分割區(qū)域，通過跟蹤的方法將其擴(kuò)散到所有圖像幀，并建立運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的外觀模型，最終采用圖優(yōu)化的方法得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以被應(yīng)用在許多復(fù)雜的場(chǎng)景中并準(zhǔn)確檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，由于該方

5、法不需提取圖像特征點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分割，其可以有效的檢測(cè)較小的運(yùn)動(dòng)目標(biāo);基于空中機(jī)器人平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)表明該方法可以被有效的集成到該平臺(tái)中。
　　 (3)提出了一種動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下的攝像機(jī)位姿估計(jì)方法。該方法從圖像序列中提取特征點(diǎn)并匹配成特征點(diǎn)軌跡，然后利用背景跟蹤和三維運(yùn)動(dòng)分割方法提取出背景特征點(diǎn)集，最終使用多視圖幾何技術(shù)估計(jì)攝像機(jī)的相對(duì)位姿。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以在動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下準(zhǔn)確的估計(jì)攝像機(jī)位置和姿態(tài)，而傳統(tǒng)位姿估計(jì)方法會(huì)導(dǎo)致姿態(tài)估計(jì)出現(xiàn)較

6、大的誤差，而且會(huì)使位置估計(jì)結(jié)果發(fā)生發(fā)散;基于空中機(jī)器人平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)表明該方法可以被有效的集成到該平臺(tái)中。
　　 (4)提出了一種新的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下的地圖拼接方法。該方法首先對(duì)圖像進(jìn)行畸變校正，然后利用上述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法將場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)去除，最后提取和匹配特征點(diǎn)、估計(jì)圖像變換參數(shù)并完成圖像拼接。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雖然傳統(tǒng)方法也可以得到地圖拼接的結(jié)果，但該拼接圖像中包含了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的成分，而本文提出的方法則可有效的去除運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，得到更準(zhǔn)確、