用于移動機器人自定位的視覺路標設計

1、機器人技術機器人技術文章編號：文章編號：10081008—0570(2009)020570(2009)022020502050303用于移動機器人自定位的視覺路標設計用于移動機器人自定位的視覺路標設計DesigDesig門ofaofavisuallmvisuallmarkarkusedusedfmfmobileobilerobotselflocalizationrobotselflocalization(1(1中國科學院沈陽自動化研中國

2、科學院沈陽自動化研所；所；2沈陽新松機器人自動化股份有限公司沈陽新松機器人自動化股份有限公司)侯杰賢侯杰賢徐方張令濤張令濤HOUHOUJiexianJiexianXUXUFangFangZHANGZHANGLingtaoLingtao摘要：為了實現(xiàn)室內(nèi)移動機器人的自定位摘要：為了實現(xiàn)室內(nèi)移動機器人的自定位提出了一種簡易美觀的新型視覺人工路標以及基于對數(shù)極坐標系投影直方圖的路標識別方法并用基于共提出了一種簡易美觀的新型視覺人工路標以及基于

3、對數(shù)極坐標系投影直方圖的路標識別方法并用基于共面四點的位姿估計算法計算機器人面四點的位姿估計算法計算機器人位姿位姿實驗結果說明，路標檢測具有很高的魯棒性：路標識別方法抗噪聲和形變的能力強：實驗結果說明，路標檢測具有很高的魯棒性：路標識別方法抗噪聲和形變的能力強：位姿精度足夠滿足室內(nèi)移動機器人自定位的需要關鍵詞：位姿精度足夠滿足室內(nèi)移動機器人自定位的需要關鍵詞：移動機器人；視覺定位：人工路標：目標識別中圖分類號移動機器人；視覺定位：人工路

4、標：目標識別中圖分類號：TP24TP24文獻標識碼：文獻標識碼：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引言引言為了實現(xiàn)在室內(nèi)環(huán)境中的自主導航，移動機器人必須具有全為了實現(xiàn)在室內(nèi)環(huán)境中的自主導航，移動機器人必須具有全局自定位的功能。室內(nèi)移動機器人的位姿局自定位的功能。室內(nèi)移動機器人的位姿(位置與方向角位置與方向角)通常用通常用(，Y，0)0)表示。文獻中比較詳細地研究了移

10、動機器人的導航與定表示。文獻中比較詳細地研究了移動機器人的導航與定位技術，由于視覺傳感器價格低廉并能獲取豐富的環(huán)境信息，許位技術，由于視覺傳感器價格低廉并能獲取豐富的環(huán)境信息，許多成功的機器人定位系統(tǒng)都采用視覺路標來定位多成功的機器人定位系統(tǒng)都采用視覺路標來定位路標路標可分為人可分為人J二路標與自然路標。自然路標是直接從環(huán)境中提取的二路標與自然路標。自然路標是直接從環(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。自然路標識別難度大，難以實用。人丁路標是人為放置在環(huán)境中的標志標識別難度大，難以實用。人丁路標是人為放置在環(huán)境中的標志物體，在復雜的環(huán)境中也很容易識別且具有較高的定位精度，因而取物體，在復雜的環(huán)境中也很容易識別且具有較高的定位精度，因而取得廣泛的應用。近年來國內(nèi)外學者相繼提出了一些人工路標模式，本得廣泛的應用。近年來國內(nèi)外學者相繼提出了一些人工路標模式，本文設計了一種新型的人工路標，提文

12、設計了一種新型的人工路標，提一種魯棒的基于一種魯棒的基于對數(shù)極坐標系投影直方圖的路標識別方法，并根據(jù)單攝像機采集對數(shù)極坐標系投影直方圖的路標識別方法，并根據(jù)單攝像機采集的單人的單人=r=r路標圖像中四個角點來估計移動機器人的位姿。路標圖像中四個角點來估計移動機器人的位姿。2人工路標設計與識別人工路標設計與識別基于單人工路標的室內(nèi)移動機器人全局自定位算法主要基于單人工路標的室內(nèi)移動機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、、人工路標感興趣區(qū)域檢測。、人工路標感興趣區(qū)域檢測。2、不同人、不同人T路標的識別。標的識別。3、根據(jù)路標的四個角點計算機器人位姿。、根據(jù)路標的四個角點計算機器人位姿。21人工路標模式人工路標模式人工路標的設計，主要有人工路標的設計，主要有個要求：可靠性、實時性和美觀性。在實驗研究中，美觀性往往被忽個要求：可靠性、實時性和美觀性。在實驗研究中，美觀性往往被忽略。然而，路標的美觀性對略。然而，路標的美觀性對于商業(yè)化機器人產(chǎn)品來說，是極其重

14、要的。本文設計的人于商業(yè)化機器人產(chǎn)品來說，是極其重要的。本文設計的人T路標主要應用于家庭服務機器人產(chǎn)品，必須充分考慮美觀性要標主要應用于家庭服務機器人產(chǎn)品，必須充分考慮美觀性要求。該路標為平面人求。該路標為平面人T路標，類似于墻壁上掛的裝飾廁，具有較好路標，類似于墻壁上掛的裝飾廁，具有較好的視覺效果的視覺效果【見圖見圖l左上圖左上圖)。路標由三部分組成：紅色矩形。路標由三部分組成：紅色矩形侯杰賢：碩士侯杰賢：碩士基金項目：國家基金項目：

15、國家863863計劃重點項計劃重點項目：機器人模塊化體系結構目：機器人模塊化體系結構設計設計(2007AA041700)(2007AA041700)機器人技術機器人技術23路標識別算法在圖像識別中，圖像矩、射影不變量、仿路標識別算法在圖像識別中，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用廣泛輪廓不變特征等應用廣泛本文提本文提了一種簡單魯棒的路標識別方法，通過對目標網(wǎng)像進行對數(shù)橄坐了一種簡單魯棒的路標識別方法

16、，通過對目標網(wǎng)像進行對數(shù)橄坐標變換，利用其角度軸的投影直方圖作為特征向量來實現(xiàn)路標識標變換，利用其角度軸的投影直方圖作為特征向量來實現(xiàn)路標識別。別。對數(shù)極坐標變換表達了一種圖像描述的變化，描述關系見對數(shù)極坐標變換表達了一種圖像描述的變化，描述關系見公式公式：’“=“=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度，為像素距變換中心的長度，(x(x，v1v1足像素在直角坐標中的坐標；足像素在直角坐標中的坐標；u是對數(shù)極坐標系的橫坐標軸，劉是對數(shù)極坐標系的橫坐標軸，劉’應像素距變換中心的長度；、，是應像素距變換中心的長度；、，是對數(shù)極坐標系的縱坐標軸等于該像素極徑與水平軸正方向的夾角；對數(shù)極坐標系的縱坐標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)的目標質。變換中心采用傳統(tǒng)的目標質心算法。心算法。對數(shù)極坐標變換具有尺度不變性與旋轉不變性，即：目標對數(shù)極坐標變換具有尺度不變性與旋轉不變性，即：目標尺度變化表現(xiàn)為對數(shù)極坐標系中目標區(qū)域的上下平移；目標用尺度變化表現(xiàn)為對數(shù)極坐標系中目標區(qū)域的上下平移；目標用繞中心點旋轉繞中心點旋轉L弧度村弧度村1當于映射變換罔右移當于映射變換罔右移L個單位。個單位。在文獻中，在文獻中，minmin取同定值，經(jīng)過改進，我們選擇：同定值，經(jīng)過改進，我們選

19、擇：rrain=rrain=／／H標象素數(shù)標象素數(shù)11／(2(21(2)(2)假設目標圍繞中心點放大假設目標圍繞中心點放大L倍，則目標的象索總數(shù)將放大，則目標的象索總數(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，目標尺度的變在理想情況下，目標尺度的變化引起對數(shù)極坐標目標區(qū)域的化引起對數(shù)極坐標目標區(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

20、行歸一化處理，需要進行歸一化處理(見式見式3)3)：“=klog(rlog(r／r)／Iog(rIog(r／i)i)(3)(3)其中其中rmaxrmax為目標象素距其喚心的最大距離。為目標象素距其喚心的最大距離。從直觀意義上說從直觀意義上說H標經(jīng)過縮放、平移以后，棚對目標中標經(jīng)過縮放、平移以后，棚對目標中心，其各個方向上的象素數(shù)日保持比例不變。這一點反映在投心，其各個方向上的象素數(shù)日保持比例不變。這一點反映在投影直方岡上，就是經(jīng)過歸一化

21、的影直方岡上，就是經(jīng)過歸一化的v軸投影直方罔保持不變，當然軸投影直方罔保持不變，當然，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，在不考慮旋轉的情況下，可以用轉的情況下，可以用v軸投影直方圖作為特征向量來計算距軸投影直方圖作為特征向量來計算距離，達到識別的目的。離，達到識別的目的。直方圖距離計算有多種方法，文獻中做了比較詳細的介紹，直方圖距離計算有多種方法，文獻中做了比較詳細的介紹，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驗效果，如式有較好的實驗效果，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，可以由波峰波谷計算距離不變，可以由波峰波谷計

23、算距離對于兩投影直方圖對于兩投影直方圖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。為了提高識別算法的抗噪聲以及抗形變能力，波峰波谷。為了提

24、高識別算法的抗噪聲以及抗形變能力，波峰波谷的對應情況考慮的對應情況考慮幅度為幅度為1的左右偏移的左右偏移。在檢測直方網(wǎng)波峰波谷前，先對投影直方圖進行一維高斯平滑，。在檢測直方網(wǎng)波峰波谷前，先對投影直方圖進行一維高斯平滑，同時為丁提高抗干擾性，只考慮寬度至少為同時為丁提高抗干擾性，只考慮寬度至少為5的波峰波的波峰波。為了驗證算法的?？啃院陀行?，首先設為了驗證算法的?？啃院陀行?，首先設i1i1一組仿真實一組仿真實驗。選擇一組樣本圖像驗。

25、選擇一組樣本圖像(圖2)2)，計算其中一一圖與其他圖中目標的投影直方圖距離。選取，計算其中一一圖與其他圖中目標的投影直方圖距離。選取參數(shù)參數(shù)=16=16、k：01、CaCa：1010、chch：02，根據(jù)最近鄰距離識別。，根據(jù)最近鄰距離識別。陶2中I2I2為IlIl加入噪聲斑點后的圖像加入噪聲斑點后的圖像I3I3為IlIl經(jīng)過經(jīng)過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