基于双目视觉的轮式机器人动态避障研究

发布时间：2017-04-10 17:01

  本文关键词：基于双目视觉的轮式机器人动态避障研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着科技的进步,轮式移动机器人在工业、军事、民用等多个领域得到了广泛应用。因此轮式移动机器人的避障成为研究热点。本文基于一个典型的两轮驱动的轮式移动机器人,通过双目立体视觉技术设计了一套可进行动态避障的轮式机器人系统。第一章,介绍了国内外范围内的移动机器人发展和应用情况,介绍了具有代表性的移动机器人产品,并对双目立体视觉技术和移动机器人人避障技术的基本概念和研究现状做了重点阐述。调研了移动机器人避障的现有算法,并做分析。最后阐述了本课题的研究意义和研究内容。第二章,首先介绍了双目立体视觉系统的成像原理,阐明了相机的线性透视投影模型和存在的非线性畸变。使用棋盘法对相机的进行标定实验。在得到相机的内、外参数后,对所得的左右相机标定结果做了非线性优化,得到了较为准确的双目相机成像模型。第三章,首先介绍了立体匹配的原理和基本方法。然后介绍了极线校正和约束匹配的概念。在OpenCV平台下对图像进行极线校正。最后对双目图像进行了立体匹配。第四章,针对对三维环境进行全局三维重建的计算量过大的问题,研究了障碍物特征点的识别和跟踪问题,并做了实验验证。然后介绍了三维重建的基本概念。使用最小二乘法进行了较为准确的三维重建实验,对双目视觉系统做了障碍物测距和测速的研究。第五章,介绍了传统的人工势场法的基本原理和存在的固有缺陷。针对动态环境的避障,将速度引入人工势场的构建中,并改进了目标点不可到达和局部极小陷阱的问题。在Matlab平台下对改进的人工势场法进行了仿真实验。第六章,介绍了用于本课题验证的轮式移动机器人平台及其硬件结构和软件架构,并针对该机器人平台的差动驱动机械结构进行运动学分析。为机器人避障构建局部避障地图。在该平台上构建障碍物环境,并进行了动态避障的实验验证。
【关键词】：轮式移动机器人 双目立体视觉 相机标定 立体匹配 人工势场法
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-18
• 1.1 研究背景11-13
• 1.2 国内外研究现状13-16
• 1.2.1 双目立体视觉13-14
• 1.2.2 轮式移动机器人的动态避障14-16
• 1.3 课题研究意义和研究内容16-18
• 1.3.1 课题研究意义16-17
• 1.3.2 本文研究内容17-18
• 2 双目立体摄像机的标定18-31
• 2.1 引言18
• 2.2 双目立体视觉原理18-20
• 2.2.1 双目立体视觉系统理想模型18-19
• 2.2.2 一般双目立体视觉系统模型19-20
• 2.3 相机模型20-25
• 2.3.1 相机线性透视投影模型20-23
• 2.3.2 相机非线性畸变23-24
• 2.3.3 消除非线性畸变24-25
• 2.4 摄像机标定25-30
• 2.4.1 张氏标定法25
• 2.4.2 张氏标定法原理25-27
• 2.4.3 标定实验及结果27-29
• 2.4.4 非线性优化29-30
• 2.5 小结30-31
• 3 立体匹配31-42
• 3.1 引言31
• 3.2 立体匹配原理31-34
• 3.2.1 基本思想31-32
• 3.2.2 几何极线原理32-33
• 3.2.3 极线校正33-34
• 3.2.4 匹配约束34
• 3.3 使用SIFT算法进行立体匹配34-39
• 3.4 立体匹配实验及结果39-41
• 3.4.1 基于OpenCV的Bouguet算法的极线校正39-40
• 3.4.2 应用SIFT算法的立体匹配实验40-41
• 3.5 总结41-42
• 4 障碍物三维重建研究42-53
• 4.1 特征识别与跟踪42-48
• 4.1.1 特征点检测与提取42-45
• 4.1.2 特征点跟踪45-47
• 4.1.3 实验验证47-48
• 4.2 距离测量48-50
• 4.2.1 三维重建原理48-49
• 4.2.2 测距实验及结果49-50
• 4.3 速度测量50-51
• 4.3.1 实验分析51
• 4.4 虚拟地图建立51-52
• 4.5 小结52-53
• 5 改进人工势场法的动态避障53-67
• 5.1 传统人工势场法53-57
• 5.1.1 引力场54
• 5.1.2 斥力场54-55
• 5.1.3 总势场55
• 5.1.4 传统人工势场法存在的问题55-57
• 5.2 改进的人工势场法57-64
• 5.2.1 改进的引力势场函数58-59
• 5.2.2 改进的斥力势场函数59-61
• 5.2.3 改进目标物不可到达问题61-62
• 5.2.4 改进局部极小陷阱62-64
• 5.3 仿真实验64-66
• 5.4 小结66-67
• 6 移动机器人平台搭建与实验67-73
• 6.1 实验平台系统67-71
• 6.1.1 硬件架构67-69
• 6.1.2 软件结构设计69-70
• 6.1.3 轮式移动机器人运动学分析70-71
• 6.2 实验与分析71-73
• 7 总结及展望73-75
• 7.1 全文总结73
• 7.2 展望73-75
• 参考文献75-78

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