基于激光與視覺的機(jī)器人定位目標(biāo)方法研究

靳若硯+王金祥

摘 要：本文研究的內(nèi)容是在移動機(jī)器人靜止的情況下通過CCD攝像頭和激光測距傳感器獲取運(yùn)動目標(biāo)信息，通過對獲得數(shù)據(jù)信息的處理、融合與分析，得出運(yùn)動目標(biāo)的方位與距離信息，從而定位目標(biāo)。實(shí)驗采用了VC++6.0開發(fā)平臺，利用開源計算機(jī)視覺庫OpenCV在機(jī)器人上驗證本方法，實(shí)驗結(jié)果表明本方法能夠正確地、實(shí)時有效地定位環(huán)境中的運(yùn)動目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：移動機(jī)器人；CCD攝像頭；激光測距；定位目標(biāo)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.209

1 研究的現(xiàn)狀及意義

運(yùn)動目標(biāo)定位和跟蹤是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱門方向。在現(xiàn)實(shí)場景下，運(yùn)動目標(biāo)的定位和跟蹤可以應(yīng)用在軍事、民用、醫(yī)療等諸多方面，由于該研究內(nèi)容有著廣泛的應(yīng)用前景，愈來愈受到人們的關(guān)注。

現(xiàn)階段，運(yùn)動目標(biāo)檢測所采用的算法主要有幀差法，以及基于幀差法的改進(jìn)算法，例如背景差法，三幀差法等。而確定運(yùn)動目標(biāo)的具體距離位置，則需要在此基礎(chǔ)上增加其他可以測量距離的傳感器，從而獲得運(yùn)動目標(biāo)在當(dāng)前空間中的實(shí)際坐標(biāo)位置，進(jìn)而可以定位運(yùn)動目標(biāo)，為目標(biāo)特征的提取與運(yùn)動目標(biāo)的跟蹤打下良好的基礎(chǔ)。

2 基于CCD攝像頭的運(yùn)動目標(biāo)定位

由于視覺能獲取更多的數(shù)據(jù)量，所以選用了攝像頭作為傳感器。利用CCD攝像頭捕獲到環(huán)境中的實(shí)時圖像，之后對獲取到的實(shí)時圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。對每一幀圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括閉運(yùn)算，去噪等， 減少由于實(shí)驗結(jié)果造成的誤差。對攝像頭獲取的視頻圖像采用連續(xù)幀差、二值化處理獲得運(yùn)動目標(biāo)的輪廓信息，幀差法是在靜止環(huán)境中檢測運(yùn)動目標(biāo)的簡潔而有效的方法。

然而，實(shí)驗結(jié)果表明由幀差法得到的圖像， 容易受到環(huán)境中物體運(yùn)動帶來的灰塵光線的影響， 幀差的結(jié)果比實(shí)際運(yùn)動的物體大，而且輪廓不明顯，時而會出現(xiàn)“鬼影”現(xiàn)象。本文中采用兩幀差方法改進(jìn)算法，采用了三幀差法。三幀差法可以有效避免環(huán)境帶來的影響。具體是選取圖像序列中的連續(xù)三幀圖像， 對每一幀圖像進(jìn)行預(yù)處理， 分別計算相鄰兩幀圖像的差值；在每一個像素點(diǎn)， 將得到的兩個二值圖像邏輯相“與“，得到三幀圖像的中間幀的二值圖像，這樣初步解決了運(yùn)動目標(biāo)方向信息，為精確定位提供依據(jù)。

3 基于激光測距傳感器的運(yùn)動目標(biāo)定位

通過CCD攝像頭可以檢測到運(yùn)動目標(biāo)或者定位目標(biāo)，但是， 卻不能得到目標(biāo)的具體位置信息，不能得到目標(biāo)在三維空間中的坐標(biāo)。而采用激光測距傳感器， 則可以建立空間坐標(biāo)系， 得到目標(biāo)物體相對于當(dāng)前機(jī)器人的位置信息。

本文的實(shí)驗采用的是上海廣茂達(dá)公司的能力風(fēng)暴AS-RII智能輪式機(jī)器人，該機(jī)器人上的激光測距傳感器可以感知到其前方0到180度范圍內(nèi)的環(huán)境，實(shí)驗中將激光采集到的數(shù)據(jù)放在數(shù)組中，并在該數(shù)組中設(shè)置181個元素。本文采用了均值濾波的去噪方法來減少激光產(chǎn)生的噪聲，然后對去噪后的距離信息進(jìn)行處理有效處理，可以獲得運(yùn)動目標(biāo)的方位與距離信息。

4 多傳感器融合目標(biāo)定位

采用視頻傳感器雖然可以大致檢測出目標(biāo)的運(yùn)動區(qū)域，但難以保證目標(biāo)定位的實(shí)時性與準(zhǔn)確性，因此運(yùn)用多個傳感器信息融合的方法進(jìn)行目標(biāo)定位可以很好地克服這一缺陷。

多傳感器目標(biāo)檢測的過程如圖4-1所示。

首先將單個傳感器獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)先處理，然后通過多傳感器融合算法將目標(biāo)數(shù)據(jù)融合處理。分析CCD傳感器得到位置信息與激光測距儀獲取的方位信息一致時，且能維持在5s內(nèi)的時間一致時我們認(rèn)為方向定位正確，此時方位上的距離機(jī)器人較近的距離信息可以記錄為運(yùn)動目標(biāo)到機(jī)器人的距離信息。下圖4-2說明了機(jī)器人與運(yùn)動目標(biāo)（圖中的運(yùn)動人）的關(guān)系。

圖中C點(diǎn)為CCD攝像頭在直角坐標(biāo)系平面上的投影點(diǎn)，置于機(jī)器人的前端A點(diǎn)為激光傳感器的激光發(fā)射點(diǎn)。其中C點(diǎn)距地面52cm，A點(diǎn)距離地面37cm，AC=16cm，激光發(fā)射角度為[00，1800]，B是運(yùn)動目標(biāo)的中心， O是輪式機(jī)器人的中心。

運(yùn)動目標(biāo)區(qū)域的數(shù)據(jù)信息包括距離信息和角度信息。假設(shè)CCD攝像頭采集到的圖像經(jīng)預(yù)處理后得到的目標(biāo)角度分別是C點(diǎn)到運(yùn)動人左右邊界的切線。同理可知，激光傳感器的檢測角度為此方向距離較近。獲得二者的檢測數(shù)據(jù)后，需要對兩個傳感器進(jìn)行綜合定位，最終在視頻圖像中表示出目標(biāo)的正確運(yùn)動區(qū)域。

5 實(shí)驗分析與總結(jié)

在實(shí)驗中，通過多傳感器的信息融合，從而確定運(yùn)動目標(biāo)的位置與距離信息。視頻圖像中采用紅色邊框框出運(yùn)動目標(biāo)區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)用綠色的短橫線表示出激光傳感器感知到的方位信息。在此方位上的較短距離信息為機(jī)器人與目標(biāo)的距離信息。在AS-R平臺上實(shí)驗表明，通過對多個傳感器獲取到的信息進(jìn)行科學(xué)合理地融合處理，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動目標(biāo)的定位。通過信息融合的方法定位正確，效率高，魯棒性好。

作者簡介：靳若硯（1996-），女，山西太原人，本科。endprint