基于立体视觉的移动机器人自主导航定位系统文档.pdf

刘伟军等 :基于立体视觉的移动机器人自主导航定位系统 基于立体视觉的移动机器人自主导航定位系统① ② 刘伟军 　董再励 　郝颖明　朱 　枫 ( 中国科学院沈阳自动化研究所机器人学开放研究实验室 　沈阳 110015) 摘 　要 　　描述了一种基于立体视觉的移动机器人自主导航定位系统 。该系统采用双 目 ( ) 立体视觉完成环境特征的 3D 信息提取 ,实时计算出机器人相对作业 目标的位姿 6D 关 系 ,导引移动机器人控制系统按 目标导向进行运动 。系统在相对位姿计算中采用旋动 ( Screw) 理论 ,将带约束的多变量函数的非线性优化问题转化为线性方程组的最小二乘问 题 ,简化了计算复杂性 。实验表明 ,这个导航定位系统在定位精度和数据处理速度上均可 满足机器人导航的要求 。 关键词 　移动机器人 , 自主导航定位 , 立体视觉 , 旋动理论 与目标之间的位姿关系, 完成载体在作业空间的定 0 　引言 位导航任务 。这个连续的位姿变换关系可以由图 1 来说明。 移动机器人 自主导航主要由环境感知与建模 , 相对位姿确定 、运动规划控制和 目标确定等几个功 能模块组成 。其中自定位技术是实现移动机器人自 主运动的基本功能模块之一 。自定位是指机器人在 运动过程中利用 自身的传感器, 实时确定其在工作 ( ) 环境中参考坐标系 W 下的位置 x , y , z 和姿态 ( αβγ) , , 。这样, 当目的确定时, 移动机器人就可以 自主规划运动, 完成预定的作业 。这种定位导航方 图 1 　各坐标系关系图 式属于绝对定位, 大致可分为两大类 :基于计算机视 ( 图 1 中 Tsw 、Trs 和 Trw 分别是坐标系 S 、R 、W 觉的定位技术和基于非视觉传感器 如超声 、激光 ) 间的位姿变换关系矩阵, 由正交的 3 ×3 旋转矩阵 等 的移动机器人定位技术 。近年来, 随着计算机视 觉技术的发展, 基于视觉的机器人定位方法由于信 TR 和一个三维位移向量 T T 构成 。如果知道 Tsw 息量大 、适应范围广而受到人们的普遍重视[ 1] , 已 和 Trs , 则有 Trw = Tsw + Trs 。如果 Trw 确定了, 就 经成为机器人导航技术的研究“热点”。 确定了机器人在 W 下的位姿 。这样, 当 目的在 W 基于视觉的机器人定位导航技术主要由视觉传 下给定时, 就可以依靠时时给定的 Trw 完成对机器 感器的标定及机器人绝对位姿计算两部分组成 。其 人的定位和导航 。通常 Trs 是依靠安装结构定义 典型方法是利用像机成象模型理论建立视觉传感器 的。定义的误差可 以根据实验数据进行调整和补 S 与世界坐标系 W 的关系; 然后利用这个关系, 通 偿 。Tsw是传感器系统对环境 W 下特征识别后, 利 过视觉系统对环境特征的识别与匹配, 计算出环境 用数学模型计算得到的。在建立 Tsw 时, 需要确定 特征在视觉系统坐标系中的位置, 进而通过预标定 视觉系统与观测环境之间位姿关系参数, 一般理