一種基于主動(dòng)結(jié)構(gòu)光的巡視器障礙探測(cè)方法
【專利摘要】一種基于主動(dòng)結(jié)構(gòu)光的巡視器障礙探測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)步驟包括環(huán)境感知、激光點(diǎn)提取、激光點(diǎn)快速匹配、激光點(diǎn)三維恢復(fù)、障礙判斷。本發(fā)明能夠在陰影區(qū)域或者缺乏紋理特征區(qū)域進(jìn)行環(huán)境感知；利用結(jié)構(gòu)光的先驗(yàn)信息進(jìn)行快速匹配和三維恢復(fù)，計(jì)算量小，處理時(shí)間短，能夠?qū)崿F(xiàn)障礙物的快速識(shí)別和判斷，可應(yīng)用于巡視探測(cè)器或移動(dòng)機(jī)器人的在線實(shí)時(shí)障礙探測(cè)。
【專利說(shuō)明】一種基于主動(dòng)結(jié)構(gòu)光的巡視器障礙探測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種障礙判斷方法，適用于在月球、火星等外星球表面進(jìn)行探測(cè)任務(wù)的巡視器的障礙識(shí)別，也可用于在野外惡劣環(huán)境進(jìn)行作業(yè)的移動(dòng)機(jī)器人的障礙識(shí)別。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)于配備雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)任務(wù)的巡視器來(lái)說(shuō)，一般情況下，巡視器利用視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)其所處的環(huán)境采集圖像，經(jīng)過(guò)立體匹配處理獲取環(huán)境的三維信息。但是，當(dāng)探測(cè)目標(biāo)處于陰影區(qū)域，或者探測(cè)區(qū)域缺乏足夠的紋理特征時(shí)，相機(jī)無(wú)法對(duì)清晰成像，導(dǎo)致無(wú)法獲取準(zhǔn)確的三維信息，使得巡視器無(wú)法進(jìn)行障礙識(shí)別，從而影響巡視器正常完成探測(cè)任務(wù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于主動(dòng)結(jié)構(gòu)光的巡視器障礙探測(cè)的方法，該方法能夠在陰影區(qū)域或者缺乏紋理特征區(qū)域進(jìn)行環(huán)境感知，實(shí)現(xiàn)障礙物的快速識(shí)別和判斷。
[0004]本發(fā)明技術(shù)解決方案:一種基于主動(dòng)結(jié)構(gòu)光的巡視器障礙探測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0005](I)環(huán)境感知
[0006]在巡視器上安裝能夠投射出結(jié)構(gòu)光的激光點(diǎn)陣器，根據(jù)巡視器所處的環(huán)境和激光點(diǎn)陣器的性能，設(shè)置相機(jī)積分時(shí)間，對(duì)巡視器的探測(cè)區(qū)域進(jìn)行成像，獲取含有一組激光點(diǎn)的左右相機(jī)圖像對(duì)；對(duì)左右相機(jī)圖像對(duì)進(jìn)行分析，如果發(fā)現(xiàn)圖像中激光點(diǎn)光斑不清晰，或者圖像中有雜散光，則應(yīng)該調(diào)整相機(jī)積分時(shí)間并重新成像，直到獲取到激光點(diǎn)光斑清晰的圖像；
[0007](2)激光點(diǎn)提取
[0008]對(duì)步驟(1)中獲得的左右相機(jī)圖像對(duì)進(jìn)行分析，設(shè)置灰度閾值T，將圖像中灰度值大于灰度閾值T的像素點(diǎn)作為激光點(diǎn)，通過(guò)閾值分割的方法在圖像上搜索激光點(diǎn)，根據(jù)設(shè)定的激光點(diǎn)光斑面積范圍閾值[Amin, Amax],剔除光斑面積大于Amin、小于Amax的偽激光點(diǎn)；另外，根據(jù)激光點(diǎn)陣器與相機(jī)的相對(duì)位置關(guān)系，推算出激光點(diǎn)在左右相機(jī)圖像對(duì)中的分布范圍，利用該先驗(yàn)知識(shí)，剔除由其他雜光在圖像中引起的噪點(diǎn)；
[0009]對(duì)于從左右相機(jī)圖像對(duì)中提取出的激光點(diǎn)，計(jì)算激光點(diǎn)的能量中心，得到激光點(diǎn)能量中心在左右相機(jī)圖像對(duì)中的像素坐標(biāo)，分別記為(%,%)(! = 1,2,...,#)和
=，其中，N為激光點(diǎn)陣器投射出的激光點(diǎn)的總個(gè)數(shù)；
[0010](3)激光點(diǎn)快速匹配
[0011]根據(jù)激光點(diǎn)陣器所投射的激光點(diǎn)的構(gòu)型，利用步驟(2)中得到的激光點(diǎn)像素坐標(biāo)對(duì)激光點(diǎn)進(jìn)行歸類排序，得到激光點(diǎn)分別在左右相機(jī)圖像對(duì)中對(duì)應(yīng)的編號(hào)，從而完成激光點(diǎn)的快速匹配；
[0012](4)激光點(diǎn)三維恢復(fù)
[0013]結(jié)合相機(jī)參數(shù)，對(duì)步驟(3 )中匹配出的各激光點(diǎn)的像素坐標(biāo)進(jìn)行校正，并求得各激光點(diǎn)在左右相機(jī)圖像中的視差值Di (i=l, 2，...，N)
[0014]根據(jù)立體視覺(jué)視差測(cè)距的原理，利用各激光點(diǎn)在左右相機(jī)圖像中的視差值DiQ=I, 2,..., N),計(jì)算各激光點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)(xei，yci, zci), i=l, 2,..., N ；
[0015]結(jié)合相機(jī)的安裝及巡視器的姿態(tài)，求得由相機(jī)坐標(biāo)系到水平坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣7:-對(duì)激光點(diǎn)三維坐標(biāo)進(jìn)行如下坐標(biāo)轉(zhuǎn)換:
【權(quán)利要求】
1.一種基于主動(dòng)結(jié)構(gòu)光的巡視器障礙探測(cè)方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下: (1)環(huán)境感知 在巡視器上安裝能夠投射出結(jié)構(gòu)光的激光點(diǎn)陣器，根據(jù)巡視器所處的環(huán)境和激光點(diǎn)陣器的性能，設(shè)置相機(jī)積分時(shí)間，對(duì)巡視器的探測(cè)區(qū)域進(jìn)行成像，獲取含有一組激光點(diǎn)的左右相機(jī)圖像對(duì)；對(duì)左右相機(jī)圖像對(duì)進(jìn)行分析，如果發(fā)現(xiàn)圖像中激光點(diǎn)光斑不清晰，或者圖像中有雜散光，則應(yīng)該調(diào)整相機(jī)積分時(shí)間并重新成像，直到獲取到激光點(diǎn)光斑清晰的圖像； (2)激光點(diǎn)提取 對(duì)步驟(1)中獲得的左右相機(jī)圖像對(duì)進(jìn)行分析，設(shè)置灰度閾值T，將圖像中灰度值大于灰度閾值T的像素點(diǎn)作為激光點(diǎn)，通過(guò)閾值分割的方法在圖像上搜索激光點(diǎn)，根據(jù)設(shè)定的激光點(diǎn)光斑面積范圍閾值[Amin, Amax],易Ij除光斑面積大于Amin、小于Amax的偽激光點(diǎn)；另外，根據(jù)激光點(diǎn)陣器與相機(jī)的相對(duì)位置關(guān)系，推算出激光點(diǎn)在左右相機(jī)圖像對(duì)中的分布范圍，利用該先驗(yàn)知識(shí)，剔除由其他雜光在圖像中引起的噪點(diǎn)； 對(duì)于從左右相機(jī)圖像對(duì)中提取出的激光點(diǎn)，計(jì)算激光點(diǎn)的能量中心，得到激光點(diǎn)能量中心在左右相機(jī)圖像對(duì)中的像素坐標(biāo)； (3)激光點(diǎn)快速匹配 根據(jù)激光點(diǎn)陣器所投射的激光點(diǎn)的構(gòu)型，利用步驟(2)中得到的激光點(diǎn)像素坐標(biāo)對(duì)激光點(diǎn)進(jìn)行歸類排序，得到激光點(diǎn)分別在左右相機(jī)圖像對(duì)中對(duì)應(yīng)的編號(hào)，從而完成激光點(diǎn)的快速匹配； (4)激光點(diǎn)三維恢復(fù) 結(jié)合相機(jī)參數(shù)，對(duì)步驟(3)中匹配出的各激光點(diǎn)的像素坐標(biāo)進(jìn)行校正，并求得各激光點(diǎn)在左右相機(jī)圖像中的視差值Di,式中，i=l，2，...，N，N為激光點(diǎn)陣器投射出的激光點(diǎn)的總個(gè)數(shù)；` 根據(jù)立體視覺(jué)視差測(cè)距的原理，利用各激光點(diǎn)在左右相機(jī)圖像中的視差值Di,計(jì)算各激光點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)(Xc;i，yci, zci)，i=l, 2，...，N ; 結(jié)合相機(jī)的安裝及巡視器的姿態(tài)，求得由相機(jī)坐標(biāo)系到水平坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣F ?對(duì)激光點(diǎn)三維坐標(biāo)進(jìn)行如下坐標(biāo)轉(zhuǎn)換:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于主動(dòng)結(jié)構(gòu)光的巡視器障礙探測(cè)方法，其特征在于:所述步驟(4)中相機(jī)坐標(biāo)系的定義為:原點(diǎn)位于左相機(jī)光心，Z。軸沿左相機(jī)的光軸向前，與圖像平面垂直，Xc軸與Z。軸垂直，指向相機(jī)系統(tǒng)的右側(cè)，Y。軸與X。軸、Z。軸滿足右手定則。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于主動(dòng)結(jié)構(gòu)光的巡視器障礙探測(cè)方法，其特征在于:所述步驟(4)中水平坐標(biāo)系的定義為:原點(diǎn)位于巡視器質(zhì)心，&軸為巡視器前進(jìn)方向在水平面上的投影，I軸在水平面上與\軸垂直，指向巡視器的右側(cè)，&軸與\軸、I軸滿足右手定則。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于主動(dòng)結(jié)構(gòu)光的巡視器障礙探測(cè)方法，其特征在于:所述步驟(4)中立體視覺(jué)視 差測(cè)距的具體實(shí)現(xiàn)為: 假設(shè)場(chǎng)景中的某一點(diǎn)P在左右圖像中的像素坐標(biāo)分別為(H)和(XK，YK)，由于兩個(gè)成像平面在同一平面上，故Υ^，則由三角幾何關(guān)系有:
【文檔編號(hào)】G01B11/00GK103884281SQ201410100570
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年3月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月18日
【發(fā)明者】劉祥, 邢琰, 毛曉艷, 滕寶毅, 賈永, 王大軼, 何英姿, 陳建新, 何健, 劉云, 萬(wàn)麗景, 張晉 申請(qǐng)人:北京控制工程研究所