一種基于視覺的輪式移動機器人快速目標(biāo)跟蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于輪式移動機器人視覺控制領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于視覺的輪式移動 機器人快速目標(biāo)跟蹤方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 輪式移動機器人作為移動機器人中一種最常見的機器人，無論是在日常生活中還 是搶險救災(zāi)、國防科技等其他高科技領(lǐng)域中，都有著許多實際應(yīng)用。輪式移動機器人可以采 用自主或者半自主的方式運動，是集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制等功能于一體的 綜合系統(tǒng)。近年來，輪式移動機器人一直朝著自主化、智能化的方向發(fā)展，取得了很多研究 成果，其中一個重要的分支就是視覺化的研究。隨著各類傳感器的發(fā)展，特別是視覺傳感 器的發(fā)展，為機器人向著視覺化、智能化發(fā)展提供了強有力的硬件基礎(chǔ)。
[0003] 目前，對于輪式移動機器人的研究都圍繞著目標(biāo)識別與跟蹤、視覺測距與運動學(xué) 控制展開。目標(biāo)識別與跟蹤，尤其是動態(tài)背景下的目標(biāo)檢測與跟蹤一直是視覺領(lǐng)域的難點。 視覺測距分為單目測距以及雙目測距等，其中雙目測距的難點在于算法復(fù)雜度高以及特征 點匹配，所以研究重點集中在如何降低算法復(fù)雜度以及如何快速有效地匹配特征點；單目 測距因結(jié)構(gòu)簡單、運算速度快而具有廣泛的應(yīng)用。
[0004] 因此，目標(biāo)跟蹤、單目測距及運動控制等問題都影響著輪式移動機器人的自主化、 智能化水平，研究如何讓移動機器人自主地、智能地尋找并跟蹤目標(biāo)，具有重要的理論價值 和實際意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：本發(fā)明旨在提出一種基于視覺的輪式移動機器人快速目標(biāo)跟蹤方法。
[0006] 技術(shù)方案：一種基于視覺的輪式移動機器人快速目標(biāo)跟蹤方法，具體步驟如下：
[0007] 步驟（1):啟動攝像頭實時采集圖像，對每一幀圖像先進行灰度化、高斯濾波，將 物體表面的紋理模糊化，然后應(yīng)用霍夫圓變換，檢測灰度圖像中的圓形目標(biāo)；
[0008] 步驟⑵：將步驟⑴中檢測出的圓形目標(biāo)定為待選目標(biāo)，再通過顏色特性從待選 目標(biāo)中篩選出符合目標(biāo)物體顏色的圓形目標(biāo)；
[0009] 步驟（3):獲取步驟⑵中符合目標(biāo)物體顏色的圓形目標(biāo)在圖像上的圓心坐標(biāo)值 以及半徑，將分割線實時顯示在監(jiān)控圖像上以確認(rèn)所述圓形目標(biāo)是否被準(zhǔn)確識別；
[0010] 步驟（4):將步驟（3)中所得的圓心坐標(biāo)值及半徑代入坐標(biāo)變換器，得到當(dāng)前目標(biāo) 與輪式移動機器人本體之間的位姿差。
[0011] 步驟（5):根據(jù)步驟⑷中的位姿差，采用環(huán)狀運動跟蹤目標(biāo)，并確定輪式機器人 環(huán)狀運動的半徑，進而確定輪式機器人左右輪的速度比，給出實際所需的左右輪速，控制機 器人帶動攝像頭跟蹤目標(biāo)。坐標(biāo)變換器的原理是單目測距系統(tǒng)，將圖像上的坐標(biāo)換算成三 維空間中的坐標(biāo)。位姿差為位置跟姿態(tài)的差。
[0012] 進一步的，在所述步驟（2)中，將形狀作為首要特征，再將顏色作為檢驗特征。
[0013] 進一步的，在所述步驟（2)中，還包括在執(zhí)行任務(wù)之前的顏色學(xué)習(xí)：將攝像頭所得 的BGR圖像轉(zhuǎn)化為YUV模型，對U、V兩個分量做直方圖，來確定目標(biāo)物體的U、V閾值。YUV 模型是一種數(shù)字圖像儲存格式，其中Y為亮度信號，UV為兩種色差信號，分別代表藍(lán)色與亮 度的比例和紅色與亮度的比例。
[0014] 進一步的，在所述步驟（4)中，坐標(biāo)變換器用于將圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為空間坐標(biāo)，即單 目測距，在單目測距時需滿足以下假設(shè)條件：球形目標(biāo)在地面任意方向滾動都能引起形心 在圖像中的變化，此假設(shè)條件限定了攝像頭安裝的位置必須在Z= 0平面以外，同時也保證 了矩陣（Γιr2t)的可逆性；將步驟（3)中所得的圓心坐標(biāo)值代入以下方程：
[0016] 其中，s是比例因子，（u，v)是目標(biāo)形心在圖像上的坐標(biāo)值，是攝像頭的可 逆內(nèi)參矩陣，是攝像頭的外參旋轉(zhuǎn)矩陣，t 是攝像頭的外參平移向量，（X，Y， Z)是球形目標(biāo)形心在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，由于圓球在平面滾動時Z值不變，所以令Z= 0,R=(Ar2r3)，得到以下方程：
[0018] 進一步的，在所述步驟（5)中所設(shè)計的環(huán)狀運動，令機器人以（r，0)為圓心，|r|為 半徑做環(huán)狀運動，r滿足：
[0020] 其中（X，Y)是球形目標(biāo)形心在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，1是完成跟蹤任務(wù)時質(zhì)心與 目標(biāo)的距離。
[0021] 進一步的，在所述步驟（5)中左右輪的速度（Vpvr)比為：
[0022]
[0023] 其中，d是兩輪距離的一半。
[0024] 有益效果：本發(fā)明由圖像目標(biāo)識別、單目測距和輪式移動機器人運動學(xué)目標(biāo)跟蹤 三部分組成。輪式移動機器人通過單目式攝像頭實時采集機器人前方的視覺信息，根據(jù)目 標(biāo)物體的形狀與顏色特性篩選出目標(biāo)物體；準(zhǔn)確識別出目標(biāo)后，通過對攝像頭的標(biāo)定與測 量獲得攝像頭的內(nèi)外參數(shù)，再結(jié)合目標(biāo)物體質(zhì)心的圖像坐標(biāo)，還原出目標(biāo)的空間坐標(biāo)信息； 根據(jù)目標(biāo)的空間坐標(biāo)設(shè)計跟蹤算法，使得機器人能有效、快速地跟蹤目標(biāo)。相對于現(xiàn)有技 術(shù)，本發(fā)明簡單易行，對硬件環(huán)境要求不高，跟蹤精度較高，不會出現(xiàn)因自身運動而造成的 目標(biāo)丟失問題。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明輪式移動機器人的控制原理圖；
[0026] 圖2是本發(fā)明輪式移動機器人及其坐標(biāo)系示意圖；
[0027] 圖3是本發(fā)明輪式移動機器人運動算法流程圖；
[0028] 圖4是本發(fā)明輪式移動機器人環(huán)狀運動示意圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的實施案例進行詳細(xì)的描述。
[0030] 本發(fā)明適用于帶有單目攝像頭的輪式移動機器人控制系統(tǒng)，其中包括圖像識別系 統(tǒng)、計算機視覺系統(tǒng)和機器人運動控制系統(tǒng)，整體運作原理圖如圖1所示，整個系統(tǒng)從攝像 頭到圖形采集卡再到圖形處理器為圖像處理部分，其功能是將外界的信息通過視覺傳感器 采集進入系統(tǒng)；計算機視覺系統(tǒng)的功能是將視覺傳感器采集到的圖像信息轉(zhuǎn)化為世界坐標(biāo) 系下的位姿信息，如圖2所示；運動控制系統(tǒng)根據(jù)計算機視覺系統(tǒng)所得的當(dāng)前目標(biāo)位姿與 給定目標(biāo)位姿相比較之后得到目標(biāo)位姿差，按照圖3中的算法，控制輪式移動機器人跟蹤 運動直至跟蹤上目標(biāo)，如圖4所示。
[0031] 在具體實例中，本發(fā)明具體步驟如下：
[0032] 步驟（1):首先，啟動攝像頭實時采集圖像，對每一幀采集所