基于光栅投射立体视觉的暗环境中移动机器人视觉导航方法研究

In dark environment without enough energy and extra light source, autonomous navigation of mobile robot is an urgent problem in the robot field. A novel visual navigation method based on grating projection stereo vision for mobile robot in dark environment is proposed. This method is combining with grating projection profilometry of plane structured light and stereo vision technology. It can be employed to realize obstacle detection, SLAM(Simultaneous Localization and Mapping) and vision odometry for mobile robot navigation in dark environment without the image match in stereo vision technology and without phase unwrapping in the grating projection profilometry. Firstly, we research the new vision sensor theoretical, and build geometric and mathematical model of the grating projection stereo vision system. Secondly, the computational method of 3D coordinates of space obstacle in the robot's visual field is studied, and then the obstacles in the field is located accurately. Thirdly, the 3D coordinates of feature objects in the image sequences of two CCDs are analyzed, and the Recognition and tracking algorithm of feature objects is researched and established. Finally, the motion parameters of mobile robot including attitude, orientation and movement distance are obtained by building the relationship between motion parameters of robot and location change of feature objects in the image sequence. And then precise positioning of mibile robot is realized. This research is useful to break the current autonomous navigation problem of mobile robotin in dark environment, and to provide the theoretical basis and exploration direction for further study on navigation of space exploring robot in the dark and without GPS environment.

在黑暗环境中且携带能源有限无法采用外来光源照明的情况下，移动机器人如何进行自主导航是亟待解决的难题。采用面结构光栅投射和立体视觉相结合的新型视觉模型，本项目提出基于光栅投射立体视觉的暗环境中自主移动机器人视觉导航方法，本方法既规避立体视觉的立体匹配难题，又避开光栅投射的相位展开难题，进行暗环境中机器人导航的障碍物检测、SLAM和视觉里程计研究。首先,研究光栅投射立体视觉传感理论，建立光栅投射立体视觉几何及数学模型；第二,研究机器人视场内空间障碍物的三维坐标计算方法，精确定位障碍物；第三,分析图像序列中特征目标的3D坐标信息，研究特征目标识别和跟踪算法；最后,建立机器人运动参数与特征目标在图像序列中的位置变化关系，研究机器人姿态、朝向和运动距离等运动参数的获得方法，实现运动机器人精确定位。本研究有利于目前黑暗环境中机器人无法自主导航难题的突破，为暗环境中无GPS支持的机器人导航提供基础探索。

本项目提出一种基于光栅投射立体视觉的暗环境下自主移动机器人视觉导航方法。本方法既规避了立体视觉的立体匹配难题，又规避了光栅投射的相位展开难题，适用于暗环境下实现机器人导航的障碍物检测、SLAM和视觉里程计。.研究内容包括：(1)研究了光栅投射立体视觉传感器理论，建立光栅投射立体视觉几何及数学模型；(2)研究了机器人视场内空间障碍物的三维坐标计算方法，精确定位障碍物；(3)分析了图像序列中特征目标的3D坐标信息，研究了特征目标搜索和跟踪算法；(4)建立了机器人运动参数与特征目标在图像序列中的位置变化的关系，研究了机器人的姿态、朝向和运动距离等运动参数的获得方法，实现了运动机器人精确定位；.通过实验表明，采用光栅投射立体视觉传感器可以很好的解决暗环境下自主移动机器人导航问题。机器人在正常自由移动过程中车体姿态误差小于1°，而且运动距离测量中误差与车体运动距离的比值小于0.26%，但是当机器人进行90°旋转时，机器人在运动过程中车体姿态误差较大，最大达到1.7°，而且运动距离测量中误差与车体运动距离的比值也比较大，达到2.4%，三方向上车体定位误差最大不超过10mm/m。本研究有利于目前黑暗环境中机器人无法自主导航难题的突破，为暗环境中无GPS支持的机器人导航提供基础探索，并且为光栅投射立体视觉系统在深空探索机器人自主导航领域进一步理论和应用研究开展前期探索工作。