宋偉奇++覃妮妮
摘要:本文首先簡單介紹了越野機器人特點和現(xiàn)在研究發(fā)展的現(xiàn)狀。針對存在的問題,通的實驗研究設(shè)計出越野機器人硬件電路系統(tǒng),提出一種采用 CCD 圖像傳感器的雙目視覺越野機器人系統(tǒng),為障礙物檢測研究搭建實驗平臺。
關(guān)鍵詞:越野機器人;障礙物檢測;雙目視覺
中圖分類號:TP18 文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2015)25-0125-02
1概述
越野機器人是一種可以室外非結(jié)構(gòu)化路面環(huán)境下通過傳感器識別環(huán)境和自身狀態(tài),實現(xiàn)對目標導航的機器人系統(tǒng)。越野機器人在行駛過程中,通過不斷地收集、處理路面環(huán)境數(shù)據(jù),最后運算并做出決策判斷,隨時調(diào)整自身的行進狀態(tài)并執(zhí)行相應的動作和操作,并且其還應具有自主學習和自適應的功能。。
越野機器人的研究涉及圖形圖像處理、計算機視覺、人工智能、自動化控制、等多個專業(yè)的理論與技術(shù),是計算機科學和電子傳感技術(shù)的結(jié)合。可實現(xiàn)障礙物自主識別、無人駕駛汽車、安全測距、車速控制等功能,在軍用及民用多個領(lǐng)域都有重要應用價值。越野機器人的研究是相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域交叉相互促進發(fā)展的結(jié)果,其中視覺識別技術(shù)是其中的一個重要研究內(nèi)容。
越野機器人的視覺系統(tǒng)就像人的眼睛,主要完成路面信息采集、識別障礙物等功能,是機器人自主行駛中最重要的部分,稱為視覺信息傳感與實時處理技術(shù)。通常越野機器人的視覺信息的采集大多采用彩色攝像機來完成。視覺信息的正確與否、處理是否及時都關(guān)系到越野機器人行駛的速度、道路跟蹤以及避障的效果,更是實現(xiàn)越野機器人運行實時性和魯棒性的基礎(chǔ),可能認為是整個越野機器人系統(tǒng)中最關(guān)鍵的技術(shù)。越野機器人采用的視覺技術(shù)主要有二維視覺和三維立體視覺兩種,因三維立體視覺可以直接獲取路面環(huán)境三維特征,比較適合于越野環(huán)境下行駛區(qū)域與障礙區(qū)域的檢測與識別,從而得到廣泛研究和重視。
越野機器人三維立體視覺系統(tǒng)的障礙物檢測技術(shù)主要又分為單目視覺和雙目視覺檢測。單目視覺檢測的方法是基于特征和運動參數(shù),結(jié)合模式識別來進行檢測,但這種類方法中提取特征和運動參數(shù)估計相對困難,且適應性不強;雙目視覺技術(shù)是模仿人的眼睛特點,從而計算多種視差圖來獲取障礙物距離、位置等數(shù)據(jù)。本項目開發(fā)設(shè)計的是基于雙目視覺的越野機器人硬件平臺和軟件系統(tǒng)。
2硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計
越野機器人的視覺系統(tǒng)在整個機器人系統(tǒng)中起著非常重要的作用,其能夠幫助機器人進行目標識別和目標定位。越野機器人視覺系統(tǒng)一般以計算機為中心,硬件系統(tǒng)由越野機器人、計算機、視覺傳感器和高速圖像采集卡組成;軟件系統(tǒng)由計算機系統(tǒng)軟件、視覺處理算法、機器人控制軟件組成。如圖1所示。
圖1 越野機器人雙目視覺系統(tǒng)平臺軟硬件結(jié)構(gòu)
2.1越野機器人
越野機器人是一種能自主識別環(huán)境,并完成動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能綜合機器人系統(tǒng)。越野環(huán)境中的運動機器人的行駛機構(gòu)主要分為履帶式、步行式和輪式三種,三種行駛機構(gòu)各有其優(yōu)點。本項目的越野機器人采用是自主履帶式移動機械平臺機器人系統(tǒng)。平臺硬件系統(tǒng)的組成部分:車體、智能控制箱、立體導航系統(tǒng),也就是雙目立體視覺系統(tǒng)安裝在車體的前部,智能控制箱安裝在車體后部,車體為履帶式行走機構(gòu),包括電池,直流電機、各種驅(qū)動器以及兩個前驅(qū)動輪和兩個后被動輪。左、右輪式機構(gòu)分別由左、右直流伺服電機驅(qū)動。
雙目立體攝像頭在越野機器人車體的前部,左右各一路超聲傳感器前攝像頭。越野機器人智能控制箱在車體的后部,上面一排依次是:開機按鈕、電量指示窗、關(guān)機按鈕。下面一排依次是:左后超聲、倒車攝像頭、右后超聲。紅色的急停按鈕和液晶觸摸屏顯示器分別安裝在控制箱的面板上。同時安裝有有線網(wǎng)口或無線收發(fā)器模塊,可以對越野機器人進行遠程控制及監(jiān)控。
2.2視覺傳感器
視覺傳感器是整個系統(tǒng)中的基礎(chǔ)視覺信息源。本項目的越野機器人采用兩個視覺傳感器組成雙目立體視覺系統(tǒng),兩個傳感器的性能參數(shù)要求一致。其主要功能是從不同角度同時獲取行駛環(huán)境中的原始圖像。常用的視覺傳感器有CCD攝像機、CMOS攝像機等。CCD攝像機是一種利用電荷存儲傳送和讀出方式進行工作的固體攝像器件,是目前應用較多的圖像采集裝置。以CCD攝像機+視頻采集卡+計算機結(jié)合進行視頻捕獲的方式應用也最為成熟,同時其具有體積小、重量輕、功耗小的特點,在分辨率、靈敏度和實時傳輸?shù)确矫嬉灿辛己玫男阅?。本項目采用的兩個相同的CCD攝像機保持水平,并互相平行,組成雙目立體平行視覺系統(tǒng)。攝像機是彩色CCD攝像機,呈像顏色為彩色IP180,焦距為2.8mm,廣角清晰度為960P/1080p,逐行掃描CCD傳感器,鏡頭可視角度量2.8mm@F1.4,如圖2所示。
圖2 雙目立體攝像機
2.3高速圖像采集卡
圖像采集卡是將越野機器人從CCD攝像機采集的視覺圖像形成的模擬信號,經(jīng)A/D器轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號,再將這些數(shù)字信號存儲在計算機的存儲器中。當計算機發(fā)出傳送指令時,可將圖像信息經(jīng)過PCI總線送到計算機內(nèi)存用于計算機運算處理。
本項目設(shè)計的是雙目視覺系統(tǒng),需要兩個攝像機同時采集路面信息,故我們采用是多路彩色視頻圖像采集卡,具備圖像高品質(zhì)的質(zhì)量、穩(wěn)定性和集成度高等特點。圖像采集卡支持PCI總線、多路操作的功能,能同時對兩路以上彩色圖像實現(xiàn)實時采集,將輸入的彩色圖像信號,經(jīng)數(shù)字解碼器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器進行縮放比例、裁剪、采集、色度空間變換等處理,最后通過PCI總線送達到計算機內(nèi)存中實時存儲下來。滿足了本項目需要支持二路視頻的同時采集的雙目立體視覺系統(tǒng)的需要。
2.4計算機
本項目的視覺系統(tǒng)采用的計算機為嵌入式計算機,CPU處理器為Intel Pentium Dual-core T4400,內(nèi)存2G ,主頻2.2GHz,具備百兆網(wǎng)絡(luò)接口和提供PCI外接插槽,Intel芯片組集成顯示控制器和圖像處理引擎控制,組成成本低、功耗低、速度高的嵌入式系統(tǒng)。越野機器人所采集到的兩路圖像分別經(jīng)多路切換器,A/D解碼將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)緩沖器,經(jīng)裁剪、比例壓縮及格式轉(zhuǎn)換后,由內(nèi)部控制圖形系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)傳輸工作,最后輸出到控制計算機系統(tǒng)中。圖像信息中障礙物目標位置的數(shù)據(jù)由軟件運件確定,最后存入是計算機系統(tǒng)內(nèi)存。兩路復合圖像分時采集正好符合項目要求中對兩個攝像機同時進行圖像采集的要求。與彩色圖像采集卡組成了高速的采集和處理系統(tǒng),是整個越野機器人視覺系統(tǒng)的核心硬件系統(tǒng)。
3結(jié)論
本文主要是對雙目立體視覺越野機器人平臺進行了研究,實現(xiàn)對復雜空間中的障礙物進行檢測并進行三維重構(gòu),為越野機器人的導航、定位、避障等設(shè)計的越野機器人硬件系統(tǒng)平臺。重點分析了建設(shè)雙目視覺越野機器人的硬件系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu),及各組成部分的性能特點。根據(jù)該平臺的性能,分析比較了幾種可行的雙目視覺障礙物檢測方法,為下一步進行程序開發(fā)做好理論基礎(chǔ)。
參考文獻:
[1] 陳雪,張衛(wèi)彬.基于雙目立體視覺的障礙物檢測方法[J].軟件導刊,2012(2).
[2] 王晶,蘇光大.改進的雙目立體視覺正面臉合成[J].應用科學學報,2014(1).
[3] 楊建榮,曲仕茹.基于單目視覺的障礙物檢測方法研究[J].計算機仿真,2009(2).