鐘映春，劉阿明，謝仁亮(廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣州510006)

基于機(jī)器視覺(jué)的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航偏轉(zhuǎn)角的確定*

鐘映春，劉阿明，謝仁亮
(廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣州510006)

室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人需要在結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中定位和導(dǎo)航。常用的方法是采用電子羅盤獲得機(jī)器人的偏轉(zhuǎn)角。但是電子羅盤極易受到磁干擾。為此，提出了采用圖像識(shí)別技術(shù)來(lái)獲取機(jī)器人的導(dǎo)航偏轉(zhuǎn)角。首先，利用機(jī)器人上搭載的攝像裝置獲取原始圖像，進(jìn)而提取圖像中特定顏色分量;然后，利用改進(jìn)的霍夫變換算法檢測(cè)機(jī)器人正向矢量;最后，獲得正向矢量與北向矢量間的夾角數(shù)據(jù)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該文所提出的基于機(jī)器視覺(jué)的確定室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航偏轉(zhuǎn)角的方式可以避免硬磁干擾，具有較高的精度，保證準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性。

室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人;機(jī)器視覺(jué);機(jī)器人導(dǎo)航;霍夫變換;圖像識(shí)別

0 引言

室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人是一種在如家庭、養(yǎng)老院等結(jié)構(gòu)化環(huán)境中具備自主移動(dòng)能力的裝置。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能化機(jī)器人走進(jìn)人們的生活，研究具有高精度導(dǎo)航定位能力的機(jī)器人成為當(dāng)前熱點(diǎn)之一［1-2］。

目前，在室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航應(yīng)用中，廣泛使用電子羅盤與機(jī)械陀螺儀來(lái)確定機(jī)器人當(dāng)前角度，但電子羅盤離干擾源45cm之內(nèi)，容易受到干擾源的硬磁干擾，嚴(yán)重影響輸出的準(zhǔn)確性［3-4］，極端情況下可能導(dǎo)致機(jī)器人無(wú)法正常移動(dòng)。為此，需要研究其他技術(shù)手段來(lái)避免室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航領(lǐng)域中的磁干擾問(wèn)題。

本文采用機(jī)器視覺(jué)的方法來(lái)確定室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航偏轉(zhuǎn)角。首先構(gòu)建了室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)，然后采用圖像識(shí)別技術(shù)來(lái)獲得當(dāng)前機(jī)器人正向矢量與北向矢量間的夾角數(shù)據(jù)［5］，由于此檢測(cè)方法可以人為按需選擇物理安裝空間以及選用高精度抗干擾類機(jī)械指北針，可以有效避免機(jī)器人自身導(dǎo)磁材料對(duì)測(cè)量精度的影響。

1 室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文以室內(nèi)移動(dòng)輪椅式機(jī)器人作為開(kāi)發(fā)研究平臺(tái)，機(jī)器人實(shí)物如圖1所示。以搭載有Android操作系統(tǒng)的嵌入式設(shè)備(手機(jī)或平板電腦)作為人機(jī)交換面板。指北針設(shè)備安裝在嵌入式設(shè)備的正下方，以保證獲取到的圖像在視圖的正中央。

圖1 室內(nèi)移動(dòng)輪椅式機(jī)器人

室內(nèi)移動(dòng)輪椅式機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其導(dǎo)航系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 機(jī)器人偏轉(zhuǎn)角獲取流程

機(jī)器人偏轉(zhuǎn)角獲取流程如圖3所示。

3.1.1 灰度二值化

將圖像進(jìn)行灰度二值化，f(x，y)代表圖像某一空間位置點(diǎn)的灰度值，g(x，y)代表變換后的灰度值，處理模型為:

圖3 機(jī)器人偏轉(zhuǎn)角獲取流程

2 導(dǎo)航系統(tǒng)角度匹配模型

獲取到的指北針示例圖像如圖4所示，灰色指針代表基準(zhǔn)線，即北向矢量，黑色部分的直線方向與機(jī)器人方向一致或者成180°夾角，稱為目標(biāo)線，即機(jī)器人正向矢量。當(dāng)指北針設(shè)備隨著機(jī)器人發(fā)生角度位移時(shí)，由于地球磁場(chǎng)的原因，基準(zhǔn)線將始終指向一個(gè)方向，黑色直線將隨著機(jī)器人的角度位移發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當(dāng)目標(biāo)線所在的角度與導(dǎo)航地圖所約定的零度方向一致時(shí)，目標(biāo)線與基準(zhǔn)線之間的夾角值代表機(jī)器人的當(dāng)前角度值，即機(jī)器人正向矢量與指北矢量間的夾角數(shù)據(jù)。當(dāng)目標(biāo)線所在的角度與導(dǎo)航地圖所約定的零度方向不一致時(shí)，這部分角度差值為Δθ，目標(biāo)線與基準(zhǔn)線之間的夾角值需加上Δθ才能代表機(jī)器人當(dāng)前角度值［6］。

圖4 指北針示例

3 機(jī)器人正向矢量與北向矢量的提取

3.1 圖像預(yù)處理

在獲取圖像的過(guò)程中，由于各種因素的干擾會(huì)給圖像帶來(lái)噪聲，表現(xiàn)為各種形式的干擾點(diǎn)或是條紋，圖像中的噪聲大大降低了圖像質(zhì)量，同時(shí)信息會(huì)受到干擾，在對(duì)圖像進(jìn)行各種操作識(shí)別之前必須對(duì)圖像進(jìn)行濾波操作，消除噪聲對(duì)圖像的干擾［7-8］。該系統(tǒng)中圖像預(yù)處理流程如圖5所示:①獲取圖像，尺寸為240× 320pixels;②提取圖像中的藍(lán)色分量與紅色分量;③對(duì)圖像進(jìn)行灰度聚類處理;④確定目標(biāo)象限。

圖5 圖像預(yù)處理流程

公式(1)中的α代表灰度閾值，采用Otsu自適應(yīng)閾值法來(lái)確定［9］，仿真實(shí)驗(yàn)中獲得的α=50;灰度二值化操作將增強(qiáng)圖像中的特征區(qū)域，使目標(biāo)線或者基準(zhǔn)線與背景區(qū)別開(kāi)來(lái)。

3.1.2 灰度歸一化與確定目標(biāo)象限

將提取出的顏色分量圖像采用分象限篩選的方式進(jìn)行投票確定目標(biāo)象限，基本思路是:將提取出來(lái)的紅色分量圖像按照標(biāo)定的四個(gè)象限進(jìn)行投票，黑點(diǎn)最多的象限，其區(qū)域灰度值保持不變，同時(shí)將黑點(diǎn)最多的象限標(biāo)記為目標(biāo)象限，其余象限灰度值全部置1。處理模型為:

3.2 原始圖像處理流程圖

原始圖像處理過(guò)程如圖6所示［10］，分為4步:①獲取指北針圖像;②對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，剔除干擾，使檢測(cè)目標(biāo)易于識(shí)別;③識(shí)別檢測(cè)目標(biāo)，提取被測(cè)對(duì)象特征;④將圖像特征形態(tài)學(xué)細(xì)化成一條細(xì)線;⑤利用霍夫變換，計(jì)算移動(dòng)設(shè)備(如室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人)角度。

經(jīng)過(guò)上述預(yù)處理處理的圖像中，雖然大部分噪音已經(jīng)被濾除，但還是存在一些冗余、干擾信息。如直接對(duì)其進(jìn)行邊緣檢測(cè)和Hough變換，由于信息較復(fù)雜，Hough變換仍將占據(jù)較多的內(nèi)存量和計(jì)算時(shí)間，影響整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。所以，在處理步驟上先利用形態(tài)學(xué)腐蝕操作對(duì)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行二次去噪處理，去除原始圖像中的冗余、干擾信息，以有效減少邊緣信息總量，提高算法效率。

圖6 原始圖像處理流程

3.3 霍夫變換及其改進(jìn)檢測(cè)算法

3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)霍夫變換檢測(cè)直線原理

圖像中的直線檢測(cè)經(jīng)常采用霍夫變換。霍夫變換的原理是:把笛卡爾空間中排列的像素點(diǎn)轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)空間，簡(jiǎn)化兩兩像素點(diǎn)斜率的檢測(cè)，進(jìn)而判定像素點(diǎn)是否在一條直線上［11］。

3.3.2 霍夫變換算法的改進(jìn)

霍夫變換具有優(yōu)異的魯棒性和極佳的抗干擾能力，對(duì)圖像中的噪音不敏感，能夠較好地處理局部遮擋、覆蓋等情況，但由于它是一種窮盡式搜索，因而其計(jì)算復(fù)雜度和空間復(fù)雜度都很高，巨大計(jì)算量阻止了它在移動(dòng)設(shè)備如手機(jī)等實(shí)時(shí)性要求很高的領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)霍夫變換的缺點(diǎn)，本文采用多級(jí)分象限霍夫變換檢測(cè)算法，該算法成倍縮小標(biāo)準(zhǔn)霍夫變換中的投票范圍，提高了霍夫變換的計(jì)算速度。

3.3.3 兩點(diǎn)表決霍夫變換原理

一個(gè)圖像空間的點(diǎn)對(duì)應(yīng)參數(shù)空間一條曲線，反之亦然，霍夫變換建立了不同空間下點(diǎn)線之間的對(duì)偶關(guān)系。在直線檢測(cè)中，2個(gè)不同圖像點(diǎn)唯一對(duì)應(yīng)一個(gè)參數(shù)點(diǎn)，而不是一條參數(shù)曲線，從幾何學(xué)上來(lái)說(shuō)就是兩點(diǎn)確定一條直線［12-13］。用這個(gè)參數(shù)點(diǎn)的參數(shù)進(jìn)行表決同樣能找出圖像中的直線，但無(wú)需對(duì)圖像點(diǎn)在整個(gè)參數(shù)空間進(jìn)行計(jì)算，因此能大大減少計(jì)算量。

3.3.4 縮小標(biāo)準(zhǔn)霍夫變換投票范圍

標(biāo)準(zhǔn)霍夫變換的投票過(guò)程中，將根據(jù)整幅圖像的尺寸按照ρ和θ的步長(zhǎng)進(jìn)行窮盡似計(jì)算投票［14-15］，極端情況下，其復(fù)雜度將達(dá)到o(n3)。在圖像預(yù)處理模塊，人為的將圖像分為四個(gè)象限，根據(jù)各象限區(qū)域圖像的像素值確定出直線所處的目標(biāo)象限，這樣，在霍夫變換投票過(guò)程中，我們可以根據(jù)目標(biāo)象限直接將投票范圍縮小到原來(lái)的四分之一，避免了標(biāo)準(zhǔn)霍夫變換中窮盡似搜索帶來(lái)的能耗問(wèn)題，提高計(jì)算速度。

3.3.5 改進(jìn)后的霍夫變換直線檢測(cè)算法

將上面兩種策略結(jié)合起來(lái)，具體描述如下:①將顏色分量圖像分為四個(gè)象限，確定目標(biāo)象限;②根據(jù)目標(biāo)象限，將(xj，yj)限定在目標(biāo)區(qū)域;③針對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行霍夫變換檢測(cè)，即從圖像塊中任意取兩個(gè)特征點(diǎn)(xi，yi)和(xj，yj)，根據(jù)式(1)計(jì)算經(jīng)過(guò)這兩點(diǎn)直線的參數(shù)ρ和θ，并對(duì)參數(shù)空間的(ρ，θ)單元投票，進(jìn)而檢測(cè)得到目標(biāo)區(qū)域中的直線參數(shù)ρ和θ。

由上述分析可知，改進(jìn)的Hough變換在以下2個(gè)方面減少了計(jì)算量:①縮小目標(biāo)區(qū)域，減少了復(fù)雜的正弦和余弦運(yùn)算次數(shù);②縮小了參數(shù)ρ和θ的范圍。表1為算法測(cè)試運(yùn)行時(shí)間。

表1 角度精度為0.5ο的運(yùn)行時(shí)間表(ms)

4 機(jī)器人導(dǎo)航偏轉(zhuǎn)角軟件系統(tǒng)的構(gòu)建

算法程序流程圖，如圖7所示。

圖7 導(dǎo)航偏轉(zhuǎn)角軟件流程

4.1 特定顏色分量的圖像仿真處理結(jié)果

按照上述圖像預(yù)處理步驟得到的效果圖如圖8所示。

從圖8可見(jiàn):①紅色顏色分量與藍(lán)色顏色分量可以清晰地提取出來(lái)，說(shuō)明圖像預(yù)處理對(duì)原始圖像所進(jìn)行的濾波細(xì)化操作是有效的;②采用形態(tài)學(xué)細(xì)化的策略可以將特定顏色分量的圖像進(jìn)行腐蝕細(xì)化，且濾除大部分噪音。③在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，紅色分量存在被藍(lán)色分量遮蓋的情況，存在色素提取不完整，所得圖像模糊的情況，需要另外確定合適的二值化閥值大小。

圖8 圖像仿真結(jié)果

4.2 機(jī)器人導(dǎo)航偏轉(zhuǎn)角測(cè)試結(jié)果與分析

隨機(jī)獲取不同位置的圖像，按照上述算法，進(jìn)行霍夫變換直線角度識(shí)別，得到結(jié)果如表2所示，表中的數(shù)字代表獲取到的指針?biāo)谥本€的角度值，從表2可知:①由于指北針上黑色分量與灰色分量的分布特點(diǎn)，相比于灰色分量，黑色分量其色素的提取相對(duì)較清晰準(zhǔn)確，在圖像二值化過(guò)程中直接通過(guò)自適應(yīng)選取二值化閥值方式，就能準(zhǔn)確的識(shí)別出所代表的直線角度;②灰色分量所代表的直線，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，取thresh= 0.20時(shí)可以獲得理想的檢測(cè)結(jié)果;③不同時(shí)間下的采樣圖片，都能獲得較好的檢測(cè)角度，可見(jiàn)本文提出的檢測(cè)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航偏轉(zhuǎn)角的方式具有實(shí)用性。④檢測(cè)使用中將指北針上的黑色部分縮小為一個(gè)半徑的長(zhǎng)度，在以指針交點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中，黑色直線所對(duì)應(yīng)的正向矢量將只對(duì)應(yīng)一個(gè)角度。⑤利用改進(jìn)的霍夫變換檢測(cè)算法可以較快的得到檢測(cè)結(jié)果。

表2 偏轉(zhuǎn)角測(cè)試結(jié)果

續(xù)表

5 結(jié)論

針對(duì)室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航領(lǐng)域中電子羅盤容易受到磁干擾，影響機(jī)器人正常移動(dòng)的問(wèn)題，提出了基于機(jī)器視覺(jué)的方式來(lái)確定機(jī)器人導(dǎo)航偏轉(zhuǎn)角。同時(shí)針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)霍夫變換檢測(cè)算法存在的窮盡式搜索問(wèn)題，提出了改進(jìn)策略，提高了檢測(cè)效率。為了得到機(jī)器人導(dǎo)航中的偏轉(zhuǎn)角參數(shù)，構(gòu)建了角度匹配模型，通過(guò)提取、檢測(cè)指北針中的顏色分量來(lái)達(dá)到獲取導(dǎo)航偏轉(zhuǎn)角的目的。通過(guò)試驗(yàn)和分析表明:

(1)采用機(jī)器視覺(jué)的方式來(lái)確定導(dǎo)航偏轉(zhuǎn)角，可以有效地避免磁干擾，通過(guò)Hough變換算法檢測(cè)黑色分量所代表的北向矢量與灰色分量所代表的正向矢量，檢測(cè)出的角度值準(zhǔn)確率可達(dá)96%，角度誤差范圍在0°～3°;

(2)在運(yùn)行Hough變換檢測(cè)算法之前，將圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)細(xì)化有助于減少干擾與減少Hough變換的計(jì)算時(shí)間與內(nèi)存空間，通過(guò)采用分象限的策略，縮小Hough投票范圍為原來(lái)的四分之一，程序平均執(zhí)行時(shí)間縮小為標(biāo)準(zhǔn)Hough變換檢測(cè)算法執(zhí)行時(shí)間的30%左右;

(3)在Android 4.2系統(tǒng)，1G運(yùn)行內(nèi)存，系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，測(cè)試實(shí)驗(yàn)每100ms～125ms可以得到一次角度值，能夠滿足大多數(shù)情況下的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人定位導(dǎo)航的使用需求。

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(編輯李秀敏)

The Determ ination of Navigation Deflection Angle for M achine Vision-based Indoor M obile Robots

ZHONG Ying-chun，LIU A-ming，XIE Ren-liang
(School of Automation，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China)

Indoor mobile robots are needed to locate and navigate in a structured environment.To obtainthe deflection angle of the robots，a common method is using electronic compass.However，since electronic compass is highly susceptible to magnetic interference，a new method using image recognition technology is put forward.Firstly，original image can be acquired from the photographic device installed on the robots，and then its specific color components can be extracted;afterw ards，modified Hough transform algorithm canbe used to detect the positive vector of the robots.Lastly，the included angle data betw een the positive vector and the north vector can be acquired.Experimental results show that the proposed method of determineng navigation deflection angle for machine vision－based indoor mobile robots avoids hard magnetic interfere－nce and ensures high accuracy，precision and timeliness.

indoor mobile robots;machine vision;robot navigation;Hough transform;image recognition

TH166;TG659

A

1001－2265(2017)04－0001－04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.04.001

2016－06－25;

2016－07－24

廣東省佛山市科技計(jì)劃項(xiàng)目(FZ2010013);廣東省高性能計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題項(xiàng)目(TH1528)

鐘映春(1973—)，男，江西贛州人，廣東工業(yè)大學(xué)副教授，研究生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)槟Ｊ阶R(shí)別與圖像處理;通訊作者:劉阿明(1991—)，男，湖南耒陽(yáng)人，廣東工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閳D像處理與算法研究，(E－mail)675234258@qq.com。