黃靖然

摘 要 機(jī)器視覺(jué)是掃地機(jī)器人感知外界環(huán)境的一種重要手段，而雙目技術(shù)是掃地機(jī)器人感知外界的一個(gè)重要技術(shù)手段，雙目技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的三維重建，是適用于掃地機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)之一。

關(guān)鍵詞 雙目技術(shù) 導(dǎo)航技術(shù) 三維重建 自定位

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著機(jī)器視覺(jué)、傳感器技術(shù)和人工智能等的全面發(fā)展，作為集這些技術(shù)為一體的機(jī)器人技術(shù)也取得了巨大的突破。同時(shí)，隨著生活水平的提高，人們對(duì)自動(dòng)化的需求越來(lái)越大，掃地機(jī)器人作為新時(shí)代人工智能的產(chǎn)物，逐漸地走進(jìn)人們的生活中。然而，掃地機(jī)器人設(shè)計(jì)的技術(shù)非常復(fù)雜，現(xiàn)階段掃地機(jī)器人的各項(xiàng)技術(shù)仍處于起步階段，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、導(dǎo)航技術(shù)、控制策略等都是服務(wù)機(jī)器人所需要研究的關(guān)鍵技術(shù)，也是目前學(xué)者針對(duì)掃地機(jī)器人的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)。掃地機(jī)器人必須要有效地自主避障，因此導(dǎo)航技術(shù)是一項(xiàng)核心技術(shù)，在很大程度上推動(dòng)者掃地機(jī)器人的發(fā)展。導(dǎo)航技術(shù)又可分解為三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，即雙目視覺(jué)技術(shù)目標(biāo)定位，多傳感器融合，路徑規(guī)劃。本文就掃地機(jī)器人中的雙目視覺(jué)定位技術(shù)進(jìn)行了介紹及展望。

1雙目視覺(jué)目標(biāo)定位

與人類雙眼視覺(jué)系統(tǒng)感知過(guò)程相似，雙目視覺(jué)定位技術(shù)是指一個(gè)分別從不同的角度對(duì)同一個(gè)物體采集兩幅圖像并進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像處理從而得到該物體三維信息的過(guò)程。其基本原理是，分別從兩個(gè)不同的觀測(cè)點(diǎn)對(duì)同一個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行拍攝，獲取兩幅圖像，得到物體在兩幅圖像中的坐標(biāo)信息，并通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換分析得到該物體的三維信息。

而掃地雙目視覺(jué)目標(biāo)定位就是通過(guò)在工作空間中或機(jī)器人自身上安裝的兩個(gè)攝像機(jī)對(duì)機(jī)器人場(chǎng)景進(jìn)行拍攝，并得到目標(biāo)物在左右圖像中的位置，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換還原到世界坐標(biāo)系下，完成機(jī)器人對(duì)目標(biāo)物的精確定位。一個(gè)完整的雙目視覺(jué)目標(biāo)定位技術(shù)主要包括攝像機(jī)標(biāo)定、目標(biāo)識(shí)別、立體匹配、三維信息恢復(fù)等步驟。

根據(jù)雙目立體視覺(jué)的物理結(jié)構(gòu)和成像原理可以抽取出如圖2所示的幾何關(guān)系。

則深度Z的計(jì)算公式為：

（1）

其中B為基線（baseline）的長(zhǎng)度，表示兩個(gè)相機(jī)光心的距離；f為相機(jī)的焦距；d為視差。

2雙目技術(shù)在掃地機(jī)器人自定位上的應(yīng)用

基于雙目視覺(jué)的掃地機(jī)器人自定位就是在導(dǎo)航的過(guò)程中，通過(guò)在機(jī)器人自身上安裝的雙目攝像頭獲得同一目標(biāo)物的兩幅不同圖像，通過(guò)攝像機(jī)標(biāo)定、特征提取、圖像匹配以及三維恢復(fù)等技術(shù)得到目標(biāo)物距離自己位置及狀態(tài)信息。掃地器人只有準(zhǔn)確地知道目標(biāo)的位置，才能有效地進(jìn)行自主運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自主到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，并進(jìn)行清理的過(guò)程。得到精確的目標(biāo)定位信息是確保服務(wù)機(jī)器人完成自主導(dǎo)航的重要環(huán)節(jié)。

如圖3所示，是將雙目攝像頭安裝在掃地機(jī)器人上的示意圖。將兩個(gè)攝像頭安裝在機(jī)器人兩側(cè)耳朵的位置上，攝像頭要平行放置，以確保采集到的左右圖像盡可能涵蓋相同的視角。通過(guò)張正友標(biāo)定法分別得到左右攝像機(jī)內(nèi)參以及外參。

如圖4所示為掃地機(jī)器人的工作流程圖。對(duì)左右攝像機(jī)獲得的兩幅圖像分別進(jìn)行圖像預(yù)處理，進(jìn)行雙目立體匹配。進(jìn)而計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)的視差，恢復(fù)出目標(biāo)物體距掃地機(jī)器人的距離及精確位置坐標(biāo)，掃地機(jī)器人自主移動(dòng)到目標(biāo)物體附近并達(dá)到清潔的目的。

如圖5所示為機(jī)器人識(shí)別目標(biāo)立方體所抽象出來(lái)的空間幾何圖。所示的工作環(huán)境為一個(gè)5mX5m的房間，半徑為20cm的圓為簡(jiǎn)化的掃地機(jī)器人，質(zhì)心在距離房間下邊緣1m，左邊緣2m處，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎胺?，雙目攝像頭能獲得的最大視角為120啊1叱の？cm的正方形為簡(jiǎn)化的立方體，質(zhì)心在距離房間上邊緣1.2m，右邊緣1m處。掃地機(jī)器人在如圖所示的位置工作時(shí)，通過(guò)雙目攝像頭捕獲得圖像，經(jīng)過(guò)復(fù)雜算法得到如下所示方位的數(shù)據(jù)：L1=1.732m，L2=3m，L3=4.796m，L4=1.433m，L5=0.05m，L6=0.05m，L7=1.557m，L8=0.081m，L9=2.5m，L10=2.598m。

3雙目技術(shù)的發(fā)展方向

目前，雙目技術(shù)在掃地機(jī)器人的應(yīng)用主要集中在價(jià)格與性能的評(píng)估。該技術(shù)由于應(yīng)用場(chǎng)景的局限性、長(zhǎng)距離測(cè)量精度受限、計(jì)算復(fù)雜度高，算法實(shí)現(xiàn)難度大等問(wèn)題的存在，今后的發(fā)展方向應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮：

（1）進(jìn)一步改進(jìn)算法，在降低復(fù)雜度的同時(shí)，保證圖像匹配的精度。

（2）實(shí)現(xiàn)一上電就可以自標(biāo)定，即將攝像機(jī)的標(biāo)定程序固化到掃地機(jī)器人的系統(tǒng)中。為了提高測(cè)量的精度和準(zhǔn)確度，還可以采用變焦的攝像機(jī)。

（3）雙目技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景很多，而不僅僅是在掃地機(jī)器人自定位方面。針對(duì)不同的需求，設(shè)計(jì)出符合特定要求的立體成像系統(tǒng)?？梢杂糜谌S重建、工業(yè)檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域，還有可能應(yīng)用于航天遙測(cè)、軍事偵察等。

4結(jié)語(yǔ)

隨著當(dāng)今社會(huì)自動(dòng)化水平的飛速提高，掃地機(jī)器人在自動(dòng)化行業(yè)中逐漸嶄露頭角，顯示出眾多的優(yōu)勢(shì)，智能化是如今服務(wù)業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一，而雙目視覺(jué)技術(shù)作為機(jī)器人智能化技術(shù)中的關(guān)鍵成員，得到了極大的關(guān)注。雙目視覺(jué)通過(guò)模仿人眼來(lái)感知三維世界，隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展及實(shí)用化，將在智能機(jī)器人、軍事監(jiān)測(cè)、工業(yè)產(chǎn)品檢測(cè)等領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用，對(duì)雙目視覺(jué)技術(shù)展開(kāi)研究，既有理論意義，也對(duì)實(shí)際生活、生產(chǎn)有深遠(yuǎn)的意義。

因此，研究更高水平的智能化算法并將其引入掃地機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)中以提高機(jī)器人智能化水平是未來(lái)的一個(gè)研究趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 戴宗賢.基于雙目視覺(jué)的三維重建與測(cè)量技術(shù)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2014.

[2] 吳若鴻.基于特征匹配的雙目立體視覺(jué)技術(shù)研究[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2010.