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        基于機(jī)器視覺的室內(nèi)無軌巡檢機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)

        2020-08-28 05:41:06湯義勤高彥波鄒宏亮葉建軍
        自動化與儀表 2020年8期
        關(guān)鍵詞:導(dǎo)航系統(tǒng)障礙物攝像機(jī)

        湯義勤,高彥波,鄒宏亮,葉建軍,曾 林

        (1.國網(wǎng)臺州供電公司,臺州318000;2.國網(wǎng)浙江臺州市黃巖區(qū)供電有限公司,臺州318020;3.臺州市黃巖永恒電力建設(shè)有限公司,臺州318020)

        在復(fù)雜工況條件下,確保生產(chǎn)設(shè)備或儀器能夠安全運(yùn)行是保證企業(yè)正常生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。 對其進(jìn)行固定的、連續(xù)的巡檢工作至關(guān)重要。 在設(shè)備檢測中,采用傳統(tǒng)人工巡檢方式,易受到作業(yè)環(huán)境因素、個(gè)人自身因素等影響,導(dǎo)致巡檢質(zhì)量低、效率低等問題,還會對巡檢人員的身體健康造成一定程度危害[1]。 巡檢機(jī)器人的出現(xiàn),很好地解決了上述問題。

        巡檢機(jī)器人需要依據(jù)自身對周圍環(huán)境的感知數(shù)據(jù),規(guī)劃一條安全的運(yùn)動路線,高效完成巡檢任務(wù)[2]。 為了保證機(jī)器人順利到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn),需要提高巡檢機(jī)器人導(dǎo)航功能。 現(xiàn)有室內(nèi)無軌巡檢機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)通常采用激光雷達(dá)[3]進(jìn)行導(dǎo)航,其成本較高,不利于普遍適用。 為此,提出基于機(jī)器視覺的室內(nèi)無軌巡檢機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 將導(dǎo)航系統(tǒng)劃分為視覺采集模塊、 路線規(guī)劃模塊以及運(yùn)動控制模塊,通過對三個(gè)模塊的合理設(shè)計(jì),完成室內(nèi)無軌巡檢機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 仿真結(jié)果表明,所提系統(tǒng)可有效規(guī)劃巡檢機(jī)器人行進(jìn)路徑, 且工作效率較高,具有一定可行性。

        1 室內(nèi)無軌巡檢機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        1.1 視覺采集模塊設(shè)計(jì)

        視覺采集模塊是巡檢機(jī)器人導(dǎo)航的基礎(chǔ),通過對攝像機(jī)標(biāo)定、攝像機(jī)位置安裝以及巡檢機(jī)器人定位等,實(shí)現(xiàn)該功能。

        1.1.1 攝像機(jī)標(biāo)定

        在攝像機(jī)成像過程中,涉及圖像坐標(biāo)系、成像平面坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系以及世界坐標(biāo)系。 其中,坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系[4],如圖1 所示。

        圖1 坐標(biāo)系位置關(guān)系圖Fig.1 Coordinate system position relationship diagram

        在坐標(biāo)系位置關(guān)機(jī)分析基礎(chǔ)上,將攝像機(jī)非線性模型[5]表示為

        式中:(xu,yu)表示模型圖像點(diǎn)的坐標(biāo);(xd,yd)表示實(shí)際圖像點(diǎn)坐標(biāo);δx(x,y)與δy(x,y)表示成像畸變值[6]。攝像機(jī)非線性畸變過程如圖2 所示。

        通過優(yōu)化攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù),矯正攝像機(jī)成像的徑向畸變,獲取誤差較小的圖像。

        圖2 攝像機(jī)非線性畸變Fig.2 Camera nonlinear distortion

        1.1.2 攝像機(jī)安裝布局

        為了能夠使室內(nèi)無軌巡檢機(jī)器人導(dǎo)航提供精確的機(jī)器視覺圖像,需要構(gòu)建分布式機(jī)器視覺子系統(tǒng),將多個(gè)攝像機(jī)間隔均勻的安裝在室內(nèi)天花板[7],在室內(nèi)無軌巡檢機(jī)器人運(yùn)動道路上,垂直安裝攝像機(jī)。 分布式機(jī)器視覺子系統(tǒng)如圖3 所示。

        圖3 分布式機(jī)器視覺子系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of distributed machine vision subsystem

        圖3 中,巡檢機(jī)器人運(yùn)動道路長度為L,安裝高度為h,攝像機(jī)視場角為α,攝像機(jī)安裝總數(shù)量為N。

        攝像機(jī)監(jiān)控距離由視場角與焦距決定,其監(jiān)控距離設(shè)置如表1 所示。

        表1 攝像機(jī)監(jiān)控距離Tab.1 Camera monitoring distance

        1.1.3 多圖像拼接

        通過多個(gè)圖像信息的拼接,可以得到完整巡檢機(jī)器人運(yùn)動環(huán)境空間情況[8]。 多圖像拼接步驟如下:

        步驟一獲取每個(gè)攝像頭圖像,提取圖像特征點(diǎn);

        步驟二以步驟一提取的圖像特征點(diǎn)為基礎(chǔ),通過特征點(diǎn)匹配結(jié)果,配準(zhǔn)圖像,將一幅圖像復(fù)制到另一幅圖像的特定位置;其中,圖像配準(zhǔn)公式為

        式中:A,B 分別代表信息相互獨(dú)立的兩幅圖像;ε(A)、ε(B)代表圖像A、B 的熵;ε(A,B)代表A、B的聯(lián)合熵;

        步驟三配準(zhǔn)后的圖像存在一定程度重合,處理圖像重疊部分。 在獲取的圖像配準(zhǔn)過程中,其出現(xiàn)的重合部分與圖像互信息成正比,故采用歸一化處理[9]其重疊部分,其處理公式為

        步驟四判斷是否所有圖像拼接結(jié)束。 若拼接結(jié)束,則轉(zhuǎn)至步驟五;若拼接未結(jié)束,轉(zhuǎn)至步驟二;

        步驟五輸出拼接圖像。

        1.1.4 障礙物檢測

        以拼接圖像為依據(jù),利用Canny 算法檢測障礙物。

        首先,利用尺寸大小為5 的高斯內(nèi)核消除拼接圖像的噪聲;其次,計(jì)算拼接圖像像素梯度幅值與方向;再次,保留像素梯度幅值極大值,即候選邊緣;最后,將候選邊緣的梯度幅值與滯后閾值進(jìn)行比較。 若梯度幅值大于滯后閾值,表示其為邊緣像素,反之,則為非邊緣像素,檢測到的邊緣即為障礙物邊緣。

        需要注意的是,為了避免巡檢機(jī)器人與障礙物的碰撞,對障礙物進(jìn)行一定程度的“膨化”處理[10]。

        1.1.5 巡檢機(jī)器人定位

        在巡檢機(jī)器人定位過程中, 需要獲取模板圖像,通過匹配技術(shù)定位巡檢機(jī)器人的位置。 模板圖像指巡檢機(jī)器人在室內(nèi)任何位置的圖像。 匹配技術(shù)通過計(jì)算獲取圖像與模板圖像之間的相似度,確定機(jī)器人位置。 當(dāng)相似度程度較高時(shí),巡檢機(jī)器人即在模板圖像機(jī)器人所在的位置。 圖像相似性函數(shù)計(jì)算公式為

        式中:R(x,y)表示圖像相似度函數(shù)值;T(x′,y′)表示模板圖像;I(x,y)表示目標(biāo)圖像。

        對目標(biāo)圖像與模板圖像進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化操作,同時(shí)乘以一個(gè)系數(shù),其R(x,y)數(shù)值保持不變。

        當(dāng)圖像相似性函數(shù)值為1 時(shí), 表示匹配成功;當(dāng)圖像相似性函數(shù)值為-1 時(shí),表示匹配失?。划?dāng)圖像相似性函數(shù)值為0 時(shí),表示目標(biāo)圖像與模板圖像沒有相關(guān)性。 通過此方法確定室內(nèi)無軌機(jī)器人所在位置,完成巡檢機(jī)器人的定位。

        1.2 路線規(guī)劃模塊

        環(huán)境建模是室內(nèi)無軌巡檢機(jī)器人路線規(guī)劃的關(guān)鍵環(huán)節(jié),利用柵格法構(gòu)建室內(nèi)無軌環(huán)境模型[11]。室內(nèi)無軌環(huán)境模型如圖4 所示。

        圖4 室內(nèi)無軌環(huán)境模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of indoor trackless environment model

        圖4 中,存在10×10 的柵格序列,黑色部分表示是障礙物。 螞蟻在t 時(shí)刻從柵格vi向vj轉(zhuǎn)移的概率計(jì)算公式為

        式中:m 表示螞蟻;τij(t)α表示t 時(shí)刻柵格vi與vj之間殘留的信息素;ηij(t)β表示t 時(shí)刻柵格vi與vj之間的期望啟發(fā)函數(shù)。

        式中:Q 表示信息素計(jì)算常數(shù);Lm表示螞蟻?zhàn)哌^路線的總長度;Pathm表示螞蟻m 走過柵格的集合。

        判斷螞蟻是否遍歷完整個(gè)室內(nèi)無軌環(huán)境柵格序列圖[12],若遍歷完成,輸出最優(yōu)巡檢機(jī)器人運(yùn)動路線;若未遍歷完成,螞蟻繼續(xù)作業(yè)。

        1.3 運(yùn)動控制模塊

        在直線路線導(dǎo)航控制過程中,PID 控制器輸入?yún)?shù)為巡檢機(jī)器人位置偏差Δs 與方向偏差Δθ[13],計(jì)算巡檢機(jī)器人直行運(yùn)行對應(yīng)的速度控制差量ΔV,以此實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人直線路線導(dǎo)航控制[14]。 位置偏差Δs 與方向偏差Δθ 計(jì)算公式為

        式中:p(xp,yp)與q(xq,yq)表示直線路線上的兩個(gè)節(jié)點(diǎn);θr表示巡檢機(jī)器人當(dāng)前方向;θL表示目標(biāo)路徑方向。

        PID 控制器[15]控制效果與比例、微分、積分參數(shù)有關(guān)。 其中,比例參數(shù)能夠快速響應(yīng)偏差,積分參數(shù)可以降低穩(wěn)態(tài)誤差,微分參數(shù)可以避免超調(diào)。PID 控制器參數(shù)組合情況如表2 所示。

        表2 PID 控制器參數(shù)組合表Tab.2 PID controller parameter combination

        依據(jù)實(shí)際情況,當(dāng)Kp=4,Ki=1.2 與Kd=0.3 時(shí)直線路線導(dǎo)航效果最好,可以滿足巡檢機(jī)器人直線行駛的控制需求。

        在曲線路線導(dǎo)航控制過程中, 位置偏差Δs 是指巡檢機(jī)器人中心點(diǎn)到預(yù)瞄點(diǎn)處切線的距離;方向偏差Δθ 是指巡檢機(jī)器人與切線方向的夾角, 則位置偏差Δs 與方向偏差Δθ 計(jì)算公式為

        式中:(xc,yc)表示巡檢機(jī)器人中心點(diǎn)位置坐標(biāo);kp表示預(yù)瞄點(diǎn)切線斜率;θp表示巡檢機(jī)器人與切線方向的夾角。

        轉(zhuǎn)向PID 控制公式為

        式中:ω(k)表示k 時(shí)刻巡檢機(jī)器人的角速度控制量;K1、K2、K3與K4表示轉(zhuǎn)向PID 的控制參數(shù);ω(k-1)與ω(k-2)分別表示k-1 時(shí)刻與k-2 時(shí)刻對應(yīng)的角速度控制量。

        通過上述模塊設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了基于機(jī)器視覺的室內(nèi)無軌巡檢機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的運(yùn)行,為室內(nèi)無軌巡檢機(jī)器人的應(yīng)用提供更加有效保障。

        2 實(shí)驗(yàn)分析

        2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

        為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能,進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析。搭實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖5 所示。

        圖5 局部實(shí)驗(yàn)環(huán)境Fig.5 Local experiment environment

        在實(shí)驗(yàn)室內(nèi),根據(jù)實(shí)驗(yàn)室大小設(shè)置障礙物。 其中,障礙物的大小形狀均不相同,在實(shí)驗(yàn)室屋頂設(shè)置全局?jǐn)z像機(jī),其間隔距離相等。 通過全局?jǐn)z像頭獲取巡檢機(jī)器人位置信息以及空間環(huán)境信息;利用圖像處理技術(shù)轉(zhuǎn)換為柵格地圖; 通過路線規(guī)劃模塊, 為巡檢機(jī)器人規(guī)劃出一條無碰撞最優(yōu)路線;利用PID 控制器將規(guī)劃路線轉(zhuǎn)換為參數(shù),使室內(nèi)無軌巡檢機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)操作。 在室內(nèi)無軌巡檢機(jī)器人工作過程中,利用全局?jǐn)z像頭定位跟蹤巡檢機(jī)器人,對其進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察。

        室內(nèi)無軌巡檢機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)測試性能指標(biāo)為巡檢機(jī)器人定位時(shí)間、導(dǎo)航誤差以及避障效果。

        2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

        2.2.1 巡檢機(jī)器人定位時(shí)間分析

        為了驗(yàn)證所提系統(tǒng)的科學(xué)有效性,實(shí)驗(yàn)分析了所提系統(tǒng)、基于激光雷達(dá)的巡檢機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)以及基于視覺導(dǎo)航的巡檢機(jī)器人雙??刂葡到y(tǒng)進(jìn)行機(jī)器人定位用時(shí)對比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

        圖6 不同系統(tǒng)定位用時(shí)對比Fig.6 Comparison of different system positioning time

        分析圖6 可以看出,在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行10次實(shí)驗(yàn),三種系統(tǒng)的定位用時(shí)存在一定差異。 其中,所提系統(tǒng)的定位用時(shí)最長和最短用時(shí)分別約為1.1 s和0.7 s,基于激光雷達(dá)的巡檢機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的定位用時(shí)最長和最短用時(shí)分別約為5.8 s 和1.0 s;最基于視覺導(dǎo)航的巡檢機(jī)器定位用時(shí)最長和最短用時(shí)分別約為4.2 s 和1.1 s。 相比之下,所提系統(tǒng)的定位用時(shí)最短,分別降低了約0.3 s 和0.4 s。 這是由于在進(jìn)行導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),所提系統(tǒng)將獲取的機(jī)器人巡檢圖像進(jìn)行匹配和重疊處理,進(jìn)而縮短了機(jī)器人定位耗時(shí)。

        2.2.2 巡檢機(jī)器人導(dǎo)航誤差分析

        為了驗(yàn)證所提系統(tǒng)的可靠性,實(shí)驗(yàn)對比了所提系統(tǒng)、基于激光雷達(dá)的巡檢機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)以及基于視覺導(dǎo)航的巡檢機(jī)器人雙??刂葡到y(tǒng)在進(jìn)行導(dǎo)航時(shí)的誤差,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

        圖7 不同系統(tǒng)導(dǎo)航誤差對比Fig.7 Comparison of navigation errors of different systems

        分析圖7 可以看出,在相同信噪比環(huán)境下,采用3 種系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航的誤差不相同。 當(dāng)信噪比為4時(shí),所提系統(tǒng)的誤差率約為0.5%,基于激光雷達(dá)的巡檢機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差率約為0.75%, 基于視覺導(dǎo)航的巡檢機(jī)器人雙模控制系統(tǒng)的誤差率約為0.95%;當(dāng)信噪比為10 時(shí),所提系統(tǒng)的誤差率約為0.1%,基于激光雷達(dá)的巡檢機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差率約為0.6%,基于視覺導(dǎo)航的巡檢機(jī)器人雙??刂葡到y(tǒng)的誤差率約為0.8%;三種系統(tǒng)的導(dǎo)航誤差均呈現(xiàn)降低趨勢,所提系統(tǒng)的誤差率最低,驗(yàn)證了所提系統(tǒng)的可行性。

        2.2.3 巡檢機(jī)器人避障效果分析

        為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提系統(tǒng)的可靠性,實(shí)驗(yàn)采用所提系統(tǒng)、基于激光雷達(dá)的巡檢機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)以及基于視覺導(dǎo)航的巡檢機(jī)器人雙??刂葡到y(tǒng)進(jìn)行避障分析,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。

        圖8 不同系統(tǒng)避障效果對比Fig.8 Comparison of obstacle avoidance effects of different systems

        分析圖8 可知,三種系統(tǒng)在進(jìn)行巡檢時(shí)避障效果存在一定差異。 其中,所提系統(tǒng)可完全避開障礙物,且選擇最近路線進(jìn)行巡檢,基于激光雷達(dá)的巡檢機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)和基于視覺導(dǎo)航的巡檢機(jī)器人雙模控制系統(tǒng)在進(jìn)行巡檢時(shí), 不能完全避開障礙物,均存在一定撞擊障礙物的現(xiàn)象,且選擇的路徑距離目標(biāo)點(diǎn)較遠(yuǎn)。 相比之下,所提系統(tǒng)的進(jìn)行巡檢時(shí)的避障效果更好。

        3 結(jié)語

        本文設(shè)計(jì)的室內(nèi)無軌巡檢機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng),通過對系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì),并對各模塊功能等進(jìn)行合理設(shè)定,完成了室內(nèi)無軌巡檢機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)。 仿真結(jié)果表明:采用所提系統(tǒng)進(jìn)行巡檢時(shí)可有效規(guī)避障礙物,且導(dǎo)航的誤差較低,具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

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