用于移动机器人自定位的视觉路标设计.doc

机器人技术文章编号：10080570(2009)02 2 0205 03用于移动机器人自定位的视觉路标设计Desig门 ofa visuallandm ark used form obile robotself-localization(1中国科学院沈阳自动化研 所；2沈阳新松机器人自动化股份有限公司)侯杰贤 徐 方 张令涛HOU Jie-xian XU Fang ZHANG Ling-tao摘要：为了实现室内移动机器人的自定位 提出了一种简易美观的新型视觉人工路标以及基于对数极坐标系投影直方图的路标识别方法并用基于共面四点的位姿估计算法计算机器人位姿 实验结果说明，路标检测具有很高的鲁棒性：路标识别方法抗噪声和形变的能力强：位姿精度足够满足室内移动机器人自定位的需要关键词：移动机器人；视觉定位：人工路标：目标识别中图分类号：TP24 文献标识码：AAbstract：In order to realize selfloealization of the indoor mobile robota new simple and unobtrusive visua1 arti?cial landmark ispresented，and the recognition method ofthe landmark based on projective histogram ofthe logpolar image is presented and theposition and orientation of the robot is calculated by four coplanar points oI the landmarkThe experiment results prove that【leteeting the articiallandmark provides very bigh robustness ，and recognition of the landmark is robustto noise and distortion and the Dreci sion of the position and orientation of the robot，can meet the demand of the jmloor mobile r()bot selflOCalization verv Wel1Key WOrds：Autonomousmobilerobots；visuallocalization；artifciallandmark；objectrecognition1引言为了实现在室内环境中的自主导航，移动机器人必须具有全局自定位的功能。室内移动机器人的位姿(位置与方向角)通常用( ，Y，0)表示。文献中比较详细地研究了移动机器人的导航与定位技术，由于视觉传感器价格低廉并能获取丰富的环境信息，许多成功的机器人定位系统都采用视觉路标来定位 路标可分为人J二路标与自然路标。自然路标是直接从环境中提取的已存在的特征以及物体，如门、墙角、直线、天花板灯等。自然路标识别难度大，难以实用。人丁路标是人为放置在环境中的标志物体，在复杂的环境中也很容易识别且具有较高的定位精度，因而取得广泛的应用。近年来国内外学者相继提出了一些人工路标模式，本文设计了一种新型的人工路标，提 一种鲁棒的基于对数极坐标系投影直方图的路标识别方法，并根据单摄像机采集的单人=r路标图像中四个角点来估计移动机器人的位姿。2人工路标设计与识别基于单人工路标的室内移动机器人全局自定位算法主要由以下三步组成：l、人工路标感兴趣区域检测。2、不同人T路标的识别。3、根据路标的四个角点计算机器人位姿。21人工路标模式人工路标的设计，主要有 个要求：可靠性、实时性和美观性。在实验研究中，美观性往往被忽略。然而，路标的美观性对于商业化机器人产品来说，是极其重要的。本文设计的人T路标主要应用于家庭服务机器人产品，必须充分考虑美观性要求。该路标为平面人T路标，类似于墙壁上挂的装饰厕，具有较好的视觉效果【见图 l左上图)。路标由三部分组成：红色矩形侯杰贤：硕士基金项目：国家 863计划重点项 目：机器人模块化体系结构设计(2007AA041700)方框、内部背景(图中为黑色 )以及待识别目标图案(冈中为白色天鹅 )。在实际应用中，在能准确分割 待识别目标的前提下，路标可以设计得更美观。22路标感兴趣区域提取首先采用基于阈值的分割算法进行彩色图像分割。彩色图像空间有多种，如 RGB、HSV以及 GIE空间等，我们选择归一化 r曲 颜色空间来分割路标的红色矩形方框。在 rgb空间中，R(R+G+BJ、g=G(R+G+B1、b=B(R+G+B)，其中 R、G、B属于RGB颜色空问中。rgb空间对于光照强弱的变化不敏感且计算简单。我们选择 rO4、g03、b200em时，误差上升比206360元，年 邮局订阅号：82946较快。表 2位姿估计误差单位：cm 误差 最人绝平均最大相平均麟对误差 、绝对误差 对误差相对误差X80933738692l2792y4521133616l5008379353601613O 719040334结论本文提出一种简易美观的新型彩色人丁路标，并提出了一种鲁棒的路标识别算法，该算法具有很强的抗噪声和抗几何形变能力，取得很好的实验效果。根据平面路标上的四个角点估计的移动机器人位姿，具有较高的精度，使基于单目视觉的人工路标自定位系统具有很高的实用价值。下一步的研究工作将分析误差形成的主要原因并设法提高自定位的精度。本文作者创新点：设计了一种简易美观的新型人工路标；提出一种鲁棒的基于极坐标系投影直方图的图像识别算法；基于单摄像机单人工路标来估计移动机器人的位姿，降低了硬件成本和系统复杂性，具有很高的应用推广价值。项目经济效益至少在 1000万人民币。参考文献【l】郭戈，胡征峰，董江辉移动机器人导航与定何技术微计算机信息lJI，20031，19(8)【2YangGno，XinheXuColorLandmark Design forMobileRobot Localization【RJ1MACS Muhieonfereneeon”ComputationalEngi neering in SystemsApplications”(CESA)，BeijingChina，October46，2006【3AmyJBriggs，DanielScharsteinMobileRobotNavigation UsingSelf-similarLandmarks【R】Proceedingsofthe20O0 IEEE International Cotference on Robotics &AutomationSan FraciscoCAApril2000【4】张海燕，刘大昕，王东木目标识别的极指数栅格方法IJI哈尔滨工程大学学报，2004825(4)5王立，李言俊等对数极坐标变换识别算法在成像制导中的应用J】宇航学报，20055，26(3)【6YossiRubner，CarloTomasi，and LeonidasJGuibasThe earthmoversdistanceasa metric orfimageretrievalJInternationalJournalofComputerVision，2000，40(2)：991217Jvoxlde Weijer,ThGevers，ADBagdanovBoosting ColorSaliency in Image FeatureDetection IJIEEE Transactionson Pattern AnalysisantiMachineIntelligence，20056，13(4)【8MAAbidiand TChandraA New Eficientand DirectSolution orfPose Estimation UsingQuadrangularTargets：Algorithm andEvaluationJIEEETransactionson Patern AnalysisandMachineInteligence，19955，17(5)作者简介：侯杰贤(1981一)，男(汉族)，湖南新化人，硕士，主要从事图像处理与计算机视觉研究；徐方(1962一)，男(汉族 )，浙江杭州人，研究员，硕士导师，主要从事机器人控制研究；张令涛【1979一)，男(汉族 )，山东聊城人，博士，主要从事机器人导航与计算机视觉研究。Biography：HOU Jiexian， 1981一，male，the Han nationality 。机器人技术master，Xinhua Hunan，major in image processing and computervision ；(110016沈阳中国科学院沈阳自动化研究所)侯杰贤 徐 方张令涛(110068沈阳新松机器人自动化股份有限公司)侯杰贤徐 方 张令涛通讯地址：(110016辽宁省沈阳市东陵区南塔街 114号学 生公寓309宿舍)侯杰贤f收稿日期：200901031f修稿日期：200902o5)(上接第 291页)【4】KMSmedley，SCukOneeyclecontrolofswitchingcon-verters【CIIEEE Power Electronics Specialists Conference【S1：IEEE，1991：117311805cqiao，KMSmedleyThree phase grid-connected inverters in-teface orfalternative energy sources with unifed constantfequen-cyintegration control，c，IEEE IndustrialPowerConveerColmnittee2001【6Cqiao，TJin，and KMSmedleyOnecyclecontrolofthreephaseactive powerilterfwith vectoroperationIEEE Transactionson In-dustrial Electronics， Volume： 51， Issue：2，Page：455 463，Apirl2004作者简介：于小辉(1982一)，男，山东商河人。硕士研究生，主要研究方向：单周控制；并网逆变器；梁志珊(19581，男，吉林省吉林人。教授，博士，博士生导师，主要研究方向：非线性控制；哈密顿控制理论；励磁控制；先进无功发生器；双馈电机控制；电力电子。Biography：YU Xiaohut(1982一)，male，Shanghe Shandong，Research in one-cycle control，gridconnected inveer(102249北京中国石油大学自动化研究所 )于小辉 梁志珊(InstituteofAutomaticControl,ChinaUniversityofPetroleumBeijing)YU Xiao-huiLIANG Zhi-shan 通讯地址：(102249北京 中国石油大学 121#)于小辉(收稿日期：200901o3)(修稿日期：20090205)PLC技术应用例PLC 河 编程序控制器 )广泛地应用在冶金、机械 、机器人、石油化工、电力传动、纺织机械、注塑机、包装机械、印刷机械、造纸机械、机床、自来水厂、污水处理、煤矿机械、焊接机器、榨糖机械 、制烟机械、工程机械、水泥机械 、玻璃机械、食品机械、灌装机械、橡胶机械、船舶、铁路、窑炉、车辆、智能建筑、电梯控制、中央空调控制、大型医疗机械、起重卷扬机械 ，大坝 闸门，大型泵站。各行各业机械工程师，电气设备工程师，高级技工都需要俱备PLC 的知识，才能做好本职工作。本书 汇集 200 多个硬 PLC 和软 PLC 在 各行业的应用实例 ，PLC 故障诊断实例 ，PLC 抗干扰措施 ， PLC 使用经验 、PLC 技术发展 ，均在本书之中论述。本书适合大专院校机械类、电气类、电力类 、自动控制和 自动化类专业的本科、研究生做毕业设计参考，同时适合老师进行教学、搞科研项目参考。本书是上述各行业的工程技术人员，技术工人的必备参考书，同时也是T 厂和科研单位的技术领导，设备采购负责人的参考书。凡具备高中以上文化水平的人均可成 为读者。200 多个西门子、三菱 、美 国通用 电气、施耐德、欧姆龙 、罗克韦尔、松下电器、和泉 等 PLC 应用实例，任您选读。一技之长，改变人生 。大 16开 ，每册定价 110 元 (含 邮费 )。预购者请将书款及邮寄费通过邮局汇款至地址：北京海淀区皂君庙 14号 院鑫雅苑 6号 楼 601室微计算机信息邮编：100081电话：[phone](TF )htp：www autocontro1com cahttp：www autocontro1cnE-mail：editor autocontm1comcR： Email：control一2163com国嘲邮局订阅号：82-946 360 -q-_207