（机械电子工程专业论文）基于嵌入式的室内机器人视觉导航与定位研究.pdfVIP

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 机器人能够代替人类在高危险、有毒有害、无氧等极其恶劣的环境下连续、稳定、 高效地工作。机器人导航与定位是保证机器人能够完成任务的基础，使得机器人能够准 确地找到目标。机器人视觉具有测量范围广、信息量大等优点，能便捷、有效地获取环 境信息，它是机器人领域研究的重要方向。嵌入式系统的软硬件都是针对具体应用经过 裁剪专门设计的，它具有低功耗、体积小、互联性强和集成度高等优点，正符合机器人 对体积、重量、功耗、移动性以及稳定性的严格要求。使用嵌入式系统构建的机器人将 是未来机器人的发展趋势。 由于机器人视觉技术难度高，目前对使用嵌入式系统的机器人视觉研究还比较少。 本文从嵌入式系统和机器人视觉两方面技术入手，实现了室内机器人视觉导航与定位。 论文针对室内视觉机器人进行了嵌入式硬件系统设计，包括从总体上对嵌入式c p u 进行资源分配，根据功能、性能和成本对外围硬件的进行选型，参考相关手册进行电路 设计，硬件设计包括最小硬件系统、摄像头、无线网卡、触摸屏等。 接着针对室内视觉机器人进行了嵌入式软件系统设计，移植b o o t l o a d e r 、l i n u x 内核 及根文件系统，再在其基础上开发摄像头及电机驱动的设备程序，移植o p e n c v 图像处 理库，移植无线网卡驱动和各项机器人中需要用到的服务，如s s h d 。 在设计开发的嵌入式机器人上面进行了摄像头标定研究，机器人视觉图像特征提取 算法分析，并对机器人视觉白线路径跟踪问题进行了深入研究，设计路径提取算法。随 后对室内环境进行特征研究分析，结合统计学方法提出了改进的h o u g h 白线提取算法。 最后针对嵌入式系统处理能力较弱对改进的h o u g h 提取算法进行优化，根据图像中自线 在高度方向的单调性，结合化整为零的思想在单方向上使用改进的h o u g h 算法，降低了 图像处理的维度，在保证正确提取白线的同时使算法对曲线的适用性更强。在提取白线 位置后，对嵌入式机器人视觉系统进行了标定，得到机器人在世界坐标系下的位置和姿 态。 论文最后介绍了嵌入式视觉机器人实物构建过程中使用的软硬件环境及一些开发 方法。同时开发了相关机器人视觉远程调试运行平台，并对机器人视觉导航与定位实时 性进行了测试，验证了算法的可行性。 论文研究成果可以应用到规划环境内的机器人智能导航定位，将逐步进入办公室、 家庭、娱乐场所、博物馆、旅游景点等各种场所，进入人们的视野。 关键词：嵌入式系统；机器人视觉；导航；定位；图像处理；摄像头 a b s t r a c t r o b o tt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di nh i g hr i s ke n v i r o n m e n ts u c ha sp o i s o n o u so ra n o x l c r o o m st or e p l a c eh u m a nb e i n gt of i n i s ht a s k sc o n t i n u o u s l y ，s t a b l ya n de f f i c i e n t l y n a v i g a t i o n a n dp o s i t i o n i n gb a s e do ns e n s o rt e c h n o l o g ya l et w om a j o rc h a l l e n g e sf o rr o b o tt of m d c e r t a l n t a r g e ta c c u r a t e l ya n de n s u r ec o m p l e t i o no f t a s k a st oa l lk i n d so fr o b o ts e n s o r y ，as i g n i f i c a n t r e s e a r c ha r e a r o b o tv i s i o no w n si n c o m p a r a b l ea d v a n t a g e so fl a r g er a n g em e a s u r e m e ma n d v a s tq 咖t i t i e so fi n f o r m a t i o nt or e c o g n i z et h ee n v i r o n m e n tw h i c he q u a li m p o r t a n t t h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fe m b e d d e ds y s t e m s i n t e r c o n n e c t i o na n dh i g h l yi n t e g r a t i o na n du s u a l l y a l el o wc o s t , s m a l li ns i z e ，c o n v e n i e n t d e s i g n e df o rs p e c i f i ca p p l i c a t i o n s b a s e do n t h e s er e a s o n s i ti sa na p p r o p r i a t ec h o i c ef o rr o b o t s c o n t r 0 1 r o b o ts y s t e mw i t he m b e d d e d t e c h n o l o g yi sb e c o m i n gt h em a i n s t r e a mr o b o t r e s e a r c hf i e l d w h i l et h e r ei s l i t t l ep a p e r c o n c e m i n gd b o u tm i sr e s e a r c hb e c a u s eo f t h ed i f f i c u l t i e si nr o b o tv i s i o n t h i sp a p e rs t u d i e so n 访d o o rr o b o tv i s i o nn a v i g a t i o na n dp o s i t i o n i n ga n di so r g a n i z e dw i t ht w o t e c h n i c a la s p e c t s ： e m b e d d e ds y s t e ma n dr o b o tv i s i o n f i r s t l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no fe m b e d d e ds y s t e mf o ri n d o o rr o b o tc o n t a l m n g 仃a 1 1 s p l 觚t i i l gb o o t l o a d e r ，l i n u xk e r n e la n dr o o tf i l e s y s t e m b a s eo nt h ee m b e d d e d1 1 a r d w a r e s y s t e m c a m e r a sa n dm o t o rd r i v ee q u i p m e n tp r o g r a ma r ed e v e l o p e d a l s o ，o p e l l c vi m a g e p r o c e s s i n gl i b r a r y w i f ia n do t h e rs e r v i c e s ( e g s s h d ) n e c e s s a r yf o r r o b o ts y s t e m 戤 t r a n s p l a n t e do n i t s e c o n d l y ，b a s e do nt h ee m b e d d e dr o b o ts y s t e m , t h ep a p e r c o n d u c t sc a m e r ac a l i b r a t i o n d e s i 阢r o b o tv i s i o ni m a g ef e a t u r ee x t r a c t i o na l g o r i t h md e s i g na n dd e t a i l e da n a l y s i so f r o b o t v i s i o nw h i t el i n ep a t ht r a c k i n gp r o b l e m a f t e rt h ea n a l y s i so fi n d o o re n v i r o n m e n t a lf e a t u r e s ， i m p r o v e dh o u g hw h i t el i n ee x t r a c t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e db a s e d o ns t a t i s t i c a lm e t h o d s e x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ep r o p o s e dh o u g h w h i t el i n ee x t r a c t i o na l g o r i t h mp r o c e s s i n ga b i l i t y i sw e a l ( w ef i n a l l yo p t i m i z et h ea l g o r i t h mt or e d u c ei m a g ep r o c e s s i n gd i m e n s i o na n dr e a l i z e s t r o n gf e a s i b i l i t yo nc o n d i t i o no fc o r r e c tw h i t es t r i n ge x t r a c t i o n w i t ht h ew h i t el i n ep o s i t i o n i r 怕n n a t i o n t l l er o b o tv i s i o ns y s t e mi sc a l i b r a t e da n d r o b o tp o s i t i o na n dp o s t u r ei nt h ew o r l d c o o r d i n a t es y s t e ma r eo b t a i n e d f i i l a l l v ，t h es y s t e ms e t u pa n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tm e t h o da r ed e s c r i b e d m e a n w h i l e ， r o b o tr e m o t eo p e r a t i o np l a t f o r mi sd e v e l o p e d w ec o n d u c tn a v i g a t i o n a n dp o s i t i o n i n g e x p e r i m e n tt oa n a l y z et h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h er e s u l t s i n d i c a t et h ev a l i d a t i o no ft h e p r o p o s e da l g o r i t h m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 r e s e a r c ho ni n d o o rr o b o tv i s u a ln a v i g a t i o na n dp o s i t i o n i n gb a s e do fe m b e d d e ds y s t e m c a nb eu s e di no f f i c e ，h o m e ，e n t e r t a i n m e n tp l a c e ，m u s e u ma n de t c k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；r o b o tv i s i o n ；n a v i g a t i o n ；p o s i t i o n i n g ；i m a g ep r o c e s s i n g ； c a m e r a 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 机器视觉【l - 5 】是一套使用摄像机等传感器来采集现实物体的图像，并将图像转换为控 制机器人运动信息的装置。机器视觉技术可以应用到许多领域睁1 1 j ，如视觉测量、检测、 识别及机器人实时视觉导航与定位等。在机器人技术上使用视觉导航与定位【1 2 1 8 】技术能 够使机器人对环境的适应能力大大提高，而视觉传感器有着其他的传感器不能比拟的优 势，获取的信息量非常大，视觉导航与定位是机器人领域最重要的研究方向之一。 能够与外界环境、物体和人协调工作，共同完成任务是智能机器人【1 9 圳】相对其他机 器人的智能特征。而视觉、触觉、力觉等类人的感觉对实现这些智能特性具有重大意义， 特别是视觉，正如人类的眼睛一样，机器人的视觉具有最重要的感知能力，可以通过机 器视觉实现机器人的导航与定位。 机器人视觉往往通过摄像机装置将目标物体采集成为图像信息，图像信息通过图像 处理器处理后，得到彩色像素、亮度、灰度值等信息，然后采样转换为数字图像信息， 最后对数字图像进行处理【2 2 】，提取目标特征或对目标进行模板匹配等，经过图像处理后， 对机器人视觉系统进行标定，获得机器人与世界坐标系的关系，根据得到的结果来控制 现场设备或机器人的动作。而对图像信息处理的好坏与快慢直接影响到机器人识别目标、 跟踪目标、避免障碍物及机器行驶的速度和方向等。因此对视觉图像信息的实时处理是 机器人视觉研究中最关键的技术。 随着科技快速的发展，图形图像在计算机技术中应用的越来越多，直观的桌面系统、 华丽的手机界面、动感逼真的个人写真以及形象的三维软件系统等等，无处不使用着图 形图像技术。而机器人中对视觉处理的要求比较高，往往使用通用计算机进行处理，但 是传统的通用计算机有着结构较复杂、体积大、功耗高等多个缺点。因此在机器人视觉 系统中，对图像处理系统的微型化、嵌入化是它发展的必然趋势 2 3 - 2 6 。随着嵌入式技术 的发展，嵌入式系统处理图像的能力越来越强，使用嵌入式系统实现机器人视觉系统便 逐渐被研究人员关注起来 2 7 - 3 0 1 。 机器人视觉导航与定位涉及到机器人、计算机、计算机视觉各个方面，是一个高难 度的多学科综合问题。视觉导航与定位包括摄像机的标定、视觉系统的标定、图像处理、 控制算法等任务【3 1 1 。需要根据不同方案和不同环境进行建模，机器人视觉定位包括局部 定位和全局定位，而对图像的处理包括特征提取和目标匹配等。 1 1 研究背景和意义 机器人视觉导航与定位属于视觉控制研究的范畴，是一个综合机器视觉和移动机器 人研究的领域，视觉系统性能的好坏很大程度上影响了机器人感知和响应外界环境的能 力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 由于人容易疲劳，不同状态下人的效率和稳定性都受到影响，并且人的身体不能长 期在有毒有害的环境下工作，相比于人的这些特点，机器视觉可以连续不停的工作，而 且时刻保持着稳定高效的状态，并且能够适用各种特殊环境。机器视觉系统具有连续、 高效、灵活、非接触等优点，它能够通过视觉获取大量的信息，并对信息进行自动处理， 能够把处理的信息用于控制设备及机器人，能够提高生产效率和自动化程度。 机器视觉技术是- i q 集机器人、计算机、计算机视觉等多学科技术于一身的高难度 技术，所以当前该技术还不是特别发达，但它在工业、太空、海洋等领域有着很好的运 用前景。机器视觉将出现在人类的各个方面，如视觉输入、视觉键盘、视觉轮椅等等。 随着时代的进步，未来图像处理硬件设备，图像软件算法都将继续快速发展，并在多个 关键技术问题上得到突破。机器人视觉导航与定位作为机器视觉研究的一个重要领域， 它将会与其他视觉技术互相推进整个机器视觉的快速发展。 随着嵌入式软硬件3 2 。3 1 技术的飞速发展，使用嵌入式系统实现机器人视觉导航与定 位比使用通用计算机有许多优点，而这些优点在机器人上面具有更重要的意义。 而特别是最近几年，嵌入式处理器的速度越来越快，主频超过1 g h z 比比皆是，并 出现了由单核向多核发展的趋势，在各手机展上，大量4 核手机出现。同时嵌入式系统 开发技术越来越成熟，越来越完善，而专为嵌入式硬件而开发的嵌入式实时操作系统给 嵌入式软件系统开发者带来了很大的方便，特别是在多任务、多中断、实时性、代码固 化等环境中显示出优势。因此，嵌入式图像处理系统的处理能力也越来越强大，可以实 现对图像的实时处理，对机器人的实时控制等。相比于传统的计算机，嵌入式图像处理 系统以嵌入式处理器为核心，处理器、存储器、标准接口等都能使其体积更小，成本更 低，而稳定性和适应性得到提升，以及其他很多优点都能在嵌入式机器人视觉系统中得 到充分体现。嵌入式系统将在机器人视觉导航与定位等技术中大展身手。 使用嵌入式系统构建视觉机器人比通用计算机有如下优点： ( 1 ) 嵌入式系统可以嵌入的机器人本体中，体积可以小至一个巴掌那么大，那么就 可以容易安装到机器人的任何地方，与机器人本体融合一体，而设计机器人是基本上不 需要考虑嵌入式位置及安放。 ( 2 ) 嵌入式系统使用的嵌入式处理器、内存、f l a s h 等相比于通用计算机的要便宜， 需要的外围设备也比通用计算机少，一般处理器中都集成各种接口，且不需要为安装设 计过多的支撑件。因此，使用嵌入式系统的成本较低。 ( 3 ) 嵌入式系统集成度高，不需要使用风扇进行散热，可以全封闭不让灰尘进入， 同时使用f l a s h 等设备，相比通用电脑的多个模块，需要使用风扇散热，使用硬盘等 特点，嵌入式系统发生故障概率低，抗振动能力强，因此嵌入式系统的稳定性很高。 ( 4 ) 嵌入式系统功耗一般只有几瓦，而台式机一般都几十上百瓦，所以对于使用电 池的机器人来说，保证了更长时间的运行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 5 ) 嵌入式系统的软硬件都经过裁剪，软件固化在硬件系统中，不容易受病毒影响 而受到破坏，不会丢失。 ( 6 ) 嵌入式系统中，处理器往往都有针对于图像采集的而设计的接口，因此用于采 集处理图像变得很方便，而不需要外接一堆板卡。 如今高速发展的时代，随着研究的深入，相信嵌入式室内视觉机器人将会慢慢步入 人们的家庭中、消费、服务等场所，为大家服务。而机器人的导航与定位为机器人最基 本的能力，研究机器人视觉导航与定位有助于推动整个机器人技术的发展1 3 4 1 。 1 2 国内外研究现状 在早期时候，机器人只能通过人的操作而运动，大多是通过手动控制或使用遥控器 控制，这是第一代机器人，称为操纵型机器人；计算机的出现，让机器人安装上了计算 机，人们输入程序到机器人，机器人可以反复运行程序进行工作，这是第二代机器人， 称为自动型机器人；渐渐的人们给机器人安装了各种传感器、伺服机构、高性能的计算 机，使用高级算法进行控制，因此机器人在功能和技术上都有很大的提高，特别是机器 人具有视觉、触觉和力觉能力，这是第三代，称为智能型机器人。 能够在没外界力量干预下，能够在不同环境下完成规定的任务是智能机器人的重要 特性。它们能够对自己的行为进行规划、组织，能够适用在复杂的工作环境中工作。而 机器人导航与定位技术是机器人相关技术研究中的核心，是实现自主移动的关键【3 5 】。 对室内机器人而言，机器人的视觉系统好比人的眼睛，视觉传感器具有探测范围宽、 获取信息完整等特点，它获取环境中最重要的信息给机器人。然后机器人对该信息进行 处理，处理后结果用来控制机器人行为，这种控制可以是直接控制也可以是反馈控制。 而机器对信息处理的好坏与快慢直接影响到机器人识别目标、跟踪目标、避免障碍物及 机器行驶的速度和方向等。视觉信息的实时处理对视觉机器人来说尤为重要。 到现在为止，国外在室内机器人做了许多研究，并且开始开发一些机器人用于商业 用途，如智能吸尘器机器人、导游机器人等。在发达的国家，室内机器人已经用于医疗、 超市、家庭等领域。 在世博会上，展出了许多机器人，其中以a s i m 0 1 3 6 】仿人机器最受观众赞美，如图 1 1 所示。a s i m o 是日本本田公司的工程师花费了无数的时间和大量资金研究的成果， 是目前世界上最先进的仿人行走的机器人。作为一个身高1 3 米，体重5 4 公斤的仿人机 器人，它的行走速度可以达到6 k m h ，这在仿人机器人中算是很快的，因为由于技术问 题，仿人机器人完成一个动作往往需要停下来，以缓解关节的冲击和重心的突变。 在近几年，a s i m o 的进步很神速，在2 0 0 6 年，a s i m o 已经具备部分人工智能特性。 能够根据声音、手势等命令进行动作相应，具有基本的记忆能力和辨识能力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 a s i m o 身上安装了大量的传感器，包括3 6 0 度的全方位传感器、水平传感器、特别 的视觉传感器、力觉传感器及大量传统机器人传感器。它能够通过阅读人类身上的卡片 判别是熟人还是陌生人，能够与人以相同的节奏步行前进，使用适当的力度与人握手， 能够给人斟茶倒水，能够通过移动、旋转的障碍物【3 7 j 。而这些都很大程度上依赖于它对 视觉的处理。a s i m o 通过摄像机连续拍摄图片，经过处理，与其数据库中的内容进行比 较，识别出轮廓等特征。最后根据识别的结果来完成任务。 b i g d o gp t a t f o r m j ：、d y n a m i c s 瓣 j o s p r i n g s e r t s or 图1 1 机器人a s i m o 下楼梯 图1 2b i g d o g 机器人结构图 如图1 2 所示，b i g d o g 3 8 j 是波士顿动力公司研发的仿生四足机器人，它仿照狗的结 构研制而成。它不但能以快达1 0 k m h 的速度行走，能背负1 2 0 磅的重物，使用了内燃 机和液压系统使其具有良好的机动能力。而且它依然能在非常复杂的、非结构化的环境 中保持自如的行进状态，它能多步态行走、奔跑、跳跃、爬坡，能适应石子、泥沼、冰 面、海滩等地形。 在b i g d o g 中，使用了立体视觉来为其导航，检测机器人的位置和姿态，同时对路 面进行识别。能够实现对障碍物进行距离测量，通过视觉测程来对机器人局部定位以及 使用采集的环境图像建立环境地图 3 9 】。 在国内，很多高校和企业的研究所也研制了一些视觉机器人。 中科院自动化研究所复杂系统与智能科学重点实验室研制出自主移动机器人，能够 通过视觉系统定位和导航。通过对天花板进行拍摄，对直线、角点采用特征提取，对烟 雾报警器、日光灯等进行匹配，最后结合里程计推算进行定位；通过对色标块、数字、 彩色编码块及多边形标记等人工目标进行识别，求解出机器人在世界坐标系中的位置， 实现定位及灯塔导航。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 清华大学研发的t h m r 4 0 i 系列机器人使用了机器视觉系统及雷达系统来实现汽车 的自动驾驶，它利用视觉信息对道路进行检测，识别斑马线、车道、行驶的车辆等。从 而实现对道路分辨、障碍物判断、自动驾驶等功能。 1 - 3 机器人视觉技术 在工业机器人中，如焊接、喷涂、装配、搬运等机器人。视觉主要用来测量机器人 末端和目标之间的位置和姿态，并控制机器人末端的位置和姿态。相比采用示教或离线 编程方式的传统工业机器人具有明显的优势。 在移动机器人中，视觉主要用来测量环境中的目标位置和姿态，并控制机器人在世 界坐标系下的位置和姿态，主要应用有机器人视觉定位、目标跟踪、视觉壁障等。 机器人视觉相比于其他类型的传感器来说，由于镜头成像原理、图像感光阵列数量 多、每个像素点包含丰富的色彩，因此，它能够测量很广的范围，获取大量的信息等。 能便捷、有效地给出环境信息。 机器人视觉是目前机器人领域重要的研究方向和热点。机器人视觉与计算机视觉、 图像处理等学有着分不开的联系，但它们之间侧重点有所不同。机器人视觉主要从下面 这些方向进行研究。 摄像机标定：摄像机模型分为内参数模型和外参数模型。内参数主要根据小孔成像 原理，计算摄像机成像面和摄像头坐标系下物体的关系，以及镜头畸变系数等，内参模 型有3 参数、4 参数、5 参数内参模型；外参数根据摄像机在视觉坐标系中的关系，求解 出摄像机坐标系与世界坐标系之间的关系。 视觉系统标定：由于不同视觉系统中，根据不同要求和要实现的功能不同，视觉系 统的方案有所不同，那么摄像机坐标和机器人坐标系之间就有所不同，而求取机器人和 摄像机问关系为视觉系统标定。 手眼系统：视觉机器人系统都具有摄像机，以及用于操作的机械手。根据摄像机和 机械手间的安装关系，可分为e y e i n h a n d 式和e y e t o h a n d 式手眼系统。 视觉测量：根据摄像机获得的视觉信息对目标的位置和姿态进行的测量称为视觉测 量。 视觉控制：通过机器视觉测量得到目标的位姿信息，用该信息来直接和反馈控制机 器人的位置和姿态，称为视觉控制。 视觉伺服：利用机器视觉获取的信息对机器人进行伺服控制。它是视觉控制的一种， 视觉信息在视觉伺服控制中用于反馈信号。在关节空间的视觉伺服中，直接对各个关节 的力矩进行控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 平面视觉：只对目标在平面内的信息进行测量的视觉系统。平面视觉可以测量目标 的二维位置信息以及目标的一维姿态。平面视觉一般采用一台摄像机，摄像机的标定比 较简单。 立体视觉：对目标在三维笛卡尔空间内的信息进行测量的视觉系统。立体视觉可以 测量目标的三维位置信息和三维姿态。立体视觉一般采用两台摄像机，需要对摄像机的 内外参数进行标定。 结构光视觉：利用特定光源照射目标，形成人工特征，由摄像机采集这些特征进行 测量，这样的视觉系统称为结构光视觉系统。由于光源的特性可以预先获得，光源在目 标上形成的特征具有特定结构，所以这种光源被称为结构光。结构光视觉可以简化图像 处理中的特征提取，大幅度提高图像处理速度，具有良好的实时性。它属于立体视觉。 主动视觉：对目标主动照明或者主动改变摄像机参数的视觉系统。 被动视觉：被动视觉采用自然测量。 使用机器人视觉的机器人更能够适应环境，提高加工精度，增加可靠性，减少人工 干预。 1 4 机器人嵌入式系统 在机器人中，需要协调系统的整体资源，实现其他相关的高级处理算法，控制机器 人的行为。最早的年代是用机械的方法来达到这样的要求，随着时代的进步，电子在各 行各业占的比重越来越大。最近几十年计算机的出现，更使得机器人控制使用计算机， 使机器人能够处理一些高级复杂的算法，如机器视觉算法、运动规划、导航算法、定位 算法和信息融合等。然而计算机最早并不是为机器人而设计的，但计算机可以做一些类 人类思考的行为或运算，因而机器人中只好使用通用计算机。 由于机器人往往需要连续不停的工作，在这期间计算机不能出问题，否则可能损坏 设备，甚至伤害到人。它需要比通用计算机有更高的稳定性。例如火星机器人，无法对 其进行重启等操作。 同时机器人的工作环境的特殊性，对体积、重量、耐温湿度、耐腐蚀、供电性、通 信等都有很高的要求。它需要通过减少计算机的体积和重量来使得自身小巧灵活；需要 更小的功耗，降低对电源的依赖，同时降低发热，而去掉会给系统带来灰尘的风扇；需 要将机器人的计算机完全封闭起来；需要更高的通信速度，更大的通信范围。 而嵌入式系统正是这样的个系统，相比于通用计算机它更能满足机器人的特定需 求。计算机正迈入“后p c 时代或“无处不在的计算机 阶段，它们在墙里、在手腕 上、在手机中、在电视中、在汽车中，它们无处不在，它们是看不见的计算机，它们就 是嵌入式系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 嵌入式技术是一门综合计算机技术、通信技术、传感器技术等多学科融合的技术 【4 1 埘】。它主要应用在消费产品中，通过i n t e m e t 与其他设备相连接。嵌入式系统具有软 硬件可以裁剪，软件固化到存储器中，低成本、适应环境强、低功耗等优点。 表1 1 嵌入式系统与通用计算机对比表 如表1 1 所示为嵌入式系统相比于通用计算机的区别。 嵌入式系统具有专用强、技术融合度高、软硬件一体、比通用计算机资源少、代码 固化在非易失性存储器中、需要专门开发工具和环境、体积小、价格低、工艺先进、等 特点。 嵌入式系统发展经历的四个阶段为：以单片机为核心的系统是第一阶段，主要应用 在工业和小家电领域；以嵌入式处理器为硬件核心，运行功能单一的操作系统是第二阶 段；第三阶段是以嵌入式处理器为硬件核心，运行嵌入式操作系统；以嵌入式操作系统 为基础，并与i n t e m e t 相连接的系统是第四阶段。 由于嵌入式系统的软件和硬件都是针对具体特定的应用专门设计的，软硬件都经过 裁剪，用它构建的机器人具有低功耗、体积小和集成度高等优点。嵌入式系统在未来机 器人领域必然会大展拳脚。 1 5 主要研究内容及论文安排 机器人视觉是使用摄像机代替视觉器官作为图像输入手段，由计算机代替大脑完成 系统资源的协调和算法的处理等。最终使机器人能够像人那样通过视觉观察世界，通过 视觉在世界中活动。因此，研究机器人视觉对提高机器人的自主作业能力、拓展机器人 的应用范围具有十分重要的意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 本论文研究的是室内机器人视觉导航与定位相关技术，结合嵌入式系统的种种特 点，使用嵌入式系统来实现室内机器人视觉导航与定位。研究的内容涉及到嵌入式机器 人硬件平台开发、嵌入式机器人软件平台开发、摄像机标定、视觉系统标定、图像处理、 机器人视觉的导航和定位方法。搭建了一个嵌入式室内视觉机器人的软硬件平台，并针 对室内机器人白线路径跟踪算法进行研究，根据特定图像的特征改进算法提取路径、优 化算法的处理速度达到机器人实时控制的目的。 全文内容安排如下： 第一章：绪论，介绍了室内机器人、机器人导航与定位、机器人视觉、机器人嵌入 式系统等技术和其特点，综述了研究背景和意义，调研国内外研究现状，对全文内容进 行概括与规划。 第二章：机器人视觉导航与定位综述，分析了室内移动机器人的总体结构，在一个 整体高度理解机器人系统；介绍分析了室内移动机器人的各种导航与定位技术方法，理 解机器人导航与定位是干什么；介绍分析了机器人视觉导航与定位中使用的技术方法。 第三章：嵌入式室内机器人硬件系统设计，从硬件方案进行详细的设计，从整体到 各个功能进行细致规划，对室内机器人系统的硬件进行特定裁剪，设计了完整的嵌入式 机器人硬件系统。 第四章：嵌入式室内机器人软件系统设计，从软件方案进行详细的设计，从 b o o t l o a d e r 、l i n u x 内核、根文件系统、驱动及库的制作到各种服务的开启。对室内机器 人系统的软件进行选择移植，设计了完整的嵌入式机器人软件系统。 第五章：机器人视觉导航与定位技术研究，研究了摄像头标定、机器人图像特征提 取等问题；分析了针对室内机器人白线路径跟踪的算法，并在该基础上进行特征分析， 提出改进h o u g h 法提取白线，优化算法速度以适应嵌入式机器人实时控制和更好适应曲 线路径；最后求解了该特定模型下的视觉系统的标定，完成了特定的坐标关系变换，实 现机器人的导航和定位。 第六章：嵌入式视觉机器人模型及开发调试运行，介绍了搭建的嵌入式视觉机器人 模型，开发调试过程中的一些软硬件资源和使用的一些方法，对嵌入式室内视觉机器人 的实时性进行了测试。 最后，对整个论文的研究工作进行了总结，并展望进一步的研究工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章机器人视觉导航定位技术综述 2 1 室内移动机器人总体结构 室内移动机器人是集机械、电子、软件、硬件和算法等于一体的综合体。对于一个 设定任务，常需要借助于多因素的协调才能实现。由于资源的限制，在一个机器人上面 实现所有的功能是不可能的。结合特定的功能或场合，机器人的实现是特定的。这使得 机器人在结构、方法、形态等各个方面，都有多样化的特点。但大部分机器人的工作原 理、总体功能结构等还是相同的。研究这些通用性的东西，对机器人的开发具有重要的 意义。 图2 1 室内移动机器人总体机构 如图2 1 所示，一个功能完整的机器人总体结构上一般包括下面几个模块：上位机 系统、感知系统、控制系统、人机交互系统、电源系统及执行机构。对于不同的工作环 境和任务要求，机器人不一定需要上述全部功能模块，特别是功能单一、智能程度低、 实用性差的机器人上。但是对于一个具有上面所有功能模块的机器人，可以提高机器人 的人机交互和环境适应能力，实现较强的自主性和智能性。 2 1 1 上位机系统 上位机系统在机器人中相当于人的大脑，能够协调系统的整体资源，实现各个模块 的高级处理算法，规划和决策机器人类人化的智能行为。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 上位机系统主要任务包括以下方面：管理监测各个模块的运行；管理保存机器人状 态和环境信息；接收交互系统的命令；接收传感器的信息，并进行信息融合处理；实现 复杂的算法，如视觉算法；实现定位算法，实现运动规划和导航；获取计算位置和姿态 信息，控制机构伺服运动等。 上位机系统实现方式有：基于微控制器的系统、基于普通计算机的系统、基于嵌入 式系统的系统。 基于微控制器的系统结构简单，功耗低。但处理能力低，资源有限，很难实现较复 杂的算法，不能处理视觉信息。 基于通用计算机的系统具有高性能处理能力，有丰富的资源，各种算法都可以编程 实现，可以实现智能性和自主性。但是功耗很大，系统集成度不高，体积和重量较大。 基于嵌入式系统的系统由于经过裁剪，功耗和体积都较小，集成度高，随着技术的 发展，处理能力和资源也越来越接近通用计算机，在移动机器人中将有大的用武之地。 缺点是开发需要较多的软硬件知识。 2 1 2 感知系统 感知系统在机器人中相当于人的感觉器官，主要有传感器组成，用于感知环境和状 态信息。移动机器人中使用的传感器主要为内部和外部传感器：用来检测机器人自身状 态信息的内部传感器包括位移、速度、加速度等传感器；用来检测机器人周围环境信息 的外部传感器包括环境感知、目标识别等传感器。 传感器的丰富程度和性能直接影响到机器人智能程度，在机器人系统中具有重要地 位。光电编码器、测速发电机、陀螺仪、电子罗盘、g p s 、碰撞开关、重力加速度、红 外、超声、激光、力觉、触觉、压觉、听觉、嗅觉、温度、湿度、视觉等传感器都常用 在移动机器人中。 2 1 3 控制系统 控制系统在机器人中相当于人的肌肉，是移动机器人的动力来源，它能将控制指令 转变为期望的机械运动，如实现位置、速度、加速度、力矩、力控制。机器人运动的精 度和任务是否能完成受控制系统影响。 控制系统硬件主要由微处理器、驱动器、电机和减速器等组成。使用相应软件算法 控制系统的动静态性能，达到期望要求。 移动机器人上常用的电动机有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机和无刷直流 电机。有些特殊的机器采用气压和液压的控制系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 1 4 人机交互系统 在移动机器人中，人机交互系统为用户和机器人提供信息交流的平台，是机器人与 人和谐相处的保障。人机交互系统主要功能有两点：将机器人的状态、执行命令情况等 信息准确、及时的传给人；将人的意图、命令准确、完整、快速、高效的告知机器人。 2 1 5 电源及执行机构 移动机器人的执行机构在机器人中相当于人的躯干和四肢，是机器人的机械基础， 能够在机器人控制系统作用下完成运动功能。执行机构包括用于支撑机器人机械平台和 实现机器人运动的移动机构。 在设计执行机构时应遵循三个原则：降低转动惯量；增加稳定和鲁棒性；加强抗碰 撞能力。 移动驱动机构常采用轮子、履带和腿式结构实现。 电源是机器人能量的来源，保证其他各个系统正常工作。移动机器人的运动特点决 定了它不可采用线缆方式供电，需要使用电池供电。选择电池时考虑以下因素：电池容 量、可充电性、尺寸和重量要求。 电池种类有：碳锌、碱性、镍镉、镍氢、锂离子、铅酸、聚合物电池等。 2 2 室内移动机器人的导航与定位 告诉室内移动机器人怎么从起点到目标叫做导航，而获取机器人每时每刻在什么位 置，什么姿态叫做定位。导航确定的是机器人运动方向，定位确定的是机器人在其坐标 系中的位置和姿态。下面介绍一些常用的导航与定位方法。 2 2 1 基于里程计的定位 里程计是移动机器人中最常用的一种位置传感器，一般是通过编码器来获得机器人 的里程和速度信息，不同机器人移动机构，轮子的安装方式不同，根据不同轮子上安装 的编码器，得到机器人的里程和速度，计算出位置和方向。 2 2 2 基于惯性传感器的定位 机器人中常用的惯性传感器包括陀螺仪和加速度传感器。陀螺仪可以用于计算移动 机器人的姿态，能够测量出机器人绕x 、y 、z 轴的角速度；加速度传感器可以用于计算 机器人的位置，能够测量出机器人沿x 、y 、z 方向的线加速度。在使用惯性传感器测量， 推算定位，计算机器人位置与方向时，常常会产生累积误差。 2 2 3 视觉导航与定位 当前，视觉定位广泛应用于移动机器人，而摄像机常是最常用的视觉传感器。视觉 导航在移动机器人中占有重要的地位，常用的有路标导航、目标跟踪导航、路径跟踪导 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 竺型舅笪曼皇蔓曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼詈曼曼曼曼曼曼曼鼍量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼! 曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍 航、基于平行线的视觉导航、视觉罗盘等。下节中将会对室内移动机器人的导航与定位 办法进行详细介绍。 2 2 4 超声定位 超声波定位是使用超声波传感器来测量机器人离物体( 如墙壁、超声波发生器等) 之间的距离，包括反射式测量及发射接收式测量。超声波传感器电路实现简单、成本较 低，抗干扰能力强，可以用于机器人定位，是当前机器人传感器系统中最基本的传感器。 机器人通过超声波测量到距离后，就能根据几个不同的距离及方位计算出机器人的 位置和方向，从而实现导航和定位。 2 2 5 地图匹配定位 地图匹配实现机器人定位关键需要构建地图和进行匹配算法的设计。在进行地图匹 配定位之前，首先需要对机器人工作的环境建立全局地图。进行地图匹配定位时，利用 机器人上的传感器建立局部环境地图，通过局部地图与全局地图的比较，确定移动机器 人在环境中的全局位置和方位。 2 2 6 基于多种传感信息的定位 采用单一传感器进行定位功能不足，精度不高，移动机器人中常采用多种传感器， 集成多种信息，使用校正、混合、融合等方法进行定位，更好的完成定位，精度也可以 得到提高。 校正方法是指采用一种传感器的结果对另外一种传感器的结果进行修正。 混合方法是指采用一种传感器计算某些参数数据，同时采用另一种传感器计算另外 某些参数数据，或是讲一种传感器测量结果引入另一种传感器计算中，对传感器信息进 行集成。 常用加权和法、扩展卡尔曼滤波法、基于优化的方法、基于神经网络的方法和基于 概率的方法等对不同传感器的信息进行信息融合，从而改善精度。 2 2 7 路标与灯塔导航 路标是机器人能够通过传感器采集处理得到其位置信息的物体，他一般与环境具有 比较大的差异，容易被传感器检测到，而它在世界坐标系中的坐标是已知的。当机器人 获取路标位置后，可以计算出机器人在世界坐标系中的位置和姿态，从而实现机器人的 导航与定位。 机器人灯塔导航与定位是根据航海中使用灯塔进行导航原理设计，在环境中设立多 个已知的、能被机器人检测到方位的参考物体( 灯塔) ，然后使用传感器采集各个灯塔 与机器人之间的方位信息，经过计算求出机器人在世界坐标系下的坐标，实现导航与定 位。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 2 8 惯性与罗盘导航 惯性导航是一种不依赖任何外部信息的自主导航，通过惯性传感器测量移动机器人 在惯性坐标系的角速度和线加速度，对时间进行积分，再变换到世界坐标系中，得到机 器人的速度、偏航角和位置信息等。 罗盘导航是使用磁罗盘测量移动机器人的绝对方向，缺点是当移动机器人靠近铁磁 物体是测量误差很大。 2 2 9 同时定位与地图构建 同时定位与地图构建是指移动机器人在未知环境中依靠传感器采集的信息进行环 境建模，根据所建立的环境地图估计自身的位置姿态，从而进行定位与导航。如迷宫机 器人就是根据采集的信息，建立迷宫地图，从而走出迷宫。 2 3 室内移动机器人视觉导航与定位 室内机器人需要对非结构化环境下的变化及时感知。机器人视觉相比于其他类型的 传感器来说，由于镜头成像原理、图像感光阵列数量多、每个像素点包含丰富的色彩， 因此，它能够测量很广的范围，获取大量的信息等。能便捷、有效地给出环境信息。视 觉在室内移动机器人导航和定位中占有重要的地位。机器人视觉能够实现局部和全局的 导航与定位。近年来视觉传感器已经成为机器人的一项必要配置，机器人视觉导航与定 位成为机器人不可或缺的一项重要功能。适应于室内移动机器人视觉导航与定位的方法 很多，下面介绍一些基础的视觉导航与定位方法 4 5 - 5 q 。 2 3 1 路标导航与定位 ( 1 ) 人工路标导航与定位 人工路标是人为设定的标记物，其标记点在世界坐标系的坐标是己知的。因此，利 用摄像机采集环境图像并识别出标记物后，可以根据标记点的图像坐标和摄像机的内参 数和外参数，计算出摄像机坐标系在世界坐标系的位置和姿态。然后，根据摄像机坐标 系与机器人的关系，容易得到机器人在世界坐标的位置和姿态，完成定位。如果知道目 标在世界坐标系中的位置，那么可以根据计算出的机器人的位置和姿态以及机器人周围 的环境信息，确定机器人的运动方向，实现对机器人的导航。 为了提高