（检测技术与自动化装置专业论文）基于移动机器人平台的一种避障算法研究.pdf

北京邮电大学硕士学位论文2 0 1 0 独创性( 或创新性) 声明 i i i ii iii l rl lli iir l j 11i y 17 5 9 0 9 3 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中下 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其量 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 0 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 i申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名= 隧= ：l 日期：坦：! ：曼 一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，印： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权像 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和售 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其_ 它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 一；l 蛳to0u 北京邮电大学硕十学位论文2 0 1 0 基于移动机器人平台的一种避障算法研究 摘要 随着科学技术的快速发展，机器人已经越来越多的应用于人们的 日常生活中。如何使机器人在执行任务的过程中更加有效、准确的避 开障碍物是目前研究的重点与热点，本文使用两种传感器结合的方式 来研究移动机器人在未知环境中的避障。 本文分析了移动机器人避障算法的研究现状，重点研究了移动机 器人避障系统的设计、避障策略的分析及软件实现、硬件半台的搭建， 并通过仿真与实验对机器人避障进行丫验证。本文的主要研究内容包 括以卜几点： 首先，设计了基于红外测距传感器与c c d 相机相结合的移动机 器人避障系统，分析了多传感器的融合原理并设计了基于红外与图像 两种传感器的避障系统的信息融合方式。 其次，为了验证避障算法和两种传感器融合在移动机器人避障中 可靠性和实用性，设计并搭建了基于a r m 9 为核心的移动机器人驱 动控制甲台。 最后，研究了移动机器人的避障策略，提出了基于几何关系的单 目视觉测距算法，提出了移动机器人的避障流程，分析了避碰点的选 择和局部路径规划，使得移动机器人能更好的绕开障碍物顺利执行任 务，并通过软件仿真和实验进行了验证。 关键宇移动机器人信息融合避障策略a r m 9 北京邮电大学硕上学位论文2 0 1 0 ，0 i 北京邮电大学硕士学位论文2 0 1 0 t h eo b s t a c l ea v o i d a n c ea l g o r i t h m b a s e do nm o b i l er o bo t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , r o b o t sh a v e b e e nu s e dm o r ea n dm o r ei n p e o p l e sd a i l yl i f e t h ei m p o r t a n to ft h e r e s e a r c h i n g i sh o wt om a k et h em o b i l er o b o ti nt h e p r o c e s s o f i m p l e m e n t a t i o no f i t sm a n d a t em o r ee f f i c i e n ta n da c c u r a t et oa v o i d o b s t a c l e s ，t h i sp a p e ru s e st w ok i n d so fs e n s o r sa st h ew a yt or e s e a r c ht h e m o b i l er o b o ti nu n k n o w i n ge n v i r o n m e n ta v o i d i n go b s t a c l e s t h i st h e s i sa n a l y z e st h ep r e s e n ts i t u a t i o no fm o b i l er o b o to b s t a c l e a v o i d a n c e a l g o r i t h m ，w i t he m p h a s i so n t h em o b i l er o b o to b s t a c l e a v o i d a n c es y s t e md e s i g n ，o b s t a c l ea v o i d a n c es t r a t e g y , h a r d w a r ep l a t f o r m b u i l d i n ga n dv e r i f yt h r o u g hs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t t h em a i nc o n t e n t o ft h i st h e s i si n c l u d e st h ef o l l o w i n g ： f i r s to fa l l ，d e s i g nm o b i l er o b o ta v o i d a n c es y s t e mb a s eo ni n f r a r e d d i s t a n c es e n s o ra n dc c dc a m e r a a n a l y z em u l t i s e n s o ri n t e g r a t i o na n d d e s i g nt h ef u s i o nm e t h o do ft w ok i n d so fs e n s o r s e c o n d ，i no r d e rt ov e r i f yt h er e l i a b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t yi nt h e o b s t a c l ea v o i d a n c ea l g o r i t h m + a n dt w os e n s o r su s i n go ft h em o b i l er o b o t ， d e s i g n e da n db u i l tam o b i l er o b o tc o n t r o lp l a t f o r m d r i v e a t l a s t ， r e s e a r c h e dt h em o b i l er o b o t a v o i d a n c e s t r a t e g y , d e m o n s t r a t e dam o n o c u l a rv i s i o n m e a s u r i n gm e t h o d b a s e do nt h e g e o m e t r i c l o c a t i o na n dp r o p o s e dm o b i l er o b o ta v o i d a n c e p r o c e s s ， a n a l y z e dt h ec o l l i s i o ns i t es e l e c t i o na n dl o c a lp a t hp l a n n i n g ，s ot h a tt h e m o b i l er o b o tc a nb e t t e rb y p a s s i n go b s t a c l ea n df i n i s h i n gi t s t a s k ，a n d v e r i f i e di tt h o u g hs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t k e yw o r d sm o b i l er o b o t i n f o r m a t i o nm e r g ea v o i d a n c e s t r a t e g y a r m 9 1 北京邮电大学硕十学位论文2 0 1 0 一 空 一， 北京邮电大学硕十学位论文2 0 1 0 目录 第一章绪论 1 1 论文研究背景和意义 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外移动机器人研究现状 1 2 2 国内移动机器人研究现状 1 3 论文研究内容及结构 第二章移动机器人避障系统设计 2 1 避障系统测距原理 2 1 1 视觉慝l 像! ! 0 距坞i 王f l ! 历i j 旦! 5 2 1 1 1 单日视觉原理5 2 1 1 2 视觉系统位置检测6 2 1 2 红外测足旺原理7 2 1 3 视觉图像处理一9 2 1 3 1 图像预处理9 2 1 3 2 图像分割1 2 2 1 3 3 图像边缘检测1 3 2 2 移动机器人避障系统设计1 5 2 2 1 红外测距系统设计1 5 2 2 2 图像处理实例分析1 7 2 3 信息融合1 8 2 3 1 信息融合的关键问题1 9 2 3 1 1 数据转换1 9 2 3 1 2 信息融合的分类2 0 2 3 1 3 信息融合的常用方法2 1 2 3 2 信息融合舰则2 2 2 3 3 信息融合的应用2 3 2 4 本章小结2 4 第三章移动机器人硬件平台设计与搭建2 5 3 1 移动机器人平台硬件系统结构2 5 3 2 基于a t m e g a l 2 8 的电机控制电路2 5 3 2 1 控制电路整体结构图2 5 3 2 2 控制驱动板电源2 6 3 2 3 微控制器2 8 3 2 4 串行( r s 2 3 2 ) 接口j 3 0 3 2 5 舵机驱动与电机调速器3 1 3 3a r m 9 3 3 3 4 本章小结3 4 第四章避障策略及软件设计3 5 4 1 避障策略研究3 5 4 1 1 到达目标行为3 6 北京邮电人学硕，上学位论文2 0 1 0 4 1 2 躲避固定障碍物行为3 7 4 1 2 1 人工势场法3 7 4 1 2 2 改进的人工势场法3 9 4 1 3 沿墙壁运动行为4 0 4 2 控制软件设计：4 1 4 2 1 模数转换4 1 4 2 2 移动机器人电机控制4 5 4 2 3 控制程序设汁4 7 4 3 移动机器人避障算法研究4 8 4 3 1 避碰点的选择4 9 4 3 2 机器人路径规划5 1 4 4 本章小结5 1 第h 卷移动机器人避障仿真与实物实验5 2 5 1 机器人避障仿真实验5 2 5 2 机器人避障。实物实验5 3 5 3 本章小结5 6 第六章总结与展望5 7 参考文献5 8 致谢6 1 硕士期间发表的论文6 2 l l 叠 北京邮电大学硕上学位论文2 0 1 0 1 1 论文研究背景和意义 第一章绪论 移动机器人是脱离人的直接控制，采用遥控、自主或半自主等方式在地面运 动的物体。遥控机器人完全在人的控制下，严格执行人的命令；自主机器人依靠 自身的智能系统自主导航，躲避障碍物，独立完成各种任务：半自主机器人可在 人的监视下自主移动，在遇到困难时操作人员可以进行遥控干预【l 】。 随着机器人应用范围的不断扩展，机器人所面临的_ 丁作环境也越来越复杂， 多数是未知的和动态的。机器人为了在未知或事变叫i 境卜自主地工作，j t 善l 自感 知周嗣环境和规划自身运动的能力。目前，对运动机器人技术研究较为成熟和应 用比较j “泛的有“高速公路上车辆自动驾驶技术、“运动机器人采集场景信息并 且重建三维地图”、“定向作业机器人的自动作业”、“机器人足球”等。所牵 涉到的相关研究领域有：场景信息的精确采集与分析技术、虚拟现实技术、摹于 二维视频、图像构建三维虚拟地图的技术、图像立体匹配技术、视频追踪技术、 路径规划研究、机器人避障研究以及机器人自动控制技术等。这些已有的技术， 比较多的采用“信息采集提取”、“信息分析与决策”、“自动控制”这样的工 作方式来整合系统。其中，信息提取环节多在采集点不变的静态环境下，进行信 息采集。而对于运动机器人的追踪运动目标，同时进行实时的动态路线规划的研 究相对比较少。因此，对移动机器人避障的研究就具有十分重要的意义，本文基 于两种传感器来研究移动机器人的避障。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外移动机器人研究现状 在国外早在1 9 7 9 年h i l a r e 应用多传感器信息来创建世界模型的可移动机 器人，它充分利用视觉、听觉、激光测距传感器所获得的信息，以确保其能稳定 地工作在未知环境中。 h a s 机器人【2 j 是比利时k a t o l i e k eu n i v e r s i t yv a nl e u v e n 研制的自治机器人。 它安装了位置和姿态传感器、超声波传感器、p l s 测距仪和声传感器。l i a s 的 3 种接近传感器中，超声波传感器对机器人周围进行定位，3 个声传感器使机器 人在移动范围内获得一个更好的视野，2 个p l s 测距仪提供了一个全景视图。为 了弥补超声波传感器的缺陷，l i a s 机器人使用精度稍低的红外激光传感器，在 短时间内可以提供大量的距离信息。把红外传感器安装在扫描器上，可以很方便 北京邮电大学硕：l 学位论文2 0 1 0 的给出全景视图，并且红外激光波束窄，比超声波波束的性能优越。因此，l i a s 使用红外激光测距仪来确定机器人周围的障碍物是否存在，还可以检测到超声波 传感器检测不到的角落。超声波传感器和红外激光测距仪的信息融合可以提供一 个全面的、精确的环境信息，获得比仅用一个传感器更好的效果。 r a n g e r l 3 j 是卡内基梅隆大学机器人所在2 0 世纪9 0 年代中期研究的一种 可移动机器人。该系统包括一个状态空间控制器、一个基于卡尔曼滤波的导航中 心和一个自适应感知中心。r a n g e r 通过融合各种传感器的信息，解决了图像 在高速处理过程中，图像之间变化大，计算复杂等问题，获得了一个可靠性较好 的模型。 2 0 0 1 t - ，m a h a j a n 设计了一个应用模糊逻车盱力法的爷i l i i 邑多传感器合成的模 型，在此模型中，摆脱了非传统信息源的限制，将来自丁1 i 例的传感器和运用不 同的解决方法而得到的传感器数 ：| j ：进行融合。 几本在机器人的研究领域一直处于世界的i ，j 列。h 本丰m 公司研制的代表当 今智能化程度最高的仿生机器人a s i m o i 引，如图1 1 所示，它非常好的使用了多 传感器融合技术。a s i m o 的头部安装有立体相机，功能是从图像信息检测出移 动物体，以别自己与移动机器人之间的距离与方向，a s i m o 利用这。功能用相 机追随人的动作，实现追着人移动的动作；同时安装了地面传感器及自仃部1 个、 背后5 个超声波传感器，用于检测周围障碍物。通过多种传感器进行信息融合， 实现了行走、爬楼梯、识别声音的功能。 图1 - 1a s i m o 机器人 美国航空航天总署( n a s a ) 研制的火星探测机器人“勇气号“和“机遇号” 己经分别在2 0 0 4 年1 月3 同及2 4 日登陆火星，这是机器人应用多传感器技术在 未知环境下实施机器人避障和路径规划的典型成功应用。 2 北京邮电大学硕：卜学位论文2 0 1 0 1 2 2 国内移动机器人研究现状 近年来，国内在这方面的研究也得到了很大的发展。c l i m b e r 8 】移动机器 人是中国科学院沈阳自动化研究所研制的机遇非结构环境的移动机器人，可以在 高低不平、有障碍物及楼梯等复杂多变环境中使用。c l i m b e r 移动机器人的传 感器系统有环绕在四周的1 1 个超声波传感器、7 个红外传感器、一个摄像头及 一个电子罗盘。超声波和红外传感器用于采集附近的障碍物距离信息，经过滤波、 归一化处理后作为避障算法的输入；摄像头具有大范围的俯仰和侧摆能力，用于 机器人自身寻找、定位目标；电子罗盘用于感知机器人的航向和位姿。 t h m r v 机器人【1 f j l 是清华大学智能技术与系统吲家重点实验室与困防科技 大学、南京理工大学、浙江大学、北京理j l 大学等院校合作丌发的多功能室外智 能移动机器人试验平台，如图所示。t h m r vp ：集成了二维彩色摄像机、一维 激光雷达、陀螺惯导定化、超声波等传感器、陔机器人能够利刚安装多种传感器 在结构化和非结构化道路卜自主行驶，能进行路径跟踪、避障、越野以及翁路转 7 依竹 弓守o c i t a v t i v 移动机1 1 2 1 器人是国防科技大学自动化研究所研制的。为完成自 主移动，c i t a v t i v 采用了外部传感器两台摄像机感知环境，同时通过内 部传感器罩程仪、激光陀螺导航平台、磁敏感转速仪和电位计检测自身状态。一 各传感器系统采集的数据数据处理系统来融合以，弦乍命令，并控制各执行机构 的动作。 我国在仿人形机器人方面也做出了大量研究，并_ 丑取得了一系列成果。比如 长沙困防科技大学研制成功的双足步行机器人，北京航空航天大学研制成的多指 灵巧手，以及哈尔滨工业大学、北京科技大学也在这方面做出了大量深入的研究 工作。 ，、t 拖 图1 2 国防科大“先行者”机器人 国防科技大学研制成的我国第一台人型机器人“先行者”，实现了机器人技 术的重大突破。“先行者”有人一样的身躯、头颅、眼睛、双臂、双足，在机器 3 北京邮电大学硕十学位论义2 0 1 0 人的各部位安装有不同功能的多种传感器，使之具有一定的语言功能，并且可以 动态步行，如图1 2 所示。 1 3 论文研究内容及结构 本论文以移动机器人为平台来研究机器人的避障。首先介绍了移动机器人避 障系统的避障原理。然后着重机器人控制避障策略和软件设讨。，最后介绍了移动 机器人平台的搭建和避障算法的仿真与实验。本文研究内容共分为六章，其具体 内容如下： 第一章是绪论，概要介绍课题研究的基本情况，介绍了移动机器人避障系统 的研究发腱现状： 第二章主要介绍了移动机器人避障系统的没计，介绍了红外测距传感器的测 距原现和耋l ：外避障系统的设计；分析了图像的采集和处趔! 并结合实例进ij 二了分 析；最后研究了传感器信息融合的问题； 第三章详细的介绍了移动机器人平台的硬件设计与搭建，介绍了移动机器人 平台各模块的电路设计； 第四章介绍了移动机器人的避障策略，详细介绍了移动机器人的避障算法的 研究；分析了机器人避碰点的选择和机器人的局部路径规划；介绍了机器人平台 的控制； 第血章通过软件仿真和实验验证了移动避障算法的可靠性与实用性，并对发 现的问题提出了相应的改进方法； 第六章总结与展望，对自已所做的工作进行了总结，并提出了移动机器人避 障算法进一步改进的方向。 4 北京邮电人学硕：l 学位论文2 0 1 0 第二章移动机器人避障系统设计 移动机器人在自主行走过程中，要求能够灵活、实时的避开所遇到的各种障 碍物。要实现这种能力，移动机器人就必须通过外部传感器来收集周边环境的信 息，并通过环境信息来建立外部环境模型，从而实现避障行为。因此，选择什么 样的传感器来实现这种功能就显得十分重要。采用视觉避障系统可以获取较为完 整的环境信息，但图像处理运算量大，对设备的性能要求较高，从而使得机器人 在避障实时性方面比较差。近年来，为了解决这个问题，人们丌始研究采用非摄 像类传感器方式来探测环境信息。但足单一的传感器由于受其同有缺陷等冈素的 影h m 使其在探测环境信息时，不能够提供准确、全面的环境信息。因i n j 在实际 应刚中，采用多传感器融合技术来实现对环境信息的探测，以提高测量的精度就 成了研究的重点和热点。本文将重点讨论使用多传感器信息融合技术，实现刈红 外传感器和图像的信息融合，使移动机器人能够具有实时性好、精度高和鲁棒性 好的自主避障功能。 2 1 避障系统测距原理 2 1 1 视觉图像测距原理原理 2 1 1 1 单目视觉原理 摄像头拍摄到的场景图像是三维空间的场景在二维空间的投影，而利用视觉 进j j 二距离检测的过程中，则需要一种求逆过程，即从二维图像还原成三维空| 日j 场 景，这个过程就是获取物体深度信息。目前单目视觉系统一般采用对应点标定法 来获取图像的深度信息，对应点标定法是指通过不同坐标系中对应点的对应坐标 求解坐标系的转换关系。但对应点标定法，在标定过程中，由于受到器材限制， 仍无法做到十分精确地记录一个点在世界坐标系和图像坐标系中的对应坐标。如 果其坐标不够精确，那么得到的转换矩阵的精确度也会受到制约，坐标转换结果 的精度也会因此而波动。由于对应点标定法对于摄像机的标定是在摄像机的各个 角度以及高度已经确定的情况下进行的，但摄像机的任何一个参数发生变化时， 都要重新标定，已得到在该种情况下的转换矩阵，所以该方法仅适用于位置固定 的摄像机的情况，而对于应用在空间微型机器人的摄像机来说，由于移动或导致 摄像机的参数发生变化，所以它的使用范围受到了一定限制。 单目视觉基于三维重建的距离检测方法主要是利用运动视差判断场景物体 距离观察者的相对距离。运动着的物体，由于距离观察者的远近不同，引起的视 5 北京邮 乜大学硕十学位论文2 0 1 0 角变化有所不同，从而表现为运动速度的差异。距离近的物体视角变化大，觉得 速度快；距离远的物体施加变化小，显得运动速度慢。视野中对象物体运动速度 的差异即位运动视差，它提供了关于对象物体距离的信号，运动速度快的，距离 就近；运动速度慢的，距离就远。 一个摄像机在静态环境中移动。在摄像机上固定了一个坐标系的标架，因而 这个标架也随时间而移动。设运动前的坐标系为c x v z ，运动后的举标系为 c ，y 27 。通过一个旋转尺和一个平移丁就可以将第二时刻的标架带回到第一时 刻。一个运动不能分解为唯一的旋转和平移；为了保证唯一性，规定旋转轴通过 坐标原点，且平移在旋转之后。这样，如果一。个点在第一坐标系卜的坐标为m ， 那么该点任第坐柑：系下的 降标为m = r m + t 。t 丁以看剑楸掘1 个摄像机饥：不 同不同时刻f ：同f 眭置刘。同一对象物体的两幅或多幅图像，运用立体视觉技术计算 出对象物体的距离。 还有一种单目测距的方法就足如果知道物体的实际人小d ，然后再计算物体 在图像中的大小d 。一般地，如果d 是匿i 定的，那么d 与距离l 成反比，即 ，：；：n ；! 式( 2 1 ) d 。 只要标定出比例系数k ，就可以对距离作简单的计算了。这样的方法是最简 单有效的。然而，空间微型机器人前方障碍物的大小是未知的，即d 是未知的， 那么这种力法就不适用了。 2 1 1 2 视觉系统位置检测 针对对应点标定法的不足，本文通过几何关系和摄像机成像模型，推导出路 面坐标系和图像坐标系之间的关系。基于几何关系的推导方法，得到了利用单目 视觉计算空间微型机器人与前方障碍物之问距离的实时检测算法。 图2 - 1 单目视觉成像系统示意图 线性摄像机模型中应用较多的是针孔模型，图2 - 1 显示了针孔模型测距原理， 6 北京邮电大学硕十学位论文2 0 1 0 如图所示，p ，y ) 点是世界坐标系中的一点，( ，) 是其在摄像机成像平面上的 特征点的像平面坐标，测距的目的就是将图象中目标特征点p 的像平面坐标 ( z ，) 转换为其在机器人坐标系x o y 下的坐标p ( x ，y ) 。 在图2 - 1 中，摄像机在任意时刻的位置是已知的。p 是物体，p 是物体在图 象中的特征点，h 是摄像机到地面的垂直距离，v 1 是摄像机垂直视角投影在地 面上的最近距离，y l + y 2 是摄像机垂直视角投影在地面上的最远距离，x 1 是当 摄像机垂直视角投影在地面上的距离最近时，其水平视角投影在地面上的距离。 口和p 分别为摄象机垂直视角射线与地平面y 轴的最大和最小夹角，) ，为摄像机 水平视角在地面上的投影与地平面y 轴夹角。由摄像机针孔模型的几何关系可 知，口，) ，町l j j 一卜j ：| ! ；导得到： a = a r c t a n ( h y 1 ) 式( 2 2 ) = a r c t a n ( h ( y l + y 2 ) ) y = a r c t a n ( x ll y l ) 其中，h ，y l ，y 2 和x 1 都是已知的。 方便的推导出x 和y 的计算公式： 式( 2 3 ) 式( 2 4 ) 在得出了口，y 角之后就可以很 y 卅t a n ( 9 0 咖c 等例 蛐， t a n c 净】 嘏， 红s x j - 。v ) ) ， 式( 2 7 ) l ：厢 式( 2 8 ) 其中，u ，v 分别表示特征点p 在图象平面的上的行数和列数，s x 和s ，分别 表示图像平面在x 和y 方向上的总的行数和列数。y 是点p ( x ，y ) 在机器人坐标系 x o y 下的纵坐标，即目标点与机器人在垂线方向上的距离。x 是点p ( x ，y ) 在机器 人坐标系x o y 下的横坐标，即目标点与机器人在水平方向上的距离，0 表示点p 与前讲方向卜的夹角。帚所求目标点与机器人之帕l 的距离。 2 1 2 红外测距原理 光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电 传感器在一般情况下有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路【1 0 1 。 7 北京邮电大学硕：l 二学位论文2 0 1 0 发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管 ( l e d ) 、激光二极管及红外发射二极管。光束不问断地发射，或者改变脉冲宽度。 接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元 件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。 此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。 三角反射板是结构牢同的发射装置。它由很小的i 角锥体反射材料组成，能 够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴o 。到2 5 。的 范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线 返叫。 光f 乜传感器的分类和i ：作方式如下： ( 1 ) 槽型光电传感器：把一个光发射器和一个接收器面埘面地装住一个槽的 两侧的足惜肜光 u 。发光器能发：红外光或可见光，征无阻情况卜光接收器能收 到光。但当被检测物体从楷中通过时，光被遮挡，光电丌关便动作。输出一个丌 关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形丌关的检测距 离凶为受整体结构的限制一般只有几厘米。 ( 2 ) 对射型光电传感器：若把发光器和收光器分离丌，就可使检测距离加大。 由一个发光器和一个收光器组成的光r c l 开关就称为对射分离式光电丌关，简称对 射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分 别装在检测物通过路 ：垒的膊侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个 丌关控制信号。 ( 3 ) 反光板型光电开关：把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方 装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式( 或反射镜 反射式) 光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收 到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电丌关就动作，输m 一个丌 关控制信号。 ( 4 ) 扩散反射型光电丌关：它的检测头罩也装有一个发光器和一个收光器， 但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。当检测物通 过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。 本文选用第四种扩散反射型光电丌关来研究机器人运动过程中的避障 问题。 红外传感器都是基于三角测量原理。红外发射器按照一定的角度发射红外光 束，当遇到物体以后，光束会反射回来，如图2 2 所示。反射回来的红外光线被 c c d 检测器检测到以后，会获得一个偏移值l ，利用三角关系，在知道了发射 角度a ，偏移距l ，中心矩x ，以及滤镜的焦距f 以后，传感器到物体的距离d 8 北京邮电大学硕+ 学位论文2 0 1 0 就可以通过几何关系计算出来，如式2 - 9 所示。 d ： 垡茎! l + f c t g ( 9 0 0 一口) 2 1 3 视觉图像处理 耋l ；，7 d l 耋、。| 耋：，7 ： 颦 、n ：喜 滤争上兰- - i i i l i l i i 一。 c c d 蚍器_ 式( 2 9 ) 图像处理是指通过计算机或者其它数字硬件，对从图像信息转化而得到的电 信号进行些数学运算，从而提岛图像的实用性。通常所晚的数字图像处理是指 用计算机进行的处理，因此也称为计算机图像处理。数字图像处理技术处理精度 比较高，而且还可以通过改进处理软件来优化处理的效果。随着计算机技术的飞 速发展，计算机的运算速度大大提高，这将大大促进数字图像处理技术的发展。 数字图象处理分为图像处理、图像分析和图像理解三个层次。图像处理着重强调 在图像之i 白j 进行变换，泛指各种图像技术，如：图像变换、图像增强、图像压缩 编码等。图像分析主要是对图像中感兴趣的目标进行检测和测量，建立对图像的 描述，如：图像分割，边缘检测，目标表达、描述、测量等。图像理解的重点是 在图像分析的基础上得出对图像内容含义的理解以及对原来客观场景的解释，从 而指示和规划行动，如：图像解释、推理等。在空间微型机器人视觉系统中利用 图像处理技术对图像进行预处理，改善了图像的视觉效果；利用图像分析中的图 像分割和边缘检测，可将机器人所处环境中的物体提取出来，为识别打下基础； 经过对图像的特征识别和提取，获得目标物体和障碍物的位置信息。 2 1 3 1 图像预处理 通常情况下，由于各类图像系统中图像的传送和转换( 如成像、复制、扫描、 9 北京邮电大学硕+ 卜学位论文2 0 1 0 传输以及显示等) 总要造成图像的某些降质，会使图像模糊；在传输过程，由于 噪声污染，图像质量会有所下降，必须对这些降质的图像进行改善。常用的方法 是采用图像的增强技术。图像增强技术通常有两类方法：空间域法和频率域法。 空间域法主要是在空间域中对图像象素灰度值进行运算处理。可用下式来描述： g ( x ，y ) = 厂( 工，y ) h ( 工，y )式( 2 - 1 0 ) 其中f ( x ，y ) 是处理前的图象，g ( x ，y ) 是处理后的图象，h ( x ，y ) 足空i 开j 运算 函数。 图像增强的频率域法就是在图像的某种变换域中( 通常是频率域中) 对图像 的变换值进行某种运算处理，然后变换回空| 、日j 域。可用图2 3 来描述该过程。 f ( x 艿邕鞴挫! 一i 瓦蚓兰兰兰k 艿，y ) l _ j f ( “，驴) l 二二- j g ( “，v ) l _ j g ( x ，y ) 图2 3 频率域增强函数 其数学描述式如下： f ( p ，) = r ( f ( x ，y ) ) 式( 2 - 11 ) g ( ，) = f ( ，y ) h ( ，)式( 2 1 2 ) ，g ，y ) = r 。1 ( g ( ，y ) )式( 2 1 3 ) 上式中尺( ) 表示某种频域正变换；r d ( ) 表示该频域变换的逆变换；f ( x ，y ) 足原始图缘；f ( f l ，1 ，) 是频域i f 变换的结果；h ( p ，v ) 足频域中的修i f 函数； g ( u ，1 ，) 是修正后的结果；g ( x ，y ) 是g ( ，) 逆变换的结果，即增强后的图像。 图像与处理主要包括图像平滑、图像滤波两方面的内容，下面详细介绍着两 部分。 ( 1 ) 图像平滑 图像的平滑处理主要目的是为了减少图像噪声。在数字图像处理中经常用到 模板操作运算方式。模板操作实现了一种邻域运算，即某个象素点的结果不仅和 本象素灰度有关，而且和其邻域点的值有关。模板运算在数学中的描述称之为卷 积( 或称之为互相关) 运算。 图像空间域平均就是对含噪声原始图像f ( x ，y ) 的每个象素点取一个邻域s ， 计算s 中所有象素灰度级的平均值，作为空间域平均处理后图像g ( x ，y ) 的象素 值。即： 毗y 卜石1 ( ，嘉他y ) 式( 2 - 1 4 ) 式中m 为领域s 中的象素点数，s 可取四领域、八领域等。 中值滤波是一种非线性的信号处理方法，与其对应的中值滤波器当然也就是 一种非线性的滤波器。中值滤波在一定的条件下可以克服线性滤波器如最小均 1 0 北京邮电大学硕：学位论文2 0 1 0 方、均值滤波等带来的图像细节模糊，而且对滤除脉冲干扰及图像扫描噪声最为 有效。中值滤波一般采用一个含有奇数个象素点的滑动窗口，将窗口中各象素点 灰度值的中值来替代指定象素点( 一般是窗口的中心点) 的灰度值。对于奇数个象 素点，中值是指按大小排序后，中间的数值；对于偶数个象素点，中值是指排序 后中间两个象素点灰度值的平均值。二维中值滤波的窗口形状和尺寸对滤波效果 影响较大，不同的图像内容和不同的应用要求，往往采用不同的窗口形状和尺寸。 二维中值滤波可用下式来表示：y 玎= m e d ( 五s ) 其中，( 厂；f ) 为二维数据序列；a 为窗口；常用的滤波窗口形状有线状、方形、圆形、十字形等。窗口尺寸一般先 用3 再取5 逐点增大，直到其滤波效果满意为止。 ( 2 ) 图像滤波 图像滤波应用在大部分的区域处理，如图像平滑与模糊、图像锐化与清晰、 边缘检测等。图像的i 阿 j 与模糊采用低通滤波器，图像锐化与清晰采用高通滤波 器。 ( a ) 低通滤波 低通滤波町用卷积算法实现，低通滤波的截止点由卷积核的大小和卷积系数 决定，用于低通滤波的卷积核叫低通滤波器，低通滤波器具有如下特征：卷积核 的行、列数为奇数，通常为3 ；卷积系数以中心点为中心对称分布；所有的卷积 系数都是丁f 数；距中心较远的卷积系数的值小于或等于中心系数。 为了不改变图像的亮度，所有卷积系数之和应为1 。低通滤波削弱幽像的高 频成分，图像中象素值的突变被平均值代替，减少了图像的细节，因而使图像变 得平滑，在视觉效果上变得模糊。 ( b ) 高通滤波 高通滤波增强图像的高频空间频率成分，阻挡低频空间频率成分，在需要突 出图像中的高频成分时，可对图像进行高通滤波。高通滤波可通过卷积算法柬实 现，这时使用的卷积核叫高通滤波器。高通滤波器具有如下特征：卷积核的行、 列数为奇数，通常为3 ；卷积系数以中心点为中心对称分布；中心的卷积系数是 正数；中心周围的卷积系数一般是0 或负数；卷积系数之和大于0 。 为了不改变图像的亮度，所有卷积系数之和应为1 。在高通滤波器中，卷积 核中心的卷积系数最大，在处理中起关键作用。当该卷积系数经过图像中的高频 部分时，由于其值较大，它与象素值的乘积很大，在卷积结果中占很大比重，从 而在卷积运算处理后，图像中象素值突变的更加突出；同时在低频区域所受影响 就很小。高通滤波使图像更加醒目。但是，高通滤波同时也放大了图像的噪声。 北京邮电大学硕上学位论文2 0 1 0 2 1 3 2 图像分割 图象分割，就是按照一定的原则，将一幅图象或景物分为若干个互不相交的 小区域，即是产生图象基元的过程。在图象中用来表示某一物体的区域，其特征 都是相近或相同的，但是不同物体的区域之间，特征就会急剧变化。图象分割也 可以理解为将图象中有意义的特征区域或者需要应用的特征区域提取出来，这些 特征区域可以是象素的狄度值、物体轮廓曲线、纹理特征等，也可以是空问频谱 或直方图特征等。目前已经提出的图象分割的方法很多，从分割依据的角度来看， 图象的分割方法可以分为相似性分割和非连续性分割。相似性分割就是将具有同 一灰度级或相同组织结构的像素聚集在一起，形成图象的不同区域；非连续惟分 割就是首先检测局部不连续性，然后将它们连接在一起形成边界，这监边界将劁 象分成4 i i 司的区域。山于不同种类的罔象、不i 删的应用场合需要提取的图象特征 足不同的，冈此对应的图象特征提取方法也就 i 川，所以并不存存i 种普遍适j 咐 的最优方法。 图像阀值分割是一种，“泛应用的图像分割技术，它利用了图像中要提取的目 标物与其背景在灰度特性上的差异，把图像视为具有不同灰度级的两类区域f 目 标和背景) 的组合，选取一个合适的阐值，以确定图像中每一个象素点应该属于 目标还是背景区域，从而产生相应的二值图像。阐值分割不仅可以大量压缩数据， 减小存储容量，而月能人人简化在l 后分析和处理步骤。 设原始图像厂( x ，y ) ，以一定的准则在厂 ，y ) 中找出一个合适的狄度值作为 阀值t ，则按上述方法分割后的图像g 伍，y ) 可山下式表示： g c 工，y ，一 三；：二：三； 式c 2 ，5 ， 或： r 1 贴卜* l ( x ，y ) 丁 式( 2 1 6 ) 还可以将阀值设置一个灰度：范i i i t 1 ，t 2 1 ，凡是灰度在范围内的象素都变为 1 ，否则皆变为0 ，即： 删。 三n iy u 2 k 兰 g n df a l e lp g 2盟 ， f 、业 ，爿口嚅 x t a l lf a l 4 l p c 6n p d 0 ( s c u l n t o f a l 3 p c 5业 p d l i s d a l n t l lf a l 2 ) p c 4皿 ”马孑2 “葚 p d 2 i r x d l i n t 2 )i a l ll p c 3皿 p d 3 i t x d l 1 n t 3 i a l 0 w c 2皿 p d 4 “c 1 1i a 9 ) p c i皿 p d 5 r x c k l lf a 8 ) p c o正 p d 6 n r l lf i u d ，) p g l且 p d 7 ( 1 - 2 ) ( w i vj p g 0皿 图3 7 微控制器外围连接图 本课题选择这种微控制器的理由是： ( 1 ) 电路驱动控制板需要采用p w m 方式来控制3 个舵机和1 个直流电机的运 动。为了确保整个移动机器人平台运动的实时性，希望4 路p w m 信号都由微控 制器自身内部得硬件电路产生，而不是通过时钟中断的方式产生，从而确保微控 制器的在接收a r m 9 控制器传输的命令时，不会因为定时器产生中断嵌套，确 保控制命令的实时接收。a t m e g a l 2 8 具有6 路1 0 位硬件p w m 发生器，外接晶 振为1 2 m 时，可以发出周期为2 1 8 4 5 m s ，高电平可变的p w m 信号，满足系统 北京邮电大学硕。仁学位论文2 0 1 0 设计要求。 ( 2 ) a t m e g a l 2 8 是r i s c 结构的a v r 8 位处理器。a v r 内核具有丰富的指令 集和3 2 个