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基于地面轨线的单目机器人视觉导航系统设计

作　者: 杨春晖
导　师: 王富东
学　校: 苏州大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: JPEG 视觉导航轨线跟踪状态偏差基元
分类号: TP242.62
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

地面轨线检测与跟踪是机器人视觉导航控制基本技术之一。本文构建了一个由摄像头、数字信号控制器(DSC)以及由步进电机驱动的移动机构所组成的单目机器人视觉导航系统,在轨线参数未知的情况下,根据实时拍摄的JPEG图像,实现机器人对地面轨线的跟踪导航。JPEG图像解码采用了基于查表法的二维8×8离散余弦逆变换(IDCT),算法的设计消除了IDCT中所需的乘法运算,并利用图像数据的特点和基本图像的对称性大大减少加法的次数,提高了计算速度。为消除图像中的噪声干扰,采用了改进的中值滤波算法。算法不需要排序,有效降低了中值滤波的时间复杂度,满足了图像实时处理的要求。为能够有效解决参考轨线实时提取问题,根据轨线的宽度在图像中具有均匀一致的特性,提出了一种快速的参考轨线检测算法。结合基元检测法,改进Hough变换算法,得到轨线的直线方程在参数空间的映射参数。系统从图像数据中提取参考轨线的方向偏差参数和距离偏差参数作为系统状态控制的输入,并根据方向偏差参数的值将机器人的运动分为调整态和稳定态,对两个运动状态采取不同的控制策略,从而实现了对移动机器人的运动控制。为改善控制性能,利用射影变换把参考轨线参数从图像坐标系映射到机器人坐标系,以消除由于摄像机倾角较大而引起的图像畸变。经过在实际场地进行的运行试验表明,该系统能够对任意形状的参考轨线进行满意地跟踪,达到了预期的效果。

全文目录

中文摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-16
  1.1 移动机器人发展现状  10-11
    1.1.1 国外研究状况  10
    1.1.2 国内研究状况  10-11
  1.2 移动机器人视觉导航研究  11-12
    1.2.1 移动机器人的导航方式  11
    1.2.2 视觉导航现状  11-12
  1.3 课题研究背景和意义  12-13
  1.4 移动机器人视觉导航系统的技术要求  13-14
  1.5 本文研究内容  14-16
第二章视觉系统组成及结构  16-25
  2.1 机器人视觉系统定义  16
  2.2 机器人视觉系统组成  16-18
    2.2.1 图像感知传感器  16-17
    2.2.2 图像采集卡  17
    2.2.3 图像处理单元  17-18
    2.2.4 感知控制机构  18
    2.2.5 视觉算法  18
  2.3 机器人视觉系统分类  18-21
    2.3.1 依据视觉传感器分类  18-20
    2.3.2 依据感知控制机构分类  20
    2.3.3 依据感知光源分类  20-21
  2.4 智能车辆单目视觉导航系统结构  21-24
    2.4.1 逻辑结构  21-22
    2.4.2 系统结构  22-23
    2.4.3 功能划分  23-24
  2.5 本章小结  24-25
第三章图像压缩与文件格式  25-40
  3.1 JPEG 标准概述  25
  3.2 JPEG 标准的基本框架  25-27
  3.3 基于DCT 的编码过程  27-35
    3.3.1 数据单元  27-28
    3.3.2 8×8 的FDCT 和IDCT  28-29
    3.3.3 量化  29-30
    3.3.4 DC 和AC 系数扫描  30-35
  3.4 多分量图像  35-37
  3.5 压缩文件  37-39
  3.6 本章小结  39-40
第四章快速图像解码及图像预处理  40-61
  4.1 霍夫曼解码  40-44
    4.1.1 DC 系数解码  40-41
    4.1.2 AC 系数解码  41-44
  4.2 基于查表法的快速IDCT 解码过程  44-54
    4.2.1 基本图像的概念  45-47
    4.2.2 基本图像的性质  47-48
    4.2.3 查找表算法  48-53
    4.2.4 IDCT 变换主要程序段  53-54
  4.3 图像滤波  54-60
    4.3.1 中值滤波器设计思想  55
    4.3.2 中值滤波器处理示例  55-56
    4.3.3 传统中值滤波算法复杂度分析  56
    4.3.4 中值滤波的改进快速算法  56-57
    4.3.5 中值滤波算法主要程序段  57-60
  4.4 本章小结  60-61
第五章轨线识别与跟踪  61-85
  5.1 硬件系统  61-71
    5.1.1 摄像头  61-66
    5.1.2 MCU 简介  66-70
    5.1.3 运动控制系统结构  70-71
  5.2 轨线检测算法  71-76
    5.2.1 轨线检测算法思想  71
    5.2.2 轨线检测算法描述  71-73
    5.2.3 轨线检测算法主要程序段  73-75
    5.2.4 轨线检测算法实验结果  75-76
  5.3 摄像机与视觉系统标定  76-82
    5.3.1 标定过程中的各类坐标系  76-78
    5.3.2 摄像机模型  78-81
    5.3.3 坐标系的转换  81-82
  5.4 机器人控制策略  82-84
    5.4.1 稳态过程  82-83
    5.4.2 调整过程  83
    5.4.3 控制策略实验结果  83-84
  5.5 本章小结  84-85
第六章总结与展望  85-87
  6.1 论文完成的工作  85
  6.2 系统存在的问题及改进  85-87
参考文献  87-90
攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文  90-91
附录A JPEG 标准编码数据  91-97
附录B 基本图像对称性  97-100
附录C 用于快速IDCT 的LUT 表格数据  100-103
致谢  103-104

基于地面轨线的单目机器人视觉导航系统设计

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