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双目轮式移动机器人的运动物体跟踪研究

作　者: 张广兴
导　师: 叶秀芬
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 立体视觉 双目摄像机标定 立体匹配 三维跟踪 卡尔曼滤波
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


近年来随着计算机视觉技术和移动机器人技术的不断发展，研究者们越来越期望机器人具有如同人眼一样的视觉能力，去实现对场景的感知和理解。随着计算机视觉研究的深入，在二维图像中引入场景的三维信息，更有利于将运动目标跟踪广泛应用在机器人导航与定位、智能人机交互、虚拟现实、成像制导等领域。本文主要将立体视觉技术与跟踪技术相结合，在双目移动机器人平台上完成对运动目标的三维实时跟踪。本文从双目摄像机标定，到立体匹配获取视差图，最后到运动目标提取与三维跟踪都进行了深入的研究。本文在摄像机标定双平面法的基础上引入切向畸变，建立了更加完整的摄像机标定模型，提出了一种非线性优化的立体参数求解方法，减小了外参数误差的积累对计算精度的影响。研究了一种简便有效的有标定极线校正方法，为提高立体匹配的精度奠定了基础。基于灰度相似性的快速匹配法中引入盒子滤波方法，优化了SAD匹配代价计算过程；匹配中采用极线约束、唯一性约束和连续性约束，缩小了匹配的搜索范围；使用误差评估函数和BM快速匹配法选取最佳匹配点。最后通过和SMP匹配算法的对比实验，证明了本文方法的优势。本文提出了一种自适应的彩色图像分割方法，能够快速准确地提取目标区域。研究了三维点线性和非线性计算方法，采用线性测距算法结合目标质点提取对目标实现三维测量，实验证明该方法鲁棒性强，计算效率高。提出基于双目移动机器人的三维跟踪方法，将卡尔曼滤波器作为运动估计器，引入机器人自身的运动信息和目标三维信息作为控制量，较准确地预测目标位置。将目标位置作为机器人运动的旋转量和直行量，能更好地跟踪运动目标并提高双目的测距精度。最后分析了双目轮式移动机器人的硬件系统，设计了实时性较强的目标三维跟踪软件系统，采用标准编程语言和模块化设计使其具有较强的跨平台移植性。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章 绪论  10-16
  1.1 课题研究的背景与意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-14
    1.2.1 跟踪技术及研究现状  11-12
    1.2.2 立体视觉技术及研究现状  12-14
  1.3 论文的主要研究内容和组织结构  14-16
第2章 双目摄像机标定方法研究  16-30
  2.1 引言  16
  2.2 摄像机标定基本理论  16-20
    2.2.1 摄像机标定系统的坐标系  16-18
    2.2.2 摄像机模型的建立  18-20
  2.3 改进的双平面标定方法  20-25
    2.3.1 传统的标定方法  20-21
    2.3.2 一种非线性的立体标定方法  21-25
  2.4 实验结果  25-29
  2.5 本章小结  29-30
第3章 立体匹配研究  30-47
  3.1 引言  30
  3.2 图像极线校正研究  30-35
    3.2.1 极线几何原理  30-32
    3.2.2 有标定的极线校正算法  32-34
    3.2.3 实验结果  34-35
  3.3 图像立体匹配研究  35-46
    3.3.1 匹配约束条件  35-36
    3.3.2 匹配相似性测度  36-37
    3.3.3 立体匹配方法研究  37-38
    3.3.4 基于灰度相似性的快速匹配法  38-42
    3.3.5 实验结果  42-46
  3.4 本章小结  46-47
第4章 运动目标三维测距研究  47-58
  4.1 引言  47
  4.2 运动目标提取研究  47-52
    4.2.1 彩色图像分割  47-50
    4.2.2 自适应彩色图像分割  50-51
    4.2.3 实验结果  51-52
  4.3 立体测距研究  52-57
    4.3.1 立体测距原理  52-53
    4.3.2 空间点三维重建  53-55
    4.3.3 实验过程及结果  55-57
  4.4 本章小结  57-58
第5章 运动目标三维跟踪研究  58-72
  5.1 引言  58
  5.2 目标跟踪方法综述  58-59
  5.3 基于卡尔曼滤波的三维跟踪  59-64
    5.3.1 卡尔曼滤波原理  59-61
    5.3.2 双目轮式机器人的三维跟踪方法  61-64
  5.4 双目轮式移动机器人系统  64-69
    5.4.1 移动机器人平台  64-66
    5.4.2 双目立体摄像机  66-67
    5.4.3 三维测距与目标跟踪的软件设计  67-69
  5.5 实验过程及结果  69-71
  5.6 本章小结  71-72
结论  72-74
参考文献  74-79
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  79-80
致谢  80

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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