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单目视觉家庭机器人环境建模与导航问题研究

作　者: 贺俊耀
导　师: 罗三定
学　校: 中南大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 家庭机器人 视觉导航 SURF算法 环境建模
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 219次
引　用: 1次
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内容摘要


随着机器人技术的发展和成熟,机器人系统逐渐进入家庭生活与服务领域,近年来,家庭室内机器人的研究成为许多人关注的焦点。对于家庭机器人来说,导航是一个重要的问题,是实现机器人智能性的核心技术。它主要由环境信息获取、环境信息描述和建模以及实现自动定位组成,其中环境信息描述和建模是核心内容。本文主要以家庭移动机器人开发应用为背景,对基于单目视觉的家庭机器人在室内环境中实现高性能的自主导航、环境建模等问题进行了深入研究,提出了特征.拓扑混合环境模型。为了创建特征-拓扑混合环境模型,本文提出了两种环境描述方法:基于垂直边缘特征的环境描述和基于局部灰度分布特征的环境描述。基于垂直边缘特征的环境描述采用Sobel算子和非极大值抑制算法进行边缘的提取和细化,完成物体边缘垂直投影,利用得到的投影曲线,分析了一种基于投影曲线的比例不变性的垂直特征匹配方法,基于该匹配方法采用了一种利用单目视觉计算垂直特征世界坐标的方法,利用垂直特征在世界坐标系中的位置来描述环境。基于局部灰度分布特征的环境描述方法采用SURF特征来描述环境,文中详细介绍了SURF特征的提取、描述器的构造、匹配、自然路标构造的方法和识别实验评估。最后,给出了家庭机器人导航系统的体系结构,分析了每个模块的作用,并对基于该模型的家庭机器人进行定位,节点处采取了节点HMM估值识别定位方法,在连接边处利用环境的垂直边缘特征进行定位,这样可以避免里程计的误差。实验证明该方法可以提高节点识别处方向的定位精度和连接边处的位置定位精度,确保整个定位过程的连续性、鲁棒性和实时性。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章 绪论  9-18
  1.1 研究背景  9
  1.2 研究现状  9-15
    1.2.1 基于图像外观的环境描述与建模研究  10-12
    1.2.2 基于特征点的环境描述与建模研究  12-13
    1.2.3 机器人导航定位研究  13-15
  1.3 主要研究工作  15-16
  1.4 主要技术难点  16
  1.5 论文安排  16-18
第二章 家庭机器人的室内环境建模  18-29
  2.1 家庭机器人的环境模型  18-20
    2.1.1 环境模型的类型  18-19
    2.1.2 环境模型的比较  19-20
  2.2 特征-拓扑混合的环境模型  20-25
    2.2.1 家庭机器人特征-拓扑混合的环境模型的创建  20-21
    2.2.2 基于HMM的拓扑节点设计  21-24
    2.2.3 拓扑连接边设计  24-25
  2.3 基于稳定环境的特征-拓扑混合环境模型的创建  25-28
    2.3.1 改进的相邻帧差分运动目标提取技术  26
    2.3.2 动态目标滤除的特征-拓扑模型创建  26-28
  2.4 本章小结  28-29
第三章 基于垂直边缘特征的环境描述  29-42
  3.1 垂直边缘特征提取  29-32
    3.1.1 垂直边缘增强  29-31
    3.1.2 图像边缘细化  31
    3.1.3 垂直特征的提取  31-32
  3.2 垂直特征的识别  32-35
    3.2.1 投影曲线比例不变性  32-34
    3.2.2 垂直投影匹配实验  34-35
  3.3 垂直特征环境描述  35-41
    3.3.1 基于单目视觉的世界坐标计算  35-38
    3.3.2 实验及其分析  38-41
  3.4 本章小结  41-42
第四章 基于局部灰度分布特性的环境描述  42-50
  4.1 SURF特征的提取  42-43
  4.2 SURF特征点的描述  43-45
    4.2.1 方向分配  43-44
    4.2.2 描述器的构成  44
    4.2.3 自然路标的数据格式和存储  44-45
  4.3 SURF特征点的匹配  45-46
  4.4 SURF特征匹配实验分析与比较  46-49
    4.4.1 SURF特征的比例缩放不变性  46-47
    4.4.2 SURF特征的噪声变化不变性  47-48
    4.4.3 SURF特征的旋转变化不变性  48-49
    4.4.4 SURF与SIFT匹配速度比较  49
  4.5 本章小结  49-50
第五章 导航与定位  50-60
  5.1 家庭机器人导航系统  50-53
    5.1.1 视觉导航问题描述  50-51
    5.1.2 家庭机器人的伺服模型  51-52
    5.1.3 导航系统体系结构  52-53
  5.2 定位  53-58
    5.2.1 节点定位  53-54
    5.2.2 节点连接边的定位  54-55
    5.2.3 定位实验及其分析  55-58
  5.3 家庭机器人的障碍物体识别  58-59
  5.4 本章小结  59-60
第六章 结论与展望  60-62
  6.1 全文总结  60-61
  6.2 工作展望  61-62
参考文献  62-67
致谢  67-68
作者攻读硕士学位期间的主要研究成果  68

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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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