一種基于單目相機和主動結構光的障礙探測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于單目相機和主動結構光的障礙探測方法，適用于在月球、火 星等外星球表面進行探測任務的巡視器的障礙識別，也可用于在野外惡劣環境進行作業的 移動機器人的障礙識別。
【背景技術】
[0002] 巡視探測器在行星工作階段，需要控制巡視探測器在非結構復雜地面環境中實現 長距離行駛，并安全到達預先指定的工作點，以完成特定的科學考察任務，并保障自身的安 全和穩定工作。由于行星表面環境的不可預知性，巡視器必須具有環境感知的能力，在選擇 配備了立體相機作為環境感知的主要手段之后，考慮到行星表面陰影區完全無光照，巡視 器進入陰影區或背對太陽時無法探測環境進行安全行走，所以考慮增加主動結構光，利用 投射出的離散激光點進行陰影區內的障礙識別判斷，保證行走安全。
[0003] 針對相機和主動結構光的障礙探測方式，考慮冗余配置問題，設計了主動結構光 分別和雙目相機、左單目、右單目相機配合的三種工作方式。其中雙目相機的方式類似立體 視覺重建，而單目相機和主動結構光的配合使用，就需要用到結構光本身的信息，為此提出 了激光點空間出射方程的高精度標定方法，在主動結構光加工完成后，在地面進行了離散 激光出射線的標定，通過標定結果和相機拍攝的激光點圖像實現了主動結構光和左相機或 者右相機的激光點坐標解算，保證在任何一個相機失效的情況下，主動結構光探測仍能進 行，提高了結構光探測的可靠性和安全性。
【發明內容】
[0004] 本發明要解決的技術問題是：為克服現有技術的不足，提出一種基于單目相機和 主動結構光的障礙探測方法，在基準相機失效的情況下，利用備份相機仍能實現障礙物的 快速識別和判斷。
[0005] 本發明技術解決方案：
[0006] 一種基于單目相機和主動結構光的障礙探測方法，具體步驟如下：
[0007] (1)基準相機與主動結構光坐標標定
[0008] 在主動結構光的外部粘接基準鏡作為外測基準建立基準鏡下坐標系，同時將 基準鏡作為基準相機虛擬坐標系的外引基準，建立與主動結構光外測基準之間的關系， 得到基準相機坐標系下主動結構光出射線的標定方程；假設主動結構光一共設計有N 個激光出射點，標定得到的主動結構光的出射線方程在基準相機坐標系下的描述如下
【主權項】
1. 一種基于單目相機和主動結構光的障礙探測方法，其特征在于，具體步驟如下： (1) 基準相機與主動結構光坐標標定 在主動結構光的外部粘接基準鏡作為外測基準建立基準鏡下坐標系，同時將基準 鏡作為基準相機虛擬坐標系的外引基準，建立與主動結構光外測基準之間的關系，得 到基準相機坐標系下主動結構光出射線的標定方程；假設主動結構光一共設計有N個 激光出射點，標定得到的主動結構光的出射線方程在基準相機坐標系下的描述如下
(A0i，B0i，C0i)為直線上一點坐標，（Pi，qi，ri)為直 線的矢量方向；用基準相機對激光點成像，得到基準圖像； (2) 備份相機與基準相機坐標轉換 可另設備份相機，備份相機到基準相機坐標系的轉換矩陣為
，平移 矩陣為
，同時用備份相機對激光點成像，得到備份圖像； (3) 激光圖像處理 將步驟（1)及步驟（2)得到的基準圖像和備份圖像中灰度值大于灰度閾值的像素點分 割出來，剔除偽激光點及由其他雜光在圖像中引起的噪點； 根據從圖像中提取出的激光點的能量中心，得到激光點能量中心在基準圖像中的坐標 和備份圖像中的坐標，并確定圖像中的激光點對應的編號； (4) 激光點三維恢復 結合相機參數，對步驟（3)中識別出的各激光點的坐標進行校正，消除其畸變誤差，進 行基準相機、備份相機與主動結構光的坐標解算，激光點在基準圖像上三維坐標確定方法 為：
其中為基準相機焦距，（xli,ylDi= 1?N為基準圖像中激光點坐標，
M= (A)_1C 其中M= 〇^)6><1，（A)4表示對矩陣A進行逆運算
得到激光點的三維坐標； 其中（xp(i),yp(i),zp⑴）i= 1?N為地面投射的主動結構光點在基準相機坐標系下 的坐標； 激光點在備份圖像上二維坐標確定方法為：
其中： f2為備份相機焦距，（x2i，y2i)i= 1?N為備份圖像中激光點的坐標， Ll-(r 23X2i+r2lf2) * (r33y2i+r32f2) _ (r33X2i+r3lf2) * (r23y2i+r22f2) [2 - _(r 33X2i+r3lf2) * (ri3y2i+ri2f2) + (ri3X2i+rilf2) * (r33y2i+r32f2) L3- _(r 13X2i+rilf2) * (r23y2i+r22f2) + (r23X2i+r2lf2) * (ri3y2i+ri2f2)
M= (A)_1C 其中M= (11^)6><1，（Ar1表示對矩陣A進行逆運算
得到激光點的三維坐標； 其中（xp(i),yp(i),zp⑴）i= 1?N為地面投射的主動結構光點在備份相機坐標系下 的坐標； (5)障礙判斷 結合相機的安裝及巡視器的姿態，得到由相機坐標系到水平坐標系的轉換矩陣，然后 進行平面擬合，得到各激光點到擬合平面的距離，進而判斷激光投射區域是否存在障礙。
2.根據權利要求1所述的一種基于單目相機和主動結構光的障礙探測方法，其特征在 于：所述步驟（5)中相機坐標系的定義為：原點位于相機光心，Z。軸沿相機的光軸向前，與 圖像平面垂直，X。軸與Z。軸垂直，指向相機系統的右側，Y。軸與X。軸、Z。軸滿足右手定則。
【專利摘要】本發明公開了一種基于單目相機和主動結構光的障礙探測方法，實現步驟包括基準相機與主動結構光坐標標定、備份相機與基準相機坐標轉換、激光圖像處理、激光點三維恢復、障礙判斷。本發明能夠在陰影區域或者缺乏紋理特征區域進行環境感知；利用結構光的先驗信息和單個相機配合進行快速三維恢復，計算量小，處理時間短，能夠實現障礙物的快速識別和判斷。
【IPC分類】G01V8-10, G01C3-00
【公開號】CN104570147
【申請號】CN201410829101
【發明人】毛曉艷, 邢琰, 劉祥, 滕寶毅, 賈永
【申請人】北京控制工程研究所
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月26日