基于分布式視覺傳感網絡的移動導航系統的制作方法

專利名稱：基于分布式視覺傳感網絡的移動導航系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于通信與控制技術領域，涉及一種移動導航系統，尤其涉及一種基于分
布式視覺傳感網絡的移動導航系統。
背景技術：
現有移動機器人和智能車導航通常借助于一個車載中央計算機和視覺系統試圖 模仿人類大腦實現集中的環境檢測和信息處理，以使機器人獲得自主移動和行為能力。但 是由于動態變化和非結構化的環境，這類研究面臨著一個實現復雜性的瓶頸問題。例如，為 了完成自主導航，需要在認知和知識表示方面投入相當大的力量，要花費很大的計算量，通 過可視路標來回答諸如"我在哪里？"和"我現在應當做什么？""我到過這個地方嗎？"這 樣的基礎問題，這些問題分別對應著定位、路徑規劃和地圖創建。為了解決這些基本問題， 機器人必須具備強大的數據存儲、信息收集、推理和規劃能力。盡管人類具備回答這些問題 的智能，但機器人即使具備了強大的計算和存儲能力，仍難以可靠地應對復雜環境中的導 航問題。其結果是，如今的自主機器人通常配備有一個"超級計算機"來完成集中信息處理 和復雜的決策，勉強實現一個基本的智能系統結構，包括運動控制、路徑規劃、任務分割層。 試圖實現如人類的集中導航方式面臨如下技術難點，從而嚴重影響這一方案的可靠性和實 用性 1、就圖像處理和場景理解而言，通過針孔投影模型(僅脊椎動物使用)將3D世界 投影到2D圖像平面上，使得運動分析自身表現出病態性，比如，旋轉和移動以一種無法分 解的方式混合在一起，這給實現有效可靠的機器人導航帶來了困難。 2、就運動控制而言，由于攝像機的運動而造成的視角變化，頭部攝像機這種布置 方式引入了更多的不確定性。環境的變化與機器人的運動在光流上混合起來，而光流是機 器人運動控制的關鍵信息。 3、就行為協調而言，當今方法需要維持一個集中的行為網絡，以形成反射行為。困
難在于，各種行為交織在一起，使得網絡的改動和行為結果的預測都很困難。 4、就路徑規劃而言，當前的方法通常是在可視路標的基礎上從地理環境中抽象出
拓撲地圖，規劃則在拓撲地圖上進行。規劃所得的路徑又要轉換回幾何空間中，以完成實時
控制。這使得規劃與控制的連接相當復雜。 5、就任務制定而言，從視覺傳感器中發現語義對實時應用而言是很復雜的，為了 表示和解釋語義，一個任務級的規劃需要大量的計算和存儲空間。 因此將這樣的集中智能機器人或智能車廣泛應用于我們的日常生活中，無論是從 可靠性還是經濟性考慮，在目前技術水平下都是非常不切實際的。為此一些通過人為改變 環境以降低集中處理難度的導航技術被應用于實際中，如激光引導和磁軌引導的自動導引 車，但目前這些方案只能工作于相對固定的簡單環境中，如工廠生產線間的部件搬運。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種基于分布式視覺傳感網絡的移動導航系 統。 為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案。 —種基于分布式視覺傳感網絡的移動導航系統，包括視覺網絡系統，移動物體；所 述視覺網絡系統主要由多個視覺傳感器通過無線或有線網絡相連構成，用以提供一個智能 環境；所述移動物體帶有可以同所述視覺網絡系統通信的控制盒，由所述視覺網絡系統控 制運動。 作為本發明的一種優選方案，所述視覺傳感器包括攝像頭，微處理器；所述攝像頭
用以攝取視頻信息；所述微處理器用以對所述視頻信息進行的實時的光流提取，背景圖像的
變化監測，侵入物體監測，確定運動實體，輸出具有實體標記的或有語義的目標運動信息。
作為本發明的另一種優選方案，所述攝像頭為CMOS攝像頭或閉路監控攝像頭；所
述攝像頭設有嵌入式軟件引擎，所述嵌入式軟件引擎包括路由模塊，視覺感知模塊，運動行
為控制模塊；所述路由模塊用以接收所述移動物體發來的關于目的地方向的詢問信息，通
過多跳詢問路由表確認到往目的地的支路；所述視覺感知模塊用以實現所述移動物體及侵
入目標的識別與跟蹤；所述運動行為控制模塊用以實時響應視覺感知模塊，動態調整運動
路徑，以獲得無碰撞、符合運動約束、具有最短到達時間的安全驅動控制。 作為本發明的再一種優選方案，所述視覺網絡系統為分布式視覺網絡系統。 作為本發明的再一種優選方案，所述視覺傳感器通過一系統配置軟件模塊定義易
于處理的傳感器語義信息，所述系統配置軟件模塊使視覺傳感器方便可靠地完成導航路
由、目標及障礙物的視覺監測、運動路徑規劃和運動控制。 作為本發明的再一種優選方案，所述移動物體為移動車。 本發明的有益效果在于它通過建立智能環境，實現了無智能小車在大范圍陌生 環境中的導航，不僅可靠性高，而且經濟實用。


圖1為本發明的無線分布式智能環境示意圖；
圖2為本發明的節點元數據模型圖；
圖3為本發明的嵌入式節點類圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步詳細說明。 本發明受具有較低智能水平的昆蟲啟發，采用無線分布式復眼支持無智能移動物 體導航。通過一個由無線傳感器網絡實現的分布式智能環境，獲得移動物體的運動信息以 及相關環境信息，通過分布式知識推理主動激活運動的行為序列。由于這一方案將傳統自 主移動機器人進行感知與決策時所面臨的環境不確定性難點轉移給環境，因此從單一視覺 傳感器角度觀察的不確定性在環境中卻可以局部地(如針對該傳感器的某一區域)清晰地 描述出來。因此，通過分布于環境的分布式傳感器以及相關的分布式知識描述可以極大地 減輕沉重的集中智能的實現負擔，與傳統的自主式機器人不同，移動物體將從環境中被動
4地接受易于解釋和理解的信息完成導航任務，而不是進行自主的環境推理。
實施例一 —種基于分布式視覺傳感網絡的移動導航系統，包括視覺網絡系統，移動物體；所 述視覺網絡系統主要由多個視覺傳感器通過無線或有線網絡相連構成，用以提供一個智能 環境；所述移動物體帶有可以同所述視覺網絡系統通信的控制盒，由所述視覺網絡系統控 制運動。 所述視覺傳感器包括攝像頭，微處理器；所述攝像頭用以攝取視頻信息；所述微 處理器用以對所述視頻信息進行的實時的光流提取，背景圖像的變化監測，侵入物體監測， 確定運動實體，輸出具有實體標記的或有語義的目標運動信息。 所述攝像頭為CMOS攝像頭或閉路監控攝像頭；所述攝像頭設有嵌入式軟件引擎， 所述嵌入式軟件引擎包括路由模塊，視覺感知模塊，運動行為控制模塊；所述路由模塊用以 接收所述移動物體發來的關于目的地方向的詢問信息，通過多跳詢問確認到往目的地的支 路；所述視覺感知模塊用以實現所述移動物體及侵入目標的識別與跟蹤；所述運動行為控 制模塊用以實時響應視覺感知模塊，動態調整運動路徑，以獲得無碰撞、符合運動約束、具 有最短到達時間的安全驅動控制。 所述視覺傳感器通過一系統配置軟件模塊定義易于處理的傳感器語義信息，所述 系統配置軟件模塊使視覺傳感器方便可靠地完成導航路由、目標及障礙物的 視覺監測、運 動路徑規劃和運動控制。所述移動物體為移動車。
實施例二 本實施例的系統總體框圖如圖1所示，包括以下四個部分 1、在導航環境中安裝分布式視覺傳感器。該視覺傳感器可以是一個專用的CMOS 攝像頭或利用原有閉路監控攝像頭， 一個微處理器對視頻信息進行實時的光流提取，背景 圖像的變化檢測，侵入物體檢測，確定運動的實體，并輸出具有實體標記的/有語義的目標 運動信息。該視覺傳感器通過無線或有線網絡與其它視覺傳感器通訊構成一個分布式視覺 網絡。 2、由分布式視覺網絡無線控制的移動車。移動車具有很少的車載計算能力，僅具 有簡單的急停和避障能力，而運動控制由控制當前區域的視覺傳感器通過無線通訊協調完 成。 3、一個系統配置軟件離線生成并配置各視覺傳感器，為基于分布式視覺的導航 提供預設的語義。通過對下載至各視覺傳感器的配置信息進行在線解釋，視覺網絡節點 可方便可靠地完成小車路由、目標及障礙物的視覺檢測、運動路徑規劃、和運動控制，兼顧 了全局和局部兩方面的控制要求。配置軟件生成的各視覺傳感器語義信息定義見圖2，其 中"*"表示多個，"1"表示1個，如一個攝像機畫面上有多個通道(Passage)。該語義信 息定義了視覺網絡節點(Node)的拓撲結構關系，分支路徑(Branch)中定義與各節點相 連的分支路徑信息，包括支路名、相鄰節點名、一個基于Bloom Filter的分支路由表，該 路由表中壓縮預存了由該支路可到達的目的地名表，由配置軟件離線計算獲得，因此避免 了在線路徑規劃，小車路由通過無線詢問鄰近視覺節點完成，因此每一個攝像機可能具有 多個Bloom Filter，對應于多個分支的路由信息。同時語義信息定義了每個視覺傳感器 的圖像語義(Camera)，包括圖像空間到地理空間的坐標變換(Homogr即h)，用于基于視覺的空間目標定位與小車控制；與其他攝像機重疊區域(Overlap)的標示(Region)，用于多 攝像機在該區域檢測到目標后的任務協調和信息融合；圖像中通道區域(Passage)的標 示(Region)將傳感器拓撲關系(Branch ID)與圖像區域聯系起來，實現基于圖像的直接 導航；同時圖像平面中通道的無窮遠處的聚集點被定義在消失點(Vanish Point)，用以支 持小車沿通道運動的視覺反饋控制；各網絡節點包含一個小車運動協調控制的行為網絡 (Behavior Network)，用以定義在該節點觀測控制下小車的運動行為(Behavior)和行為切 換(Transition)，支持小車的局部反應動作、目標趨向動作、相鄰攝像機運動協調與控制權 切換。所生成的配置數據為每個攝像機提供了清晰的決策輔助信息和導航控制信息，降低 了環境的不確定性，兼顧了全局與局部導航功能。 4、實時攝像機導航控制。由處于各視覺傳感器中的嵌入式軟件引擎完成，它包括 三個組成部分路由(Routing)模塊、視覺感知(Sensing)模塊、運動行為控制(Behavior Execution)模塊，如圖3所示。這一嵌入式軟件引擎用以檢測當前圖像中的目標、與相鄰節 點通訊協調、并基于節點中的配置數據控制小車完成導航任務。其中路由(Routing)模塊 接收由小車發來的關于目的地方向的詢問信息，而后將在配置數據中的分支Bloom Filter 里查找匹配目標，通過多跳詢問，確認到往目的地的支路。視覺感知(Sensing)模塊采用一 個基于后驗估計的以色彩直方圖為特征的模式匹配與跟蹤方法實現小車及侵入目標的識 別與跟蹤。運動行為控制(Behavior Execution)模塊采用了柔性蛇算法，實時響應視覺感 知結果，協調由Bloom Filter獲得的可達到目的地的相鄰節點，動態調整運動路徑，以獲得 無碰撞、符合小車運動約束、具有最短到達時間的安全驅動控制。 當前自主機器人導航通常都依賴一個復雜的集中"大腦"，由于智能技術和生產 成本方面等原因，能夠在一般場合自主導航移動的智能機器人距商業應用還有相當長的距 離。基于本發明建立智能環境，可實現無智能小車在大范圍陌生環境中的導航。例如一輛 普通輪椅經過簡單改裝，并增加一個廉價的可同無線攝像機網絡通信的控制盒，就可實現 大范圍、可靠的導航。這樣的智能環境特別適合于老齡/殘障人群集中地區的應用，如醫 院、康復中心、老人公寓中，從而避免進行大量昂貴智能輪椅的投入。 本發明通過建立智能環境，實現了無智能小車在大范圍陌生環境中的導航，不僅 可靠性高，而且經濟實用。 這里本發明的描述和應用是說明性的，并非想將本發明的范圍限制在上述實施例 中。這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領域的普通技術人員來說實 施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領域技術人員應該清楚的是，在不脫離本發明 的精神或本質特征的情況下，本發明可以以其他形式、結構、布置、比例，以及用其他元件、 材料和部件來實現。
權利要求
一種基于分布式視覺傳感網絡的移動導航系統，其特征在于，包括視覺網絡系統，主要由多個視覺傳感器通過無線或有線網絡相連構成，用以提供一個智能環境；移動物體，帶有可以同所述視覺網絡系統通信的控制盒，由所述視覺網絡系統控制運動。
2. 根據權利要求1所述的基于分布式視覺傳感網絡的移動導航系統，其特征在于，所 述視覺傳感器包括攝像頭，用以攝取視頻信息；微處理器，用以對所述視頻信息進行的實時的光流提取，背景圖像的變化監測，侵入物 體監測，確定運動實體，輸出具有實體標記的或有語義的目標運動信息。
3. 根據權利要求2所述的基于分布式視覺傳感網絡的移動導航系統，其特征在于所述攝像頭為CMOS攝像頭或閉路監控攝像頭；所述攝像頭設有嵌入式軟件引擎，所述嵌入式 軟件引擎包括路由模塊，用以接收所述移動物體發來的關于目的地方向的詢問信息，通過多跳詢問 路由表確認到往目的地的支路；視覺感知模塊，用以實現所述移動物體及侵入目標的識別與跟蹤；運動行為控制模塊，用以實時響應視覺感知模塊，動態調整運動路徑，以獲得無碰撞、 符合運動約束、具有最短到達時間的安全驅動控制。
4. 根據權利要求1所述的基于分布式視覺傳感網絡的移動導航系統，其特征在于所 述視覺網絡系統為分布式視覺網絡系統。
5. 根據權利要求1所述的基于分布式視覺傳感網絡的移動導航系統，其特征在于所 述視覺傳感器通過系統配置軟件模塊定義易于處理的傳感器語義信息，所述系統配置軟件 模塊使視覺傳感器方便可靠地完成導航路由、目標及障礙物的視覺監測、運動路徑規劃和 運動控制。
6. 根據權利要求1所述的基于分布式視覺傳感網絡的移動導航系統，其特征在于所 述移動物體為移動車。
全文摘要
本發明公開了一種基于分布式視覺傳感網絡的移動導航系統，包括視覺網絡系統，移動物體；所述視覺網絡系統主要由多個視覺傳感器通過無線或有線網絡相連構成，用以提供一個智能環境；所述移動物體帶有可以同所述視覺網絡系統通信的控制盒，由所述視覺網絡系統控制運動。本發明通過建立智能環境，實現了無智能小車在大范圍陌生環境中的導航，不僅可靠性高，而且經濟實用。
文檔編號G05D1/00GK101739027SQ20091019972
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月1日 優先權日2009年12月1日
發明者成季剛, 朱勁, 王曉年, 程宇, 蔣平 申請人:蔣平