專利名稱：自主林業機器人目標跟蹤方法
技術領域：
本發明涉及 一種機器人目標跟蹤技術，尤其涉及一種自主林業機器人目標跟蹤方法。
背景技術：
自主作業型林業機器人屬于特種機器人的一種，其研究日益引人注目，這主要是 由于林區這個特定的環境所決定的。自主林業機器人在作業過程中希望作業目標始終位于 林業機器人視覺系統的圖像中心位置或附近區域。由于目標和林業機器人都可能出于運 動狀態，所與林業機器人作業目標相對機器人而言處于運動狀態，并且作業目標的形狀大 小都不確定，為了保證作業目標始終位于林業機器人視覺系統的圖像中心位置或者附近區 域，需要實時檢測運動目標，計算目標的中心坐標，并根據目標中心坐標與圖像中心位置的 差別實時調整云臺的方向和角度。現有技術中，由于檢測的目標具有不確定性，尤其當運動的目標較復雜，不易于進 行圖像顏色，形狀的描述時，目標在圖像視頻序列中的實時檢測則有一定困難；同時云臺的 實時自適應控制算法鮮見報道。
發明內容
本發明的目的是提供一種能使自主林業機器人在作業過程中，始終使作業目標位 于林業機器人視覺系統的圖像中心位置或附近區域的自主林業機器人目標跟蹤方法。本發明的目的是通過以下技術方案實現的本發明的自主林業機器人目標跟蹤方法，該方法應用于包括計算機視覺、數字控 制云臺和中央控制計算機的自主林業機器人的目標跟蹤，包括運動目標檢測部分和云臺實 時運動控制部分；所述的運動目標檢測部分包括圖像預處理模塊、多幀差分法的運動信息獲取模 塊、運動目標判別模塊、目標中心坐標計算模塊；所述圖像預處理用于對多幀圖像進行圖像濾波、圖像灰度化和圖像分段線性分段 變換；所述多幀差分法的運動信息獲取模塊首先對所有圖像進行兩兩差分，并對每一差 分圖像進行圖像分割，然后對分割后的差分圖像進行累積求和，獲得運動目標信息；所述運動目標判別模塊根據設定的閾值來判斷是否存在運動目標； 若存在運動目標，則所述目標中心坐標計算模塊記錄目標的外接矩形及目標中心 坐標；所述云臺實時運動控制部分控制所述目標的中心位于圖像中心的附近區域。由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明實施例提供的自主林業機器人目 標跟蹤方法，由于包括運動目標檢測部分和云臺實時運動控制部分，運動目標檢測部分檢 測運動目標信息，并記錄目標的外接矩形及目標中心坐標；云臺實時運動控制部分控制目標的中心位于圖像中心的附近區域。能使自主林業機器人在作業過程中，始終使作業目標 位于林業機器人視覺系統的圖像中心位置或附近區域。
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用 的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本 領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他 附圖。圖1為本發明實施例提供的自主林業機器人目標跟蹤任務示意圖；圖2為本發明實施例中基于計算機視覺的云臺實時控制系統結構示意圖；圖3為本發明實施例中自主林業機器人目標跟蹤整體流程圖；圖4為本發明實施例中運動目標實時檢測流程圖；圖5為本發明實施例中云臺實時運動控制流程圖。
具體實施例方式下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整 地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本 發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施 例，都屬于本發明的保護范圍。下面將結合附圖對本發明實施例作進一步地詳細描述。本發明的自主林業機器人目標跟蹤方法，該方法應用于包括計算機視覺、數字控 制云臺和中央控制計算機的自主林業機器人的目標跟蹤，其較佳的具體實施方式
是包括運動目標檢測部分和云臺實時運動控制部分；所述的運動目標檢測部分包括圖像預處理模塊、多幀差分法的運動信息獲取模 塊、運動目標判別模塊、目標中心坐標計算模塊；所述圖像預處理用于對多幀圖像進行圖像濾波、圖像灰度化和圖像分段線性分段 變換；所述多幀差分法的運動信息獲取模塊首先對所有圖像進行兩兩差分，并對每一差 分圖像進行圖像分割，然后對分割后的差分圖像進行累積求和，獲得運動目標信息；所述運動目標判別模塊根據設定的閾值來判斷是否存在運動目標；若存在運動目標，則所述目標中心坐標計算模塊記錄目標的外接矩形及目標中心 坐標；所述云臺實時運動控制部分控制所述目標的中心位于圖像中心的附近區域。所述多幀差分法的運動信息獲取模塊獲得運動目標信息包括步驟A、圖像差分計算對視頻圖像序列以及采樣速率進行設置，以適用于準確提取不 同運動速率的目標；B、差分圖像的閾值分割針對每一個差分圖像進行閾值分割，得到二值圖像；C、對所有二值圖像進行求和，定位持續運動的區域，得到運動目標邊界信息。 所述步驟A中，默認設置為每組圖像序列η = 3幅灰度圖片，采樣速率為0. 2s。即每200ms秒采集一幀圖片，共連續 獲取3幀圖片為一組，利用3幅圖像進行兩兩差分運 算，得到差分圖像共= 3* (3-1)/2幅；所述步驟B中，利用最大類間方差閾值法計算得到分割閾值，具體是利用隨機閾 值將像素灰度分成兩類，這兩類灰度均值距離最遠的閾值為最佳分割閾值；所述步驟C中，對于求和后的圖像，利用數學形態學的先腐蝕后膨脹的處理方法 去除噪聲和干擾點，獲得運動目標的邊界信息。所述設定的閾值為運動目標的面積閾值；所述目標中心坐標為目標圖像的一階矩和零階矩的比值。所述云臺實時運動控制部分根據所述目標中心坐標控制數字控制云臺的水平、垂 直兩個方向的角度調整度量，并構成閉環控制系統。所述云臺實時運動控制部分的控制算法包括令目標的外接矩形水平方向長度為W，垂直方向長度為H，目標中心坐標為(x，y)， 圖像中心坐標為(X(l，y(1)，數字控制云臺的調整步驟如下D、計算目標中心與圖像中心位置差別(Δχ, Δγ), Δχ = χ0-χ, Δ y = yQ-y ；Ε、若二-成立，則目標已經出于圖像中心或附近區域，云臺不需要調整，轉向
步驟D ；若二 -不成立，云臺需要進行調整，轉向步驟F ；F、若I Δχ| > δ，云臺水平方向調整角度Δ θχ = kxAX，其中^ 二^1^-11^，
當Δ θχ>0云臺在水平方向應該沿著逆時針方向調整，當Δ θχ<0云臺在水平方向
應該沿著順時針方向調整；若I > δ，云臺垂直方向調整角度Δ 0y = kyAy，其中
H
+1，當Δ 9y>0云臺在水平方向應該向下調整，當Δ 9y<0云臺在水平方向
應該向上調整；云臺水平、垂直兩個方向調整結束后轉入步驟D ；上式中，δ為設定的閾值。本發明主要用于自主林業機器人在林區作業時自動檢測目標，并實時調整云臺的 角度，讓林業機器人的作業目標的中心坐標始終處于圖像中心或附近區域，屬于林業智能 裝備領域。本發明的自主林業機器人，包括攝像機、數字控制云臺和控制計算機等組成的基 于計算機視覺的云臺實時控制系統的硬件支持，包括攝像機、數字控制云臺和控制計算機 等三個部分。攝像機架設在數字控制云臺上，攝像機與監控計算機通過ΙΕΕΕ1394接口相連 接，通過監控計算機實時讀取攝像機獲取的圖像，并根據本法明提出的相關算法進行圖像 處理與分析。數字控制云臺通過RS232接口與計算機連接并進行通訊，計算機通過RS232 接口向數值控制云臺發送云臺實時姿態控制命令，云臺按照控制命令改變自身的姿態實現 自主林業機器人目標跟蹤。該系統中硬件類型和硬件之間連接的接口并不局限于此。本發明具有以下優點本發明的自主林業機器人目標跟蹤方法不依賴于特定的硬件系統，使用于基于計 算機視覺的云臺實時控制系統，只要該系統包括監控計算機、數字控制云臺和攝像機，這些硬件的具體型號和接口類型并不局限于前面描述的IEEE1394接口和RS232接口，不同類型 的接口只是驅動方法不同； 本發明中自動實時跟蹤的目標通過運動目標自動檢測獲取，并不需要與目標相關 的先驗知識，比如目標大小形狀類型等。該發明的可以應用于不同作業類型的自主林業機 器人； 本發明中云臺的自適應實時控制 是一個閉環控制，控制算法能夠根據目標位置與 圖像中心的距離自適應調整云臺水平、垂直兩個方向角度調量的大小，在目標位置與圖像 中心位置較大的時候，云臺方向角度調量大，在目標位置與圖像中心位置較小的時候云臺 方向角度調量小。同時設計了一個容差余量S，并不需要目標中心與圖像中心完全重合，只 需要目標在圖像中心附近區域即可，這樣可以避免當目標已經非常接近圖像中心時云臺還 一直處于調節狀態的情況。具體實施例，如圖1至圖5所示圖1給出的林業機器人目標跟蹤任務示意圖反映了目標跟蹤具體和跟蹤過程；圖 2給出了基于計算機視覺的云臺實時控制系統結構圖，也就是實現本發明提出的一種自主 林業機器人目標跟蹤方法的硬件系統；圖3、圖4和圖5是一種自主林業機器人目標跟蹤方 法的軟件流程圖。如圖1所示，自主林業機器人目標跟蹤就是在自主林業機器人行走或者靜止的情 況下自動控制云臺的水平垂直方向的角度，讓目標始終位于圖像的中心位置或者附近區 域；如圖2所示，是一種基于計算機視覺的云臺實時控制系統，其中對攝像機、云臺監 控計算以及它們之間的接口沒有特別的要求；再參見圖1，在攝像機采集圖像及檢測到目標之后，計算目標中心坐標和圖像中心 位置的差別(Δχ，Ay)，監控計算機根據本發明提出的云臺實時運動控制方法調整云臺的 姿態，讓目標始終位于圖像的中心位置或者附近區域。如圖3所示，是自主林業機器人目標跟蹤整體流程圖，攝像機、云臺初始化分別需 要利用攝像機和云臺廠家提供的攝像機和云臺的應用程序接口函數庫中相關函數對攝像 機和云臺進行初始化，然后攝像機的應用程序接口函數庫中相關函數進行圖像采集。對采 集圖像進行處理分析，先檢測圖像中是否存在目標，若存在目標，計算目標的中心位置并判 斷目標是否在圖像中心及其附近區域，若目標中心不在圖像中心及其附近區域，根據目標 中心坐標和云臺實時控制算法調整云臺姿態，讓目標中心始終處于圖像中心及其附近區 域。如圖4所示，是運動目標檢測程序流程圖，算法詳細實現步驟包括①圖像差分計 算，可以對視頻圖像序列以及采樣速率進行設置，以適用于準確提取不同運動速率的目標。 默認設置為每組圖像序列η = 3幅灰度圖片，采樣速率為0. 2s。即每200ms秒采集一幀 圖片，共連續獲取3幀圖片為一組。利用3幅圖像進行兩兩差分運算，那么差分圖像共riM =3* (3-1)/2。②差分圖像的閾值分割，針對每一個差分圖像進行閾值分割，得到二值圖像。 利用基于最大類間方差準則計算差分圖像分割的閾值，其基本思想是利用隨機閾值Z'將 像素灰度分成兩類，使這兩類灰度均值距離最遠的Z為最佳分割閾值。③對所有經過圖像 閾值化處理后的差分圖像進行求和，定位持續運動的區域，得到運動目標邊界信息。對于求和后的圖像，利用數學形態學的先腐蝕后膨脹的處理方法去除噪聲和干擾點，最終可獲得 較理想的運動目標的邊界。如圖5所示，是云臺實時運動控制流程圖，給出了云臺姿態調整的具體過程。令 目標的外接矩形水平方向長度為W，垂直方向長度為H，目標中心坐標為(X，y)，圖像中心 坐標為(K，1)。數字控制云臺的調整算法具體實現步驟如下(1)計算目標中心與圖像
中心位置差別(ΔΧ，Δγ), Δχ = χ0-χ, Ay = y。-y。(2)若二=成立，則目標已經出
于圖像中心或附近區域，云臺不需要調整，轉向步驟α)；若二 不成立，云臺需要進
行調整，轉向步驟(3)。(3)若I Δχ| > δ，云臺水平方向調整角度Δ θχ = kxAX，其中 υ+1，當Δ θ χ>0云臺在水平方向應該沿著逆時針方向調整，當Δ θχ<0云臺在
水平方向應該沿著順時針方向調整；若I > δ，云臺垂直方向調整角度Δ 9y = kyAy，
N其中~=2—(7—11+1，當Δ 9y> O云臺在水平方向應該向下調整，當Δ ey<0云臺在水平
方向應該向上調整；云臺水平、垂直兩個方向調整結束后轉入步驟(1)。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范 圍為準。
權利要求
1.一種自主林業機器人目標跟蹤方法，該方法應用于包括計算機視覺、數字控制云臺 和中央控制計算機的自主林業機器人的目標跟蹤，其特征在于，包括運動目標檢測部分和 云臺實時運動控制部分；所述的運動目標檢測部分包括圖像預處理模塊、多幀差分法的運動信息獲取模塊、運 動目標判別模塊、目標中心坐標計算模塊；所述圖像預處理用于對多幀圖像進行圖像濾波、圖像灰度化和圖像分段線性分段變換；所述多幀差分法的運動信息獲取模塊首先對所有圖像進行兩兩差分，并對每一差分圖 像進行圖像分割，然后對分割后的差分圖像進行累積求和，獲得運動目標信息； 所述運動目標判別模塊根據設定的閾值來判斷是否存在運動目標； 若存在運動目標，則所述目標中心坐標計算模塊記錄目標的外接矩形及目標中心坐標；所述云臺實時運動控制部分控制所述目標的中心位于圖像中心的附近區域。
2.根據權利要求1所述的自主林業機器人目標跟蹤方法，其特征在于，所述多幀差分 法的運動信息獲取模塊獲得運動目標信息包括步驟A、圖像差分計算對視頻圖像序列以及采樣速率進行設置，以適用于準確提取不同運 動速率的目標；B、差分圖像的閾值分割針對每一個差分圖像進行閾值分割，得到二值圖像；C、對所有二值圖像進行求和，定位持續運動的區域，得到運動目標邊界信息。
3.根據權利要求2所述的自主林業機器人目標跟蹤方法，其特征在于所述步驟A中，默認設置為每組圖像序列η = 3幅灰度圖片，采樣速率為0. 2s。即每 200ms采集一幀圖片，共連續獲取3幀圖片為一組，利用3幅圖像進行兩兩差分運算，得到差 分圖像共IiAf = 3* (3-1)/2幅；所述步驟B中，利用最大類間方差閾值法計算得到分割閾值，具體是利用隨機閾值將 像素灰度分成兩類，這兩類灰度均值距離最遠的閾值為最佳分割閾值；所述步驟C中，對于求和后的圖像，利用數學形態學的先腐蝕后膨脹的處理方法去除 噪聲和干擾點，獲得運動目標的邊界信息。
4.根據權利要求1所述的自主林業機器人目標跟蹤方法，其特征在于，所述設定的閾 值為運動目標的面積閾值；所述目標中心坐標為目標圖像的一階矩和零階矩的比值。
5.根據權利要求1至4任一項所述的自主林業機器人目標跟蹤方法，其特征在于，所述 云臺實時運動控制部分根據所述目標中心坐標控制數字控制云臺的水平、垂直兩個方向的 角度調整度量，并構成閉環控制系統。
6.根據權利要求5所述的自主林業機器人目標跟蹤方法，其特征在于，所述云臺實時 運動控制部分的控制算法包括令目標的外接矩形水平方向長度為W，垂直方向長度為H，目標中心坐標為(x，y)，圖像 中心坐標為(X(l，y(1)，數字控制云臺的調整步驟如下D、計算目標中心與圖像中心位置差別(Δχ，Ay)，Δχ= X0-X, Δ y = yQ-y ；Ε、若
全文摘要
本發明公開了一種自主林業機器人目標跟蹤方法，該方法應用于包括計算機視覺、數字控制云臺和中央控制計算機的自主林業機器人的目標跟蹤，包括運動目標檢測部分和云臺實時運動控制部分，運動目標檢測部分包括圖像預處理模塊、多幀差分法的運動信息獲取模塊、運動目標判別模塊、目標中心坐標計算模塊，運動目標檢測部分檢測運動目標信息，并記錄目標的外接矩形及目標中心坐標；云臺實時運動控制部分控制目標的中心位于圖像中心的附近區域。能使自主林業機器人在作業過程中，始終使作業目標始終位于林業機器人視覺系統的圖像中心位置或附近區域。
文檔編號G06T7/20GK102096927SQ20111002866
公開日2011年6月15日 申請日期2011年1月26日 優先權日2011年1月26日
發明者李文彬, 羅琴娟, 闞江明 申請人:北京林業大學