一種基于視覺的輪式移動機器人快速目標跟蹤方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于輪式移動機器人視覺控制領域，尤其是涉及一種基于視覺的輪式移動 機器人快速目標跟蹤方法。
【背景技術】
[0002] 輪式移動機器人作為移動機器人中一種最常見的機器人，無論是在日常生活中還 是搶險救災、國防科技等其他高科技領域中，都有著許多實際應用。輪式移動機器人可以采 用自主或者半自主的方式運動，是集環境感知、動態決策與規劃、行為控制等功能于一體的 綜合系統。近年來，輪式移動機器人一直朝著自主化、智能化的方向發展，取得了很多研究 成果，其中一個重要的分支就是視覺化的研究。隨著各類傳感器的發展，特別是視覺傳感 器的發展，為機器人向著視覺化、智能化發展提供了強有力的硬件基礎。
[0003] 目前，對于輪式移動機器人的研究都圍繞著目標識別與跟蹤、視覺測距與運動學 控制展開。目標識別與跟蹤，尤其是動態背景下的目標檢測與跟蹤一直是視覺領域的難點。 視覺測距分為單目測距以及雙目測距等，其中雙目測距的難點在于算法復雜度高以及特征 點匹配，所以研究重點集中在如何降低算法復雜度以及如何快速有效地匹配特征點；單目 測距因結構簡單、運算速度快而具有廣泛的應用。
[0004] 因此，目標跟蹤、單目測距及運動控制等問題都影響著輪式移動機器人的自主化、 智能化水平，研究如何讓移動機器人自主地、智能地尋找并跟蹤目標，具有重要的理論價值 和實際意義。
【發明內容】
[0005] 發明目的：本發明旨在提出一種基于視覺的輪式移動機器人快速目標跟蹤方法。
[0006] 技術方案：一種基于視覺的輪式移動機器人快速目標跟蹤方法，具體步驟如下：
[0007] 步驟（1):啟動攝像頭實時采集圖像，對每一幀圖像先進行灰度化、高斯濾波，將 物體表面的紋理模糊化，然后應用霍夫圓變換，檢測灰度圖像中的圓形目標；
[0008] 步驟⑵：將步驟⑴中檢測出的圓形目標定為待選目標，再通過顏色特性從待選 目標中篩選出符合目標物體顏色的圓形目標；
[0009] 步驟（3):獲取步驟⑵中符合目標物體顏色的圓形目標在圖像上的圓心坐標值 以及半徑，將分割線實時顯示在監控圖像上以確認所述圓形目標是否被準確識別；
[0010] 步驟（4):將步驟（3)中所得的圓心坐標值及半徑代入坐標變換器，得到當前目標 與輪式移動機器人本體之間的位姿差。
[0011] 步驟（5):根據步驟⑷中的位姿差，采用環狀運動跟蹤目標，并確定輪式機器人 環狀運動的半徑，進而確定輪式機器人左右輪的速度比，給出實際所需的左右輪速，控制機 器人帶動攝像頭跟蹤目標。坐標變換器的原理是單目測距系統，將圖像上的坐標換算成三 維空間中的坐標。位姿差為位置跟姿態的差。
[0012] 進一步的，在所述步驟（2)中，將形狀作為首要特征，再將顏色作為檢驗特征。
[0013] 進一步的，在所述步驟（2)中，還包括在執行任務之前的顏色學習：將攝像頭所得 的BGR圖像轉化為YUV模型，對U、V兩個分量做直方圖，來確定目標物體的U、V閾值。YUV 模型是一種數字圖像儲存格式，其中Y為亮度信號，UV為兩種色差信號，分別代表藍色與亮 度的比例和紅色與亮度的比例。
[0014] 進一步的，在所述步驟（4)中，坐標變換器用于將圖像坐標轉化為空間坐標，即單 目測距，在單目測距時需滿足以下假設條件：球形目標在地面任意方向滾動都能引起形心 在圖像中的變化，此假設條件限定了攝像頭安裝的位置必須在Z= 0平面以外，同時也保證 了矩陣（Γιr2t)的可逆性；將步驟（3)中所得的圓心坐標值代入以下方程：
[0016] 其中，s是比例因子，（u，v)是目標形心在圖像上的坐標值，是攝像頭的可 逆內參矩陣，是攝像頭的外參旋轉矩陣，t 是攝像頭的外參平移向量，（X，Y， Z)是球形目標形心在世界坐標系下的坐標，由于圓球在平面滾動時Z值不變，所以令Z= 0,R=(Ar2r3)，得到以下方程：
[0018] 進一步的，在所述步驟（5)中所設計的環狀運動，令機器人以（r，0)為圓心，|r|為 半徑做環狀運動，r滿足：
[0020] 其中（X，Y)是球形目標形心在世界坐標系下的坐標，1是完成跟蹤任務時質心與 目標的距離。
[0021] 進一步的，在所述步驟（5)中左右輪的速度（Vpvr)比為：
[0022]
[0023] 其中，d是兩輪距離的一半。
[0024] 有益效果：本發明由圖像目標識別、單目測距和輪式移動機器人運動學目標跟蹤 三部分組成。輪式移動機器人通過單目式攝像頭實時采集機器人前方的視覺信息，根據目 標物體的形狀與顏色特性篩選出目標物體；準確識別出目標后，通過對攝像頭的標定與測 量獲得攝像頭的內外參數，再結合目標物體質心的圖像坐標，還原出目標的空間坐標信息； 根據目標的空間坐標設計跟蹤算法，使得機器人能有效、快速地跟蹤目標。相對于現有技 術，本發明簡單易行，對硬件環境要求不高，跟蹤精度較高，不會出現因自身運動而造成的 目標丟失問題。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發明輪式移動機器人的控制原理圖；
[0026] 圖2是本發明輪式移動機器人及其坐標系示意圖；
[0027] 圖3是本發明輪式移動機器人運動算法流程圖；
[0028] 圖4是本發明輪式移動機器人環狀運動示意圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面將結合附圖，對本發明的實施案例進行詳細的描述。
[0030] 本發明適用于帶有單目攝像頭的輪式移動機器人控制系統，其中包括圖像識別系 統、計算機視覺系統和機器人運動控制系統，整體運作原理圖如圖1所示，整個系統從攝像 頭到圖形采集卡再到圖形處理器為圖像處理部分，其功能是將外界的信息通過視覺傳感器 采集進入系統；計算機視覺系統的功能是將視覺傳感器采集到的圖像信息轉化為世界坐標 系下的位姿信息，如圖2所示；運動控制系統根據計算機視覺系統所得的當前目標位姿與 給定目標位姿相比較之后得到目標位姿差，按照圖3中的算法，控制輪式移動機器人跟蹤 運動直至跟蹤上目標，如圖4所示。
[0031] 在具體實例中，本發明具體步驟如下：
[0032] 步驟（1):首先，啟動攝像頭實時采集圖像，對每一幀采集所