基于激光與視覺的機器人定位目標方法研究

靳若硯+王金祥

摘 要：本文研究的內(nèi)容是在移動機器人靜止的情況下通過CCD攝像頭和激光測距傳感器獲取運動目標信息，通過對獲得數(shù)據(jù)信息的處理、融合與分析，得出運動目標的方位與距離信息，從而定位目標。實驗采用了VC++6.0開發(fā)平臺，利用開源計算機視覺庫OpenCV在機器人上驗證本方法，實驗結果表明本方法能夠正確地、實時有效地定位環(huán)境中的運動目標。

關鍵詞：移動機器人；CCD攝像頭；激光測距；定位目標

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.209

1 研究的現(xiàn)狀及意義

運動目標定位和跟蹤是機器人研究領域的熱門方向。在現(xiàn)實場景下，運動目標的定位和跟蹤可以應用在軍事、民用、醫(yī)療等諸多方面，由于該研究內(nèi)容有著廣泛的應用前景，愈來愈受到人們的關注。

現(xiàn)階段，運動目標檢測所采用的算法主要有幀差法，以及基于幀差法的改進算法，例如背景差法，三幀差法等。而確定運動目標的具體距離位置，則需要在此基礎上增加其他可以測量距離的傳感器，從而獲得運動目標在當前空間中的實際坐標位置，進而可以定位運動目標，為目標特征的提取與運動目標的跟蹤打下良好的基礎。

2 基于CCD攝像頭的運動目標定位

由于視覺能獲取更多的數(shù)據(jù)量，所以選用了攝像頭作為傳感器。利用CCD攝像頭捕獲到環(huán)境中的實時圖像，之后對獲取到的實時圖像數(shù)據(jù)進行處理。對每一幀圖像進行預處理，包括閉運算，去噪等， 減少由于實驗結果造成的誤差。對攝像頭獲取的視頻圖像采用連續(xù)幀差、二值化處理獲得運動目標的輪廓信息，幀差法是在靜止環(huán)境中檢測運動目標的簡潔而有效的方法。

然而，實驗結果表明由幀差法得到的圖像， 容易受到環(huán)境中物體運動帶來的灰塵光線的影響， 幀差的結果比實際運動的物體大，而且輪廓不明顯，時而會出現(xiàn)“鬼影”現(xiàn)象。本文中采用兩幀差方法改進算法，采用了三幀差法。三幀差法可以有效避免環(huán)境帶來的影響。具體是選取圖像序列中的連續(xù)三幀圖像， 對每一幀圖像進行預處理， 分別計算相鄰兩幀圖像的差值；在每一個像素點， 將得到的兩個二值圖像邏輯相“與“，得到三幀圖像的中間幀的二值圖像，這樣初步解決了運動目標方向信息，為精確定位提供依據(jù)。

3 基于激光測距傳感器的運動目標定位

通過CCD攝像頭可以檢測到運動目標或者定位目標，但是， 卻不能得到目標的具體位置信息，不能得到目標在三維空間中的坐標。而采用激光測距傳感器， 則可以建立空間坐標系， 得到目標物體相對于當前機器人的位置信息。

本文的實驗采用的是上海廣茂達公司的能力風暴AS-RII智能輪式機器人，該機器人上的激光測距傳感器可以感知到其前方0到180度范圍內(nèi)的環(huán)境，實驗中將激光采集到的數(shù)據(jù)放在數(shù)組中，并在該數(shù)組中設置181個元素。本文采用了均值濾波的去噪方法來減少激光產(chǎn)生的噪聲，然后對去噪后的距離信息進行處理有效處理，可以獲得運動目標的方位與距離信息。

4 多傳感器融合目標定位

采用視頻傳感器雖然可以大致檢測出目標的運動區(qū)域，但難以保證目標定位的實時性與準確性，因此運用多個傳感器信息融合的方法進行目標定位可以很好地克服這一缺陷。

多傳感器目標檢測的過程如圖4-1所示。

首先將單個傳感器獲取到的數(shù)據(jù)進行預先處理，然后通過多傳感器融合算法將目標數(shù)據(jù)融合處理。分析CCD傳感器得到位置信息與激光測距儀獲取的方位信息一致時，且能維持在5s內(nèi)的時間一致時我們認為方向定位正確，此時方位上的距離機器人較近的距離信息可以記錄為運動目標到機器人的距離信息。下圖4-2說明了機器人與運動目標（圖中的運動人）的關系。

圖中C點為CCD攝像頭在直角坐標系平面上的投影點，置于機器人的前端A點為激光傳感器的激光發(fā)射點。其中C點距地面52cm，A點距離地面37cm，AC=16cm，激光發(fā)射角度為[00，1800]，B是運動目標的中心， O是輪式機器人的中心。

運動目標區(qū)域的數(shù)據(jù)信息包括距離信息和角度信息。假設CCD攝像頭采集到的圖像經(jīng)預處理后得到的目標角度分別是C點到運動人左右邊界的切線。同理可知，激光傳感器的檢測角度為此方向距離較近。獲得二者的檢測數(shù)據(jù)后，需要對兩個傳感器進行綜合定位，最終在視頻圖像中表示出目標的正確運動區(qū)域。

5 實驗分析與總結

在實驗中，通過多傳感器的信息融合，從而確定運動目標的位置與距離信息。視頻圖像中采用紅色邊框框出運動目標區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)用綠色的短橫線表示出激光傳感器感知到的方位信息。在此方位上的較短距離信息為機器人與目標的距離信息。在AS-R平臺上實驗表明，通過對多個傳感器獲取到的信息進行科學合理地融合處理，實現(xiàn)了運動目標的定位。通過信息融合的方法定位正確，效率高，魯棒性好。

作者簡介：靳若硯（1996-），女，山西太原人，本科。endprint