基于雙目技術的掃地機器人自主場景構造研究

黃靖然

摘 要 機器視覺是掃地機器人感知外界環境的一種重要手段，而雙目技術是掃地機器人感知外界的一個重要技術手段，雙目技術可實現對目標物體的三維重建，是適用于掃地機器人關鍵技術之一。

關鍵詞 雙目技術 導航技術 三維重建 自定位

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A

0引言

進入21世紀，隨著機器視覺、傳感器技術和人工智能等的全面發展，作為集這些技術為一體的機器人技術也取得了巨大的突破。同時，隨著生活水平的提高，人們對自動化的需求越來越大，掃地機器人作為新時代人工智能的產物，逐漸地走進人們的生活中。然而，掃地機器人設計的技術非常復雜，現階段掃地機器人的各項技術仍處于起步階段，結構設計、導航技術、控制策略等都是服務機器人所需要研究的關鍵技術，也是目前學者針對掃地機器人的研究熱點與難點。掃地機器人必須要有效地自主避障，因此導航技術是一項核心技術，在很大程度上推動者掃地機器人的發展。導航技術又可分解為三個關鍵問題，即雙目視覺技術目標定位，多傳感器融合，路徑規劃。本文就掃地機器人中的雙目視覺定位技術進行了介紹及展望。

1雙目視覺目標定位

與人類雙眼視覺系統感知過程相似，雙目視覺定位技術是指一個分別從不同的角度對同一個物體采集兩幅圖像并進行實時圖像處理從而得到該物體三維信息的過程。其基本原理是，分別從兩個不同的觀測點對同一個場景進行拍攝，獲取兩幅圖像，得到物體在兩幅圖像中的坐標信息，并通過坐標轉換分析得到該物體的三維信息。

而掃地雙目視覺目標定位就是通過在工作空間中或機器人自身上安裝的兩個攝像機對機器人場景進行拍攝，并得到目標物在左右圖像中的位置，通過坐標轉換還原到世界坐標系下，完成機器人對目標物的精確定位。一個完整的雙目視覺目標定位技術主要包括攝像機標定、目標識別、立體匹配、三維信息恢復等步驟。

根據雙目立體視覺的物理結構和成像原理可以抽取出如圖2所示的幾何關系。

則深度Z的計算公式為：

（1）

其中B為基線（baseline）的長度，表示兩個相機光心的距離；f為相機的焦距；d為視差。

2雙目技術在掃地機器人自定位上的應用

基于雙目視覺的掃地機器人自定位就是在導航的過程中，通過在機器人自身上安裝的雙目攝像頭獲得同一目標物的兩幅不同圖像，通過攝像機標定、特征提取、圖像匹配以及三維恢復等技術得到目標物距離自己位置及狀態信息。掃地器人只有準確地知道目標的位置，才能有效地進行自主運動，實現自主到達目標點，并進行清理的過程。得到精確的目標定位信息是確保服務機器人完成自主導航的重要環節。

如圖3所示，是將雙目攝像頭安裝在掃地機器人上的示意圖。將兩個攝像頭安裝在機器人兩側耳朵的位置上，攝像頭要平行放置，以確保采集到的左右圖像盡可能涵蓋相同的視角。通過張正友標定法分別得到左右攝像機內參以及外參。

如圖4所示為掃地機器人的工作流程圖。對左右攝像機獲得的兩幅圖像分別進行圖像預處理，進行雙目立體匹配。進而計算每個像素點的視差，恢復出目標物體距掃地機器人的距離及精確位置坐標，掃地機器人自主移動到目標物體附近并達到清潔的目的。

如圖5所示為機器人識別目標立方體所抽象出來的空間幾何圖。所示的工作環境為一個5mX5m的房間，半徑為20cm的圓為簡化的掃地機器人，質心在距離房間下邊緣1m，左邊緣2m處，運動方向為正前方，雙目攝像頭能獲得的最大視角為120啊1叱の？cm的正方形為簡化的立方體，質心在距離房間上邊緣1.2m，右邊緣1m處。掃地機器人在如圖所示的位置工作時，通過雙目攝像頭捕獲得圖像，經過復雜算法得到如下所示方位的數據：L1=1.732m，L2=3m，L3=4.796m，L4=1.433m，L5=0.05m，L6=0.05m，L7=1.557m，L8=0.081m，L9=2.5m，L10=2.598m。

3雙目技術的發展方向

目前，雙目技術在掃地機器人的應用主要集中在價格與性能的評估。該技術由于應用場景的局限性、長距離測量精度受限、計算復雜度高，算法實現難度大等問題的存在，今后的發展方向應從以下幾個方面考慮：

（1）進一步改進算法，在降低復雜度的同時，保證圖像匹配的精度。

（2）實現一上電就可以自標定，即將攝像機的標定程序固化到掃地機器人的系統中。為了提高測量的精度和準確度，還可以采用變焦的攝像機。

（3）雙目技術的應用場景很多，而不僅僅是在掃地機器人自定位方面。針對不同的需求，設計出符合特定要求的立體成像系統。可以用于三維重建、工業檢測、生物醫學、虛擬現實等領域，還有可能應用于航天遙測、軍事偵察等。

4結語

隨著當今社會自動化水平的飛速提高，掃地機器人在自動化行業中逐漸嶄露頭角，顯示出眾多的優勢，智能化是如今服務業的重點發展方向之一，而雙目視覺技術作為機器人智能化技術中的關鍵成員，得到了極大的關注。雙目視覺通過模仿人眼來感知三維世界，隨著這項技術的不斷發展及實用化，將在智能機器人、軍事監測、工業產品檢測等領域得到很好的應用，對雙目視覺技術展開研究，既有理論意義，也對實際生活、生產有深遠的意義。

因此，研究更高水平的智能化算法并將其引入掃地機器人導航技術中以提高機器人智能化水平是未來的一個研究趨勢。

參考文獻

[1] 戴宗賢.基于雙目視覺的三維重建與測量技術研究[D].重慶：重慶大學，2014.

[2] 吳若鴻.基于特征匹配的雙目立體視覺技術研究[D].武漢：武漢科技大學，2010.