[发明专利]一种球形机器人视觉定位系统及视觉定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及机器人定位导航领域，特别涉及一种球形机器人视觉定位系统及视觉定位方法

背景技术

球形机器人是指一类将运动执行机构、传感器、控制器、能源装置都内置于一个球形壳体内部、利用球形外壳作为滚动行走装置的系统的总称。与轮式，足式和履带式的机器人相比，具有结构新颖，运动灵活和效率高的特定，在军事、民用和工业领域有广泛的应用前景。

球形机器人的定位问题是实现球形机器人智能化的一个关键问题。目前球形机器人主要采用惯性导航系统、里程计、GPS等方式进行定位，但是惯性导航系统需要通过积分来得到位移和角度，存在时间漂移误差；里程计由于球面滑动，跳跃等因素，将产生累计误差，同时球形机器人平台不稳定，难以找到合适的搭载里程计的位置；GPS精度不高，室内无法使用。

目前视觉定位是研究热点，是未来机器人导航定位的一个方向，其具有信息量大、感应时间短的特点，可以通过获取周围环境位置的变化，得到机器人精确的机器人运动和姿态。球形机器人利用视觉定位还可以克服由于球面滑动，跳跃等采用内部传感器定位造成的累计误差。但是目前在球形机器人上采用视觉定位的研究成果以及在球形机器人上搭载完整的视觉定位系统基本没有，主要是球形机器上采用视觉定位存在不少问题：

1、视觉定位算法复杂、计算量大，球形机器人的处理系统难以进行实时处理。

2、球形机器人外面是封闭球壳，相机透过球壳采集图像质量很差甚至无法采集图像。

3、相机安装困难，通常的安装位置会使相机随球360度转动

4、球形机器人平台不稳定，相机坐标系相对与机器人坐标系会不断变化，导致定位不准。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有球形机器人导航的技术不足，提出一种精度高、实时性好的球形机器人视觉定位系统及视觉定位方法。

本发明的采用如下技术方案：

一种球形机器人视觉定位系统，包括双目视觉系统、一维陀螺仪、球形机器人本体、核心控制系统、无线通信模块。

本发明中，所述的视觉定位系统的球形机器人本体设计成左右两个半球壳，左右半球独立驱动，同时左右半球之间开缝设计。所述的视觉定位系统的双目视觉系统包括两个型号相同的CCD相机，其主光轴平行放置，双目相机搭载到球形机器人与重摆相连的框架上，保证球静止时，相机光轴与地面平行，并指向正前方；所述的陀螺仪安装在双目相机的正上方。定位系统通过相机和陀螺仪配合进行定位，定位算法在核心控制系统中在线实现，定位的数据通过无线通信模块进行远程传输，用户可以远程实时监控机器人的位置。

一种球形机器人视觉定位方法，包括以下步骤：

步骤1：对相机和陀螺仪距相机中心的位置进行标定。

步骤2：开启双目相机，进行左右图像连续采集，开启陀螺仪，对相机姿态进行测量。

步骤3：如果图像是第一帧，对采集的左右图像提取Shi-Tomasi特征，并利用SIFT描述符进行描述，通过立体视觉坐标转化原理，将二维图像坐标转换为三维空间坐标，利用陀螺仪对特征点的位置进行补偿，初始化旋转矩阵R、平移矩阵T，R设为单位矩阵，T元素全置零，并设当前位置为原点，重新进入步骤3；否则直接进入步骤4。

步骤4：利用KLT算法对前后两帧左图和前后两帧右图图像分别进行特征的跟踪，同时对前后两帧图像中左右图像利用极线约束条件去除误跟踪特征对，将如果跟踪特征点总数小于阈值，重新对前后帧图像进行Shi-Tomasi提取并匹配，将匹配特征点二维图像坐标转换为三维空间坐标，得到前后两帧图像的三维特征点集，并利用陀螺仪对特征点的位置进行补偿；

步骤5：利用前后两帧的三维特征点集，采用解析法并结合RANSAC算法进行运动估计，得到R和T；

其中的详细步骤如下：

5-1.对前后帧三维特征点集进行筛选，选出匹配成功的特征点，组成新的特征点集。

5-2.对于前后帧新的特征点集，随机选择3对三维特征点，通过解析法，进行一次运动估计，得到一个R和T。

5-3.判断当前R和T，能使多少对特征点成为局内点，记录局内点对数。

5-4.针对5-2、5-3，进行N次迭代，得到局内特征对数最多时候的局内特征对。

5-5.将这些特征对，重新根据解析法，进行运动估计，得到更优的R和T。

步骤6：利用卡尔曼滤波算法对R，T进行更新，并得到当前机器人在世界坐标系中的位置，返回步骤3，进行下一次计算。

本发明的优点有：