[发明专利]一种室内移动机器人双目视觉定位与三维建图方法

说明书

技术领域

本发明属于室内移动机器人技术领域，涉及一种室内移动机器人双目视觉定位与三维建图方法。

背景技术

室内移动机器人研究的第一个重点就是环境感知问题，而传感器是机器人获取环境信息的重要手段。移动机器人携带的传感器种类繁多，其中与定位有关的可分为两类：内部传感器和外部传感器。内部传感器是指用于感知机器人自身位置、运动参数的传感器，如陀螺仪、光电码盘、多普勒仪等，这些传感器可以用来实现机器人的自身位置估计。其中，基于光电码盘和航迹推算法的机器人里程计因其价格低廉、采样速率高、短距离内能够提供精确的定位精度，是移动机器人最常用的内部传感器。里程计的优点在于它是自完备的，并且总是能够给出机器人的位置信息，但它的位置误差是无界发散的，因此必须参照外部传感器进行位置校正。针对里程计的系统误差，出现了UMBmark测试校准技术来校准差分驱动的服务机器人的系统误差。该校准技术被广泛引用，成为差分驱动服务机器人系统误差校准的典范。针对非系统误差，有学者分析计算了机器人运行轨迹的里程协方差矩阵；提出了评估服务机器人里程计的系统和非系统误差的方法，系统误差采用扩展卡尔曼滤波器的方法，非系统误差采用一种新的观测滤波器。另一类传感器是感知机器人外部信息的传感器，如声纳、GPS、红外传感器、激光雷达和视觉传感器等等。这类传感器能提供独立于机器人的信息，存在系统误差但不会有累计误差，因此可以用来修正机器人的位置误差。另一方面，它们直接提供了外部环境的信息，是创建地图的信息来源。其中，声纳传感器由于价格低廉、使用简单、数据处理方便等优点得到了广泛使用，但其信息量相对较少空间分布分散，感知信息存在较大的不确定性。激光雷达的测量结果精度较高，可以直接根据测量数据进行特征提取。视觉传感器能够提供更为丰富的环境信息，但视觉数据的处理需要更多的计算，实时性不强。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于双目视觉的室内移动机器人定位和三维建图的方法，采用该方法可以充分利用视频传感器提供的丰富的环境信息，构建彩色三维环境地图。利用无线通信模块，将数据的采集和处理分开。用数据处理能力更强的处理器执行复杂的算法，进一步解决计算量大的问题，提高实时性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

室内移动机器人双目视觉定位与三维建图系统，包括以下模块：图像采集模块；FPGA模块；存储模块；USB通信模块；无线通信模块；机器人运动平台；里程计模块；其中FPGA模块与图像采集模块、存储模块、USB通信模块、无线通信模块、机器人运动平台、里程计模块相连。

基于双目视觉的室内移动机器人定位和三维建图的方法，它包含以下步骤：

(1)在远程数据处理主机中选取若干个特定标示物的图像，提取其SIFT特征，存储在远程数据处理主机中。

(2)初始化移动机器人的位置坐标为(0,0)，控制移动机器人向目标位置移动3s，控制移动机器人停止。

(3)利用FPGA读取移动机器人左右两轮的里程计信息，将其转存至存储模块中。

(4)利用FPGA控制图像采集模块采集此刻左右摄像头的图像数据，将其转存至存储模块中。

(5)利用FPGA控制无线通信模块，将存储模块中的本次采集的里程计数据和左右图像数据传给远程数据处理主机中，传输完成后，清除存储模块中的数据。

(6)通过左右两幅图像的信息利用快速置信度传播(FastBeliefPropagation)算法得到图像和机器人间的距离信息，在远程数据处理主机中构建三维的环境地图；

(7)利用改进的SIFT算法对图像快速提取关键特征点，并与远程数据处理主机中存储的特定标示物图像特征点信息进行比对，实现图像的识别；

(8)根据里程计采集的运动信息、特定标示物的坐标位置、机器人与特定标志物的距离信息采用粒子滤波的方法确定移动机器人的位置。

进一步，所述图像采集模块具有模拟视频信号解码和A/D转换功能。

进一步，所述的图像采集模块，该模块主要采集左右两个模拟摄像头的PAL信号，并进行视频信号的解码和A/D转换，并把A/D转换后的数字信号传递给FPGA模块。

进一步，所述的FPGA模块，该模块主要功能

a.发送控制信号，控制图像采集模块数据采集的方式，启停等，并接收采集的数据，将其转存到存储模块中；

b.采集里程计模块中里程计所记录的数据,将其转存到存储模块中；

c.发送控制信号给机器人运动平台，控制其运动；