[发明专利]复杂地形中星球车车轮沉陷量视觉测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及复杂地形中星球车车轮沉陷量视觉测量方法，属于星球车车轮沉陷量的测量技术领域。

背景技术

20世纪60年代，人类开始了对外星球的探测。20世纪末以来，美国、中国等对月球、火星等星球进行了探测。星球车是星球探测的主要工具，是一种复杂的移动机器人，它需要在无法预知的复杂环境中运行，因此，星球车需要许多十分具有挑战性的技术来支持。火星等星球表面存在着大量的松软土壤，星球车行走时，易造成无征兆的大量沉陷。较大的车轮沉陷会导致星球车的移动能力下降，甚至陷入土壤中无法继续行驶。沉陷成为星球车面临的一个严重的问题。

目前，较为常用的星球车车轮沉陷量估计方法为通过理论推导建立沉陷量预估的经验公式，对星球车行驶过程中的车轮沉陷量进行估计，但是这类方法是对沉陷量数值的间接估计，而无法检测出沉陷量，因此需要一种能够应用于星球车探测任务的沉陷量检测方法。有研究人员提出了利用视觉手段检测车轮沉陷量的方法，这些方法大部分是基于灰度图像对沉陷量进行检测，这些方法能够较快的计算出车轮的沉陷量，但是对灰度图像进行处理的，对光照和阴影比较敏感，测量结果精度低。通常认为沉陷量为车轮的最大沉陷深度，但是复杂地形中的车轮沉陷量并没有明确的定义。

发明内容

本发明目的是为了解决现有星球车车轮沉陷量测量过程中，对车轮沉陷量定义不明确及沉陷量测量结果精度低的问题，提供了一种复杂地形中星球车车轮沉陷量视觉测量方法。

本发明所述复杂地形中星球车车轮沉陷量视觉测量方法，它包括以下步骤：

步骤一：对星球车的车轮沉陷量进行定义，建立车轮沉陷量计算模型；

步骤二：实时采集当前轮地作用图像，对当前轮地作用图像进行车轮区域分割获得二值化图像；

步骤三：由二值化图像提取车轮区域轮廓线，再由车轮区域轮廓线提取车轮轮缘的圆轮廓与轮地作用边界；

步骤四：采用车轮沉陷量计算模型对提取获得的车轮轮缘的圆轮廓与轮地作用边界进行计算，获得星球车的车轮沉陷量。

步骤一中车轮沉陷量的定义为：对轮地作用边界上的系列点，采用最小二乘方法拟合获得地面等效平面；星球车的车轮在过其圆心沿垂直于地面等效平面方向上的下陷量为车轮沉陷量z。

车轮沉陷量计算模型为：

式中r表示车轮半径，d_OT表示车轮圆心O到地面等效平面的垂直距离，T表示车轮圆心O到地面等效平面的垂线的垂足；

以车轮圆心O作为圆点、车轮水平方向作为x轴及车轮竖直方向作为y轴建立坐标系ΣO-xy，设定地面等效平面在Oxy平面内的投影的直线方程为y＝kx+b，其中x为地面等效平面投影后直线方程的横坐标变量，y为地面等效平面投影后直线方程的纵坐标变量，k为直线方程的斜率，b为截距，轮地作用边界的数据点坐标为(x_i,y_i)，其中i＝1，2，3，……，n；

采用最小二乘法求解直线方程中的k和b为：

式中n为轮地作用边界数据点总数。

以M表示轮地作用边界的起点，以N表示轮地作用边界的终点，将OM与OC的夹角θ₁作为车轮进入角，将ON与OC的夹角θ₂作为车轮离去角，则获得：

式中C为y轴负方向与星球车车轮的交点。

步骤二中获得二值化图像的过程为：

采集当前轮地作用图像，将轮地作用图像由RGB色彩空间转换到HIS色彩空间后，由转换后轮地作用图像中提取获得当前车轮区域的H分量和S分量；

计算车轮置信区域的H分量均值和S分量均值再计算车轮置信区域的H分量标准差E[H]和S分量标准差E[S]，进而确定所述当前车轮区域的H分量取值范围[H_a,H_d]和S分量取值范围[S_a,S_d]；

对转换后轮地作用图像进行逐点搜索，将当前车轮区域的H分量和S分量在所述取值范围内的像素点赋值为1，否则赋值为0，获得当前车轮区域的准二值化图像；

选择结构元素，对准二值化图像进行闭运算；再对准二值化图像进行删除小面积对象操作；将准二值化图像中非车轮区域全部赋值为0，实现当前车轮区域的二值化；再对准二值化图像进行填充孔、洞操作，获得当前车轮区域的二值化图像；所述小面积对象为面积值小于预设面积阈值的对象。

步骤三中提取车轮轮缘的圆轮廓与轮地作用边界的方法为：