[发明专利]基于光栅投射立体视觉的机器人视觉系统及导航方法

权利要求书

1.基于光栅投射立体视觉的机器人视觉系统，安装在机器人的头部，其特征在于：包括传感器主体(1)、光栅投射装置(2)、第一摄像机(3)和第二摄像机(4)，所述的光栅投射装置(2)、第一摄像机(3)和第二摄像机(4)均安装在传感器主体(1)的正前方，所述的光栅投射装置(2)置于第一摄像机(3)和第二摄像机(4)之间，所述的第一摄像机(3)和第二摄像机(4)设置在同一水平线上，光栅投射装置(2)的光轴、第一摄像机(3)的光轴和第二摄像机(4)的光轴均与地面成一定的角度，机器人在运动过程中，光栅投射装置(2)每隔一定时间向机器人前方投射光栅条纹，同时，第一摄像机(3)和第二摄像机(4)采集受到机器人周围场景调制的变形条纹图像，通过变形条纹图像获得障碍物的距离以及机器人周围场景三维形貌，机器人根据障碍物的距离以及机器人周围场景三维形貌进行移动。

2.根据权利要求1所述的基于光栅投射立体视觉的机器人视觉系统，其特征在于：所述的光栅投射装置(2)为光栅条纹仪，第一摄像机(3)的镜头和第二摄像机(4)的镜头均为CCD镜头。

3.利用权利要求1所述的基于光栅投射立体视觉的机器人视觉系统进行导航的方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)光栅投射装置(2)每隔一定时间向机器人前方投射光栅条纹；

2)机器人在移动过程中建立光栅投射立体视觉的几何模型，第一摄像机(3)和第二摄像机(4)采集受到机器人周围场景调制的变形条纹图像，及时恢复出各个周围场景的三维坐标，以图像序列中特征目标的3D坐标为核心，利用立体跟踪的方法研究运动目标的跟踪识别，并研究机器人的姿态、朝向以及行驶距离与目标之间的关系，实现机器人车体的精确运动估计，实现未知环境中机器人的运动估计和精确定位。

4.根据权利要求3所述的基于光栅投射立体视觉的机器人视觉系统进行导航的方法，其特征在于：根据光栅条纹面SPQ、摄像机空间平面o_aPQ和o_bPQ相交求交汇的方法建立光栅投射立体视觉的几何模型；投射的光栅条纹面方程为

其中：α为光栅条纹面SPQ与光栅投射坐标系中O_SY_SZ_S面之间的夹角，世界坐标系(o_w-x_wy_wz_w)、机器人坐标系(o_R-x_Ry_Rz_R)、摄像机坐标系(o_a-x_ay_az_a,o_b-x_by_bz_b)、图像坐标系(O_aX_aY_a,O_bX_bY_b)、离散像素坐标系(O_EaX_EaY_Ea,O_EbX_EbY_Eb)、光栅投射坐标系(O_S-X_SY_SZ_S)，将光栅条纹面方程转化到世界坐标中，则有

其中R_sw和T_sw分别为从光栅投射坐标系到世界坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，其中，R_sw1、R_sw2、R_sw3、R_sw4、R_sw5、R_sw6、R_sw7、R_sw8、R_sw9、T_sw1、T_sw2和T_sw3通过标定获得；

摄像机空间平面o_aPQ方程为

A₁x_a+B₁y_a+C₁z_a+D₁＝0， (5)

根据摄像机的透视变换原理，可以建立离散像素坐标系O_EaX_EaY_Ea与摄像机坐标系o_a-x_ay_az_a之间的关系，有

其中：λ₁、u_a、ν_a、u₀、ν₀和f_a通过标定获得；将o_a,P_a,Q_a三点在离散像素坐标系中的坐标代入公式(2)，求解出方程中A₁、B₁、C₁、D₁的值；

摄像机空间平面o_bPQ方程为：

A₂x_b+B₂y_b+C₂z_b+D₂＝0。 (7)

摄像机坐标系与世界坐标系之间的关系为

其中R_aw、R_bw和T_aw、T_bw分别为从摄像机坐标系到世界坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，R_aw1、R_aw2、R_aw3、R_aw4、R_aw5、R_aw6、R_aw7、R_aw8、R_aw9、R_bw1、R_bw2、R_bw3、R_bw4、R_bw5、R_bw6、R_bw7、R_bw8、R_bw9、T_aw1、T_aw2、T_aw3、T_bw1、T_bw2和T_bw3通过标定获得；

将公式(5)、(7)和公式(8)联立，得到两摄像机空间平面在世界坐标系中的方程；将公式(1)和(2)联立，得到光栅条纹平面在世界坐标系中的方程。由于空间点P、Q一定位于这两个联立方程中，解这两个联立方程即可得到空间曲线PQ的方程，并求解出P、Q在世界坐标系中的坐标值。