陣列式高速視覺里程計(jì)及其實(shí)現(xiàn)方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)為一種陣列式高速視覺里程計(jì)及其實(shí)現(xiàn)方法。本發(fā)明專利技術(shù)包括若干個(gè)視覺測量單元、數(shù)據(jù)采集電路板和工控機(jī)。利用的單個(gè)視覺測量單元并行計(jì)算特征點(diǎn)的三維位置；根據(jù)視覺測量單元的空間位置變換關(guān)系和空間運(yùn)動(dòng)一致性，對各視覺測量單元輸出的特征點(diǎn)的三維位置數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)；利用多個(gè)視覺測量單元輸出的特征點(diǎn)的三維位置數(shù)據(jù)，通過無色卡爾曼濾波方法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合；并根據(jù)視覺測量單元的空間位置變換關(guān)系，通過非線性優(yōu)化方法，精確估計(jì)機(jī)器人的位姿變化量。本發(fā)明專利技術(shù)具有響應(yīng)速度快、魯棒性好、參數(shù)估計(jì)精度高、能耗低、隱蔽性好和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，完全可以滿足機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下對自主定位導(dǎo)航方法的實(shí)時(shí)性和魯棒性的要求。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
陣列式高速視覺里程計(jì)及其實(shí)現(xiàn)方法
本專利技術(shù)屬于機(jī)器人自主定位導(dǎo)航領(lǐng)域，涉及數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺和機(jī)器人學(xué)等技術(shù)，為一種機(jī)器人高精度實(shí)時(shí)定位定姿方法，具體為一種陣列式高速視覺里程計(jì)及其實(shí)現(xiàn)方法。
技術(shù)介紹
在機(jī)器人自主定位導(dǎo)航領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的機(jī)器人定位定姿方法主要包括：以碼盤式里程計(jì)和慣導(dǎo)等設(shè)備以及相應(yīng)的航跡推算算法（Dead-Reckoning）實(shí)現(xiàn)的相對定位方法；以固定路標(biāo)和GPS技術(shù)為代表的絕對定位方法。其中，相對定位方法通過碼盤式里程計(jì)實(shí)現(xiàn)定位，但由于碼盤式里程計(jì)存在車輪半徑測量誤差帶來的系統(tǒng)誤差和車輪滑動(dòng)造成的非系統(tǒng)誤差，在高滑動(dòng)地形條件下誤差累積的速度非?？?，因此往往與慣導(dǎo)組合使用，利用慣導(dǎo)實(shí)時(shí)估計(jì)機(jī)器人的姿態(tài)變化并推算其位置變化，通過數(shù)據(jù)融合相互校正。然而慣導(dǎo)存在以時(shí)間次方速率產(chǎn)生漂移的問題，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行長時(shí)間、大范圍作業(yè)時(shí)，仍需要進(jìn)行周期性校正。在人工環(huán)境下，這個(gè)問題可以通過設(shè)置固定路標(biāo)或使用GPS解決，但在不存在固定路標(biāo)的野外環(huán)境等非人工環(huán)境下，這種相對定位方法對GPS的依賴就十分嚴(yán)重了。但是由于GPS技術(shù)的敏感性（主要由美國掌握）、不確定性（受到干擾或衛(wèi)星故障）、定位精度和應(yīng)用空間的局限性，導(dǎo)致其在野外環(huán)境中的應(yīng)用受限甚至無法應(yīng)用，在這種情況下，傳統(tǒng)技術(shù)方法的缺點(diǎn)更加突出，已明顯無法滿足機(jī)器人的技術(shù)要求。為了滿足機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下長時(shí)間、長距離作業(yè)時(shí)的精確自主導(dǎo)航技術(shù)要求，上世紀(jì)80年代中期以來，出現(xiàn)了被稱為視覺里程計(jì)（VisualOdometry）的機(jī)器人實(shí)時(shí)定位定姿方法，是計(jì)算機(jī)視覺理論在機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要應(yīng)用。視覺里程計(jì)僅利用視覺系統(tǒng)獲得的環(huán)境圖像，對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的姿態(tài)和位置變化進(jìn)行精確估計(jì)，屬于被動(dòng)非接觸式測量方法，具有精度高、隱蔽性好、不依賴GPS校正以及不受環(huán)境地表特性和應(yīng)用空間限制等突出的優(yōu)點(diǎn)。雖然視覺里程計(jì)仍是一種相對定位方法，但已有的研究表明，視覺里程計(jì)的誤差呈非單應(yīng)性，即使機(jī)器人在高滑動(dòng)地形條件（滑動(dòng)比>100％）下進(jìn)行長距離（作業(yè)距離>1km）導(dǎo)航時(shí)，仍能有效將累積誤差控制在一定范圍內(nèi)，并且當(dāng)與測角儀和慣導(dǎo)等組合使用時(shí)，累積誤差的范圍更小。2004年美國國家航空和宇宙航行局（NASA）將視覺里程計(jì)應(yīng)用于火星探測并取得了巨大的成功，充分說明了視覺里程計(jì)方法的有效性以及在某些特定環(huán)境下的不可替代性。目前，現(xiàn)有的視覺里程計(jì)方法基本上都采用了“特征－特征三維位置－運(yùn)動(dòng)估計(jì)”的方法框架，只是在結(jié)構(gòu)上有單目和雙目之分，以及具體實(shí)現(xiàn)方法的差異?，F(xiàn)有的方法都存在實(shí)時(shí)性差的瓶頸問題（處理速度<15Hz）。這主要是由于現(xiàn)有的這些方法對環(huán)境圖像的處理過程采用的都是逐幀逐點(diǎn)的計(jì)算方式，這就造成當(dāng)圖像尺寸較大時(shí)，待處理的數(shù)據(jù)量很大，而計(jì)算機(jī)的處理能力與之相比就明顯不夠。而通過減小圖像大小，降低數(shù)據(jù)量，將導(dǎo)致視覺里程計(jì)精度的大幅下降。此外，在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下，存在各種導(dǎo)致視覺里程計(jì)失效的不確定性因素?，F(xiàn)有的視覺里程計(jì)方法僅采用單目或雙目結(jié)構(gòu)，遇到相機(jī)或線路損壞等情況時(shí)，整個(gè)視覺里程計(jì)就完全失效，魯棒性差。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足之處，本專利技術(shù)要解決的技術(shù)問題是提供一種解決機(jī)器人作業(yè)過程中實(shí)時(shí)精確定位定姿問題的高速魯棒三維視覺里程計(jì)及其實(shí)現(xiàn)方法。本專利技術(shù)為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種陣列式高速視覺里程計(jì)，包括若干個(gè)視覺測量單元，呈平面或空間的幾何陣列分布，用于觀測機(jī)器人的姿態(tài)和位置參數(shù)，并行計(jì)算，獨(dú)立輸出，多個(gè)視覺測量單元設(shè)置圖像各個(gè)方向上不同的長寬比，所提取的特征點(diǎn)在圖像中均勻分布；數(shù)據(jù)采集電路板，連接各個(gè)視覺測量單元，用于采集所述視覺測量單元監(jiān)測到的圖像數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)和故障診斷，然后傳送給工控機(jī)；工控機(jī)，用于將多個(gè)視覺測量單元間的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，輸出最終的機(jī)器人的姿態(tài)和位置。所述視覺測量單元包括：相機(jī)，用于拍攝機(jī)器人圖像；固化算法的專用電路板，連接相機(jī)，用于計(jì)算圖像特征點(diǎn)的空間三維位置。所述相機(jī)采集的圖像大小不大于10000像素，數(shù)據(jù)傳輸速率不低于2Mbps。所述數(shù)據(jù)采集電路板還用于關(guān)閉失效的視覺測量單元通道。一種陣列式高速視覺里程計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟：利用的單個(gè)視覺測量單元并行計(jì)算特征點(diǎn)的三維位置；根據(jù)視覺測量單元的空間位置變換關(guān)系和空間運(yùn)動(dòng)一致性，對各視覺測量單元輸出的特征點(diǎn)的三維位置數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)；利用多個(gè)視覺測量單元輸出的特征點(diǎn)的三維位置數(shù)據(jù)，通過無色卡爾曼濾波方法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合；并根據(jù)視覺測量單元的空間位置變換關(guān)系，通過非線性優(yōu)化方法，精確估計(jì)機(jī)器人的位姿變化量。所述單個(gè)視覺測量單元并行計(jì)算特征點(diǎn)的三維位置，包括以下步驟：步驟1，當(dāng)i＝1時(shí)，從ti-1和ti時(shí)刻立體視覺圖像對和中，采用Harris算子提取特征點(diǎn)；當(dāng)i＞1時(shí)，僅從ti時(shí)刻立體視覺圖像中，提取特征點(diǎn)；步驟2，當(dāng)i＝1時(shí)，分別對ti-1和ti時(shí)刻立體視覺圖像對和中提取的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配；當(dāng)i＞1時(shí)，僅對ti時(shí)刻立體視覺圖像中提取的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配；步驟3，對立體視覺圖像對和中提取和匹配的特征點(diǎn)，在左右圖像序列中分別進(jìn)行跟蹤，步驟4，對匹配和跟蹤的特征點(diǎn)，進(jìn)行最小二乘意義下的三維重建；步驟5，將中提取和匹配的特征點(diǎn)作為中提取和匹配的特征點(diǎn)，進(jìn)入下一時(shí)刻的特征點(diǎn)匹配與跟蹤。所述對特征點(diǎn)進(jìn)行匹配采用改進(jìn)的MNCC算法計(jì)算特征點(diǎn)在立體視覺圖像對之間的匹配相關(guān)性，采用外極線校正和視差約束減小搜索范圍；通過雙向一致性約束和唯一性約束濾除誤匹配特征點(diǎn)。所述步驟3采用改進(jìn)的MNCC算法計(jì)算特征點(diǎn)之間的相關(guān)性，相關(guān)性最大的特征點(diǎn)將作為跟蹤的特征點(diǎn)；僅采用極線約束條件，通過Hartley八點(diǎn)法估計(jì)基礎(chǔ)矩陣，利用約束條件濾除誤跟蹤的特征點(diǎn)。所述對各視覺測量單元輸出的特征點(diǎn)的三維位置數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，包括以下步驟：利用采集的視覺測量數(shù)據(jù)，通過加權(quán)最小二乘法估計(jì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)初值M0；設(shè)定一個(gè)閥，通過RANSAC法去除無效數(shù)據(jù)點(diǎn)值t′，當(dāng)根據(jù)特征點(diǎn)計(jì)算得到的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)與最優(yōu)值之間的誤差時(shí)，當(dāng)前的跟蹤特征點(diǎn)分別為離群值，反之為有效特征點(diǎn)；根據(jù)測量單元坐標(biāo)變換關(guān)系，進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性的二次判斷；如果視覺測量單元的輸出數(shù)據(jù)過少或輸出的有效數(shù)據(jù)過少時(shí)，將認(rèn)為視覺測量單元出現(xiàn)故障，關(guān)閉該視覺單元。所述利用多個(gè)視覺測量單元輸出的特征點(diǎn)的三維位置數(shù)據(jù)，通過無色卡爾曼濾波方法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合；并根據(jù)視覺測量單元的空間位置變換關(guān)系，通過非線性優(yōu)化方法，精確估計(jì)機(jī)器人的位姿變化量，包括以下步驟：根據(jù)數(shù)據(jù)校驗(yàn)算法計(jì)算得到的機(jī)器人位姿估計(jì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)初值M0和全部視覺測量單元中匹配和跟蹤的特征點(diǎn)，計(jì)算逆投影誤差，與設(shè)定的誤差閾值進(jìn)行比較，濾除可能存在的無效數(shù)據(jù)；利用計(jì)算得到的有效數(shù)據(jù)，根據(jù)加權(quán)最小二乘法重新計(jì)算機(jī)器人位姿估計(jì)初值，并將其作為機(jī)器人位姿優(yōu)化估計(jì)的初始值；根據(jù)稀疏LM算法計(jì)算機(jī)器人的位姿變化，通過位姿推算算法計(jì)算機(jī)器人的當(dāng)前位姿。本專利技術(shù)克服了已有方法的實(shí)時(shí)性和魯棒性差的問題，借鑒了現(xiàn)有方法參數(shù)估計(jì)的精度優(yōu)勢和實(shí)時(shí)性差的瓶頸問題，將昆蟲蜂眼結(jié)構(gòu)和全向快速運(yùn)動(dòng)感知能力的生物特征與計(jì)算機(jī)視覺理論有機(jī)融合，設(shè)計(jì)出的視覺里程計(jì)方法屬于非接觸式被動(dòng)測量，具有響應(yīng)速度快、魯棒性好、參數(shù)估計(jì)精度高、能耗低、隱蔽性好和使用方便本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種陣列式高速視覺里程計(jì)，其特征在于，包括若干個(gè)視覺測量單元，呈平面或空間的幾何陣列分布，用于觀測機(jī)器人的姿態(tài)和位置參數(shù)，并行計(jì)算，獨(dú)立輸出，多個(gè)視覺測量單元設(shè)置圖像各個(gè)方向上不同的長寬比，所提取的特征點(diǎn)在圖像中均勻分布；數(shù)據(jù)采集電路板，連接各個(gè)視覺測量單元，用于采集所述視覺測量單元監(jiān)測到的圖像數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)和故障診斷，然后傳送給工控機(jī)；工控機(jī)，用于將多個(gè)視覺測量單元間的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，輸出最終的機(jī)器人的姿態(tài)和位置。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種陣列式高速視覺里程計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，包括以下步驟：利用的單個(gè)視覺測量單元并行計(jì)算特征點(diǎn)的三維位置；根據(jù)視覺測量單元的空間位置變換關(guān)系和空間運(yùn)動(dòng)一致性，對各視覺測量單元輸出的特征點(diǎn)的三維位置數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)；利用多個(gè)視覺測量單元輸出的特征點(diǎn)的三維位置數(shù)據(jù)，通過無色卡爾曼濾波方法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合；并根據(jù)視覺測量單元的空間位置變換關(guān)系，通過非線性優(yōu)化方法，精確估計(jì)機(jī)器人的位姿變化量；所述單個(gè)視覺測量單元并行計(jì)算特征點(diǎn)的三維位置，包括以下步驟：步驟1，當(dāng)i＝1時(shí)，從ti-1和ti時(shí)刻立體視覺圖像對和中，采用Harris算子提取特征點(diǎn)；當(dāng)i>1時(shí)，僅從ti時(shí)刻立體視覺圖像中，提取特征點(diǎn)；步驟2，當(dāng)i＝1時(shí)，分別對ti-1和ti時(shí)刻立體視覺圖像對和中提取的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配；當(dāng)i>1時(shí)，僅對ti時(shí)刻立體視覺圖像中提取的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配；步驟3，對立體視覺圖像對和中提取和匹配的特征點(diǎn)，在左右圖像序列中分別進(jìn)行跟蹤，步驟4，對匹配和跟蹤的特征點(diǎn)，進(jìn)行最小二乘意義下的三維重建；步驟5，將中提取和匹配的特征點(diǎn)作為中提取和匹配的特征點(diǎn)，進(jìn)入下一時(shí)刻的特征點(diǎn)匹配與跟蹤。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列式高速視覺里程計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述對特征點(diǎn)進(jìn)行匹配采用改進(jìn)的MNCC算法計(jì)算特征點(diǎn)在立體視覺圖像對之間的匹配相關(guān)性，采用外極線校正和視差約束減小搜索范圍；通過雙向一致性約束和唯一性約束濾除誤匹配特征點(diǎn)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列式高速視覺里程計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述步驟3采用改進(jìn)的...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：杜英魁，韓建達(dá)，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：遼寧;21