一種基于雙目視覺的巡線機器人跨越障礙導線定位方法技術

本發明專利技術公開了一種基于雙目視覺的巡線機器人跨越障礙導線定位方法，具體按照以下步驟實施：步驟1：對左右攝像機均進行標定，獲得內外參數并進行優化；步驟2：用標定好的左右攝像機采集現場輸電導線圖像，對左右攝像機采集到的圖像分別進行預處理和特征提?。徊襟E3：對步驟2中處理后的目標圖像對進行立體匹配；步驟4：根據步驟1中的攝像機標定和步驟3中的立體匹配結果計算得到導線上各個特征點的三維坐標，實現定位。本發明專利技術基于雙目視覺的巡線機器人跨越障礙導線定位方法，采用雙目立體視覺方法進行定位，提高了空間點的定位精度，能準確得到導線上特征點的三維位置信息，且可抗噪聲。

Method for positioning traverse robot crossing obstacle wire based on binocular vision

The invention discloses an inspection robot binocular vision positioning method based on wire across the barrier, specifically implemented according to the following steps: Step 1: on the left and right cameras are calibrated to obtain the internal and external parameters and optimization; step 2: Calibration about camera field of transmission line image, the image captured by the camera. Are preprocessing and feature extraction; step 3: the target image processing step 2 after matching for stereo; step 4 and step 1: according to the camera calibration in step 3 in stereo matching results to calculate 3D coordinates of each feature point on the wire, positioning. The inspection robot binocular vision obstacle wire based localization method using binocular stereo vision positioning method, improve the positioning accuracy of the space point, can get accurate three-dimensional position information of the feature points on the wire, and anti noise.

【技術實現步驟摘要】
一種基于雙目視覺的巡線機器人跨越障礙導線定位方法
本專利技術屬于輸電線路圖像處理
，具體涉及一種基于雙目視覺的巡線機器人跨越障礙導線定位方法。
技術介紹
輸電線路是電力電網系統的重要組成部分，為了保障安全，要定期對輸電線路進行巡檢。我國地理復雜，有相當一部分架空輸電線路建在森林、高山等地勢復雜地帶，人工巡檢面臨著很多問題，機器人巡檢逐步得到一定應用。機器人在線路行走的關鍵技術也是難點技術是如何跨越跳線、間隔棒等障礙，其在越障過程中一只手臂懸掛于架空地線，而另一只手臂脫線跨越障礙后需要完成上線動作，上線過程中首先需要對輸電導線空間位置進行定位，沒有準確定位則會導致誤動作甚至整體機器人掉落，如何實現機器人的導線定位對于機器人的可靠運行、推廣應用具有重要的意義。目前，空間物體三維檢測的方法主要有單目視覺和雙目立體視覺，單目視覺系統方便快捷，處理速度快，但在測量精度和抗噪性上與雙目視覺系統有一定的差距。雙目立體視覺技術直接模擬人類視覺處理景物的方式，具有系統結構簡單、成本低、抗噪性強、效率高、空間定位準確等優點，非常適合于現場的在線、非接觸產品檢測和質量控制。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種基于雙目視覺的巡線機器人跨越障礙導線定位方法，解決了現有單目視覺系統測量精度不夠和抗噪性差的問題。本專利技術所采用的技術方案是，一種基于雙目視覺的巡線機器人跨越障礙導線定位方法，具體按照以下步驟實施：步驟1：對左右攝像機均進行標定，獲得內外參數并進行優化；步驟2：用標定好的左右攝像機采集現場輸電導線圖像，對左右攝像機采集到的圖像分別進行預處理和特征提??；步驟3：對步驟2中處理后的目標圖像對進行立體匹配；步驟4：根據步驟1中的攝像機標定和步驟3中的立體匹配結果計算得到導線上各個特征點的三維坐標，實現定位。本專利技術的特點還在于：步驟2具體為：步驟2.1：預處理對采集到的圖像進行圖像灰度化和直方圖均衡化處理，減少圖像中的數據量并使圖像中的灰度分布均勻，增強后期處理的實時性；步驟2.2：特征提取對預處理后的圖像選取需要定位的目標區域，然后對目標區域進行閾值分割提取出導線目標，對目標圖像進行角點檢測，其具體過程為：步驟2.2.1：將目標區域內的點作為待檢測點，計算以待檢測點為中心、以R＝1為半徑的圓周上各個像素點的灰度值，與待檢測點灰度值作比較，判斷它們的相似性，若灰度差小于閾值P判斷為相似點，否則判斷為不相似點；統計像素點中與待檢測點相似的像素點個數，用N來表示，若N大于設定的閾值L則剔除該檢測點，否則保留作為候選角點；對下一個待檢測點用同樣的方法進行檢測，直到檢測完所有目標區域內的點，得到候選角點集；步驟2.2.2：采用Forstner角點檢測算法對圖像對進行角點提取計算步驟2.2.1中得到的候選角點的Robert's梯度：其中，g(i,j)表示候選角點的灰度值；計算3*3窗口中灰度的協方差矩陣X：計算橢圓的圓度即興趣值q和像元的權值w：其中，|X-1|表示矩陣X-1的行列式，trX-1表示矩陣X-1的跡；對閾值Tq以及Tw進行設定，一般Tq的取值區間為0.5至0.75，Tw的值是w中間值的1.5倍，將閾值分別與興趣值q和w比較，如果興趣值q和w的值均大于各自的閾值，則該點可認定為角點；步驟2.2.3：采用SUSAN算法再次對角點進行檢測，去除偽角點：SUSAN算子通過用一個圓形模板在圖像上移動，選取一個半徑R＝3.5pixels的圓形模板，使其掃描步驟2.2.2中保存下來的角點，將模板中心置于角點處，將模板中心像素點與模板內其它任一像素點的灰度值代入相似度函數：式中g(i,j)表示模板中心像素點的灰度值，g′(i,j)表示模板內其它任一像素點的灰度值；模板內相似點個數的累加就是USAN區域，計算角點的USAN區域面積，剔除USAN面積大于總面積一半的角點，剩下的點作為最終正確的角點并保存。步驟2.1預處理時：考慮到輸電導線的外部環境，還需要對圖像進行去噪和邊緣增強，首先采用中值濾波對圖像去噪，然后再對圖像采用canny算子進行銳化處理來增強導線邊緣信息；如果圖像中邊緣還比較模糊，可以采用對比度增強、對比度提亮處理，直到獲得清晰的圖像邊緣。步驟3具體為：步驟3.1：將4個方形區域的中心統一為待描述角點，在每個區域內繪制8個方向的梯度累加值，第1個種子點是第1個區域內所有像素包括待描述角點像素的梯度累加值，第2個種子點是第2個區域減去第1個區域后所包含所有像素點的梯度累加值，依次類推可得到4個種子點，每個種子點有8個方向的向量信息，一共可產生32個數據，生成32維的特征向量。步驟3.2：用歐式距離來度量左圖像特征點的特征向量ui與右圖像特征點的特征向量vj之間的相似性，以相似性為依據對兩個特征點進行匹配，兩個特征向量ui和vj之間的歐式距離d(i,j)表示為：對于左圖像中的某個角點，采用K-D樹法來搜索右圖像中與其歐式距離最鄰近dmin和次鄰近dcmin的兩個角點，當比值dmin/dcmin小于某一閾值時，將最鄰近的角點作為該角點的匹配點，得到這一對匹配點的像素坐標分別為(ul,vl)和(ur,vr)，反之則不作為匹配點。步驟4具體為：空間點P在左右兩個攝像機成像平面上的圖像坐標分別為(ul,vl)和(ur,vr)，設P點的三維坐標為(x,y,z)，那么根據攝像機標定得到的單應性矩陣可得：Hl和Hr為左右兩個攝像機的單應性投影矩陣，消去Zl、Zr得：解這個方程組可以得到x，y，z的解，即P點的三維坐標；通過計算導線上各個特征點的三維坐標，從而實現對導線的準確定位。本專利技術的有益效果是：本專利技術采用的Forstner角點檢測算法，提高了原有算法的實時性和準確性，并用SIFT特征描述子進行描述，能夠快速、準確地提取到角點并將定位精度精確到亞像素，有利于后期的特征點立體匹配精度和三維重建的準確性。本專利技術采用雙目立體視覺方法進行定位，提高了空間點的定位精度，能準確得到導線上特征點的三維位置信息，且可抗噪聲。附圖說明圖1是本專利技術巡線機器人跨越障礙導線定位方法的流程圖；圖2是本專利技術巡線機器人跨越障礙導線定位方法中角點檢測流程圖；圖3是本專利技術巡線機器人跨越障礙導線定位方法中特征點匹配流程圖。具體實施方式下面結合附圖和具體實施方式對本專利技術進行詳細說明。本專利技術一種基于雙目視覺的巡線機器人跨越障礙導線定位方法，如圖1所示，具體按照以下步驟實施：步驟1：對左右攝像機均進行標定，獲得內外參數并進行優化。(1)假設標定板平面位于世界坐標系中Z＝0的平面上，標定板上特征點的世界坐標為A(xw,yw,0)，其對應的圖像坐標為a(uw,vw)，可得下式：s為深度系數，M為相機內參數矩陣，單應性矩陣H′＝M[r1r2T]，求解關于H′的方程可以得到圖像和標定板平面之間的矩陣，然而其數值與實際的矩陣之間存在一個比例常數μ，令H＝μM[r1r2T]；(2)求相機的內參數，兩個約束條件為：令B＝M-TM-1，定義一個六維向量：b＝[B11B12B22B13B23B33]T(3)則有：hiTBhj＝cijTb(4)其中，i、j分別為單應性矩陣H的行數和列數，cij＝[hi1hj1hi1hj2+hi2hj1hi2hj2hi3hj1+hi1hj3hi3hj2+hi2h本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于雙目視覺的巡線機器人跨越障礙導線定位方法，其特征在于，具體按照以下步驟實施：步驟1：對左右攝像機均進行標定，獲得內外參數并進行優化；步驟2：用標定好的左右攝像機采集現場輸電導線圖像，對左右攝像機采集到的圖像分別進行預處理和特征提?。徊襟E3：對步驟2中處理后的目標圖像對進行立體匹配；步驟4：根據步驟1中的攝像機標定和步驟3中的立體匹配結果計算得到導線上各個特征點的三維坐標，實現定位。

【技術特征摘要】
1.一種基于雙目視覺的巡線機器人跨越障礙導線定位方法，其特征在于，具體按照以下步驟實施：步驟1：對左右攝像機均進行標定，獲得內外參數并進行優化；步驟2：用標定好的左右攝像機采集現場輸電導線圖像，對左右攝像機采集到的圖像分別進行預處理和特征提?。徊襟E3：對步驟2中處理后的目標圖像對進行立體匹配；步驟4：根據步驟1中的攝像機標定和步驟3中的立體匹配結果計算得到導線上各個特征點的三維坐標，實現定位。2.根據權利要求1所述的一種基于雙目視覺的巡線機器人跨越障礙導線定位方法，其特征在于，所述步驟2具體為：步驟2.1：預處理對采集到的圖像進行圖像灰度化和直方圖均衡化處理，減少圖像中的數據量并使圖像中的灰度分布均勻，增強后期處理的實時性；步驟2.2：特征提取對預處理后的圖像選取需要定位的目標區域，然后對目標區域進行閾值分割提取出導線目標，對目標圖像進行角點檢測，其具體過程為：步驟2.2.1：將目標區域內的點作為待檢測點，計算以待檢測點為中心、以R＝1為半徑的圓周上各個像素點的灰度值，與待檢測點灰度值作比較，判斷它們的相似性，若灰度差小于閾值P判斷為相似點，否則判斷為不相似點；統計像素點中與待檢測點相似的像素點個數，用N來表示，若N大于設定的閾值L則剔除該檢測點，否則保留作為候選角點；對下一個待檢測點用同樣的方法進行檢測，直到檢測完所有目標區域內的點，得到候選角點集；步驟2.2.2：采用Forstner角點檢測算法對圖像對進行角點提取計算步驟2.2.1中得到的候選角點的Robert's梯度：其中，g(i,j)表示候選角點的灰度值；計算3*3窗口中灰度的協方差矩陣X：計算橢圓的圓度即興趣值q和像元的權值w：其中，|X-1|表示矩陣X-1的行列式，trX-1表示矩陣X-1的跡；對閾值Tq以及Tw進行設定，一般Tq的取值區間為0.5至0.75，Tw的值是w中間值的1.5倍，將閾值分別與興趣值q和w比較，如果興趣值q和w的值均大于各自的閾值，則該點可認定為角點；步驟2.2.3：采用SUSAN算法再次對角點進行檢測，去除偽角點：SUSAN算子通過用一個圓形模板在圖像上移動，選取一個半徑R＝3.5pixels的圓形模板，使其掃描步驟2.2.2中保存下來的角點，將模板中心置于角點處，將模板中心像素點與模板內其它任一像素點的灰度值代入相似度函數：

【專利技術屬性】
技術研發人員：黃新波，楊璐雅，張燁，張慧瑩，邢曉強，劉新慧，李菊清，
申請(專利權)人：西安工程大學，
類型：發明
國別省市：陜西,61