ｌ ｌＩ５ 化 基于单目视觉的自主牵引机器人研究 Ａ ｓｉｎｇｌｅ ｖｉｓｕａＩ ｍｅｂｉｌｅ ｒｏｂｅｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ 王京。，王霆‘，李金义。，齐立哲 ＷＡＮＧ Ｊｉｎｇ’，ＷＡＮＧ Ｔｉｎｇ。，ＬＩ Ｊｉｎ．ｙｉ。，Ｑｌ Ｌｉ—ｚｈｅ （１．北京电子科技职业学院汽车制造技术系，北京１０００２６；２．智通机器人技术有限公司，廊坊０３０００１） 摘要：采用单目相机设计了一种在空间内能够跟踪靶标的自主移动机器人系统，它主要包括单目视觉 系统、移动机器人平台、无线模块、上位机及控制软件。上位机控制软件首先对通过无线图 像采集模块获得图像进行图像处理与特征提取，获得靶标的在图像坐标系下的当前位置信 息，然后与靶标的目标位置进行比对，获得机器人的运动控制量，进而控制机器人始终跟踪 靶标，从而实现了基于图像的机器人在空间位置控制过程。 关键词：单目视觉；自主牵引；机器人 中图分类号：ＴＰ２７４ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１ ００９ ０１ ３４（２０１ ２）０５（上）一００９３ ０３ Ｄｏｉ：１ ０．３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１ ００９－０１ ３４．２０１ ２．５（１－）．２９ ０ 引言 机器人有两个发展阶段：普通机器人和智能 机器人。普通机器人只能准确地重复执行某些简 单的规定动作；智能机器人则可像人类一样自主 完成一些复杂任务。智能机器人与普通机器人的 区别是增加了各种传感器，具有了感知、决策等 能力能够自主实现轨迹的规划¨０】。视觉是机器人 获取周围世界信息最重要的来源之一，为智能机 器人系统提供周围的环境信息。视觉测量分类方 系统组成如图ｌ所示。 法有多种，按所用视觉传感器数量可以分为单目视 觉、双目视觉等。单目视觉虽然缺少了环境的立 体信息，但由于其结构简单、易标定，同时还能 避免立体视觉中的视场小、立体匹配难的缺陷，在 移动机器人中的研究仍然十分常见，特别是针对已 知特征的物体的跟踪场合得到了广泛的应用 。 本文采用单目相机设计了一种在空间内能够 跟踪靶标的自主移动机器人系统，它主要包括单 目视觉系统、移动机器人平台、无线模块、上 位机及控制软件。上位机控制软件首先对通过无 线图像采集模块获得图像进行图像处理与特征提 取，获得靶标的在图像坐标系下的当前位置信 息，然后与靶标的目标位置进行比对，获得机器 人的运动控制量，进而控制机器人始终跟踪靶 标，从而实现了基于图像的机器人在空间位置控 制过程。 Ｌ剞１系统组成 它由一四轮机器人移动平台、无线控制模 块、单目相机、无线图像模块、上位机及控制软 件组成。其中机器人移动平台采用奥松机器人公 司设计的基于Ａｒｄｕｉｎｏ的开放四轮机器人平台， 它的控制器是一个基于开放源代码的ＵＳＢ接口的 Ｓｉｍｐｌｅ Ｉ／Ｏ接口板（包括ＰＷＭ输出及ＡＤＣ输入输 出通道），能通过编程方便控制机器人平台的前 进、后退、左转、右转及停止等基本操作；无线 控制模块是一种多通道嵌入式无线传输模块，其 可设置很多的频道，步进精度可为１ｋｈｚ，发送功 １ 机器人系统硬件组成介绍 设计的基于单目视觉系统的自主牵引机器人 率高达２０ｍＷ，通过串口通讯的方式，通过安装在 收稿日期：２０１２—０２—１６ 作者简介：王京（１９７５一），女，副教授，硕士，研究方向为机电一体化。 第３４卷第５期２０１２—０５（上） ［９３１ 、ｌ 上位机上的发送端发送指令，安装在机器人平台 上的接收端接收指令，便可以实现上位机对机器 人移动平台的远程运动控制；视觉系统采用ＣＣＤ 单目相机，安装在机器人平台上，可以实时采集 靶标图像；无线图像模块包含一发射端及接收 端，接收端安装在上位机上，发送端与相机相连 并安装在机器人平台上。 匐 化 ３．１图像处理与特征提取 本系统采用乒乓球作为跟踪靶标，理论上球 状的乒乓球在ＣＣＤ上成的像为一圆且颜色一般为 黄色，根据这些特征，便可以采用基于颜色分割 的方法及重心法便可以提取出乒乓球在图像坐标 系下的球心坐标值及半径。具体计算公式如下： Ｎ．．．Ｎ．—— ２软件功能模块及工作流程 根据机器人自主牵引过程，软件主要包括图 尺 ＝∑ ， ∑ Ｉｙ （１） 像采集、图像处理与特征提取、牵引算法规划与 控制等功能模块，系统工作流程如图２所示。系统 开始工作后，由单目相机采集图像并通过无线图 像模块发送端发送图像数据给上位机，上位机通 过接收端接收到图像后，先进行图像处理，将靶 标从背景图像中提取出来，然后进行特征提取， 提取出靶标的特征数据（球靶标球心及半径）； 然后根据自主牵引算法对机器人运动进行规划， 并通过无线控制模块发送端将运动指令发送给远 程机器人平台，机器人通过接收端接收到运动命 令后，便会执行运动命令，从而逐步跟踪靶标位 置。 一，， Ⅳ一 ／／—＿、＼（开始ｊ ＼ ！ 图像采集无 线发送ｉｏ ／——一、 图像无线 运动剑位：’ 结束 接收 靶标图像 Ｉ机器人运 处理 动 ——ｉ——一 靶枷特征 ． 控制命令 提取 接收 ’ 牵引算法 控制命令ｌ ｝规划 发送 １ 图２系统工作流程 ３核心模块介绍及实现 实现机器人自主牵引过程的核心模块为靶标 图像处理与特征提取及牵引过程控制。 【９４】 第３４卷第５期２０１２—０５（上） （２） 其中：Ｒｘ，Ｒ ， 分别为靶标球心在视觉系统 坐标系下的坐标值及以像素为单位的靶标半径 值；Ｊ， ，Ｊ，、，分别为通过通过图像分割后的靶标特征 上各个点的图像坐标值； 为提取出来的靶标特征 的像素数目。根据这一过程提取出来的靶标两个 位置上的特征如图３所示： 一 ・ 图３靶标在不同位置特征提取结果 ３．２跟踪过程控制 单目视觉系统一般会丢失深度信息，为了实 现机器人空间内的靶标跟踪过程，需要借助靶标 的已知特征及基于 图像的控制策略对机器人进行 跟踪控制。首先设定一目标图像，对目标图像进 行图像处理及特征提取，便可以获得靶标的目标 圆心位置及半径，记为尺 ， ，ｒＧ；同样对当前 图像进行处理及特征取，也会获得当前靶标的圆 心位置及半径，记为尺 ， ， 。如图４所示。 从图像可知，机器人与靶标的距离决定了靶 标半径的大小；机器人与靶标的方位决定了靶标 圆心在在图像中的位置。根据这一规律，可建立 、１生 ｌＩ５ 出 Ｒ：３３ ｃｅｎｔｅＦ：（１２２，１ ５６） ｏ 图４目标与当前图像对比图 图７机器人跟踪靶标过程 ：图像的机器人控制策略如下。 １）机器人前进：当前半径小于目标半径 ４结束语 本文采用单目视觉系统，设计了靶标的机器 人自主牵引方法，通过实验验证了方法的有效 性，实现了机器人自主牵引过程。后续可考虑采 用高性能相机及优化图像处理算法，进一步提高 机器人牵引速度。 ２）机器人后退：当前半径大于目标半径 ３）机器人左转：当前靶标在目标靶标的右侧 ４）机器人右转：当前靶标在目标靶标的左侧 参考文献： ● 厂、 Ｕ …孟庆春，齐勇，张淑军，杜春侠，殷波，高云．智能机器人及其 发展 ．中国海洋大学学报（自然科学版），２００４，（０５）． 董砚秋．智能机器人概述［ＪＪ．网络与信息，２００７，（０７）． Ｉ３ｌ张远辉，韦巍，虞旦，基于实时图像的乒乓机器人Ｋａｌｍ ｄｎ跟 图５靶标在初始位置 踪算法【ＪＪ．浙江大学学报（工学版），２００９，（０９）． 弋英民，刘丁．基于单日视觉的轮式机器人同步定位与地 图构建［Ｊ１．仪器仪表学报，２０１０，（０１）． …．机器人，２０１０，（０６）． 图６靶标在目标位置 一。 ｛ 【５】吴刚，唐振民．单目式自主机器人视觉导航中的测距研究 【６ｌ刘磊， 永骥．基于单Ｆｔ视觉的机器人动态目标识别与跟 踪【Ｃ】．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２６ｔｈ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｊｕｌｙ ２６—３ ｌ，２００７，Ｚｈａｎｇｊｉａｊｉｅ，Ｈｕｎａｎ，Ｃｈｉｎａ． 矗Ｉ｛重‘ 蠡‘ 主‘｛蠢‘ 蠡‘｛量‘ 虫‘ 岛‘ 岛‘｛盘‘也 ｛＆‘ 矗‘ 竞●｛盘‘｛竞‘ 是‘ ｛岛‘ 盎‘ 广告索引 电气科技有限公司…………………………封面 微达电子技术有限责任公司………………封二 赛工业开关制造（上海）有限公司………封三 机械工业自动化研究所……………………封底 施耐德电气……………………………………・前彩１ 深圳市业海科技发展有限公司………………・前彩２ 正泰电器………………………………………－前彩３ 中创国技（北京）科技发展有限公司……・・前彩４ 第３４卷第５期２０１２—０５（上） ［９５１