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基于单目视觉的移动机器人目标识别及抓取系统研究

作　者: 冉冉
导　师: 阮秋琦
学　校: 北京交通大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 单目视觉 HSL分割彩色目标识别轮廓不变矩测距校正
分类号: TP242.62
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文主要研究基于单目视觉的移动机器人目标识别及抓取系统,所做的工作涉及了彩色图像分割、目标识别、单目摄像机离线标定、单目视觉测距等算法,整体系统达到了比较理想的效果。本文的主要贡献如下：一、图像颜色分割阶段,本文改进了前人基于HSL的阈值分割算法,提出了新的分割策略,对各种不同的颜色可以比较好的区分,受光照影响较小,并且在复杂背景下通过使用floodfill填充算法,可以去掉大部分干扰区域,取得很好的分割效果；对待识别目标是单一颜色的物体,且背景不包含过多与目标相近的干扰色的情况下,该方法非常有效。二、模板匹配和目标识别阶段,对分割得到的二值图像的每个候选目标连通区,采用基于外轮廓的不变矩算法进行模板匹配,相当于对图像采用了基于形状特征的进一步分割,与传统的基于区域的不变矩算法相比,大大降低了匹配时间,并且利用该轮廓计算目标重心点和近地点,取代了传统的利用区域像素进行求取的方法,进一步节约了运算时间,系统实时性得到保证。三、目标定位和测距阶段,利用立体几何理论和摄影测量学推导出理想地平面约束测距模型,用该模型进行距离计算。另外,在实验过程中发现了实际成像的非理想性,推导出测距校正模型,进一步提高了测距精度。实验表明本方法具备可行性和较高的精度。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-8
序  8-12
1 引言  12-18
  1.1 本课题的研究意义  12-13
  1.2 本文相关技术研究现状和研究内容  13-16
    1.2.1 移动机器人技术  13-14
    1.2.2 机器人视觉控制技术  14-16
  1.3 本文的研究工作  16-18
2 移动机器人系统组成  18-23
  2.1 系统硬件结构  18-19
  2.2 系统软件结构  19-21
    2.2.1 机器人控制和操作软件  20
    2.2.2 机器人客户端软件  20-21
  2.3 本文的机器人视觉平台  21-23
3 目标识别算法  23-40
  3.1 图像特征分类  23-26
    3.1.1 颜色特征  23-24
    3.1.2 纹理信息  24
    3.1.3 形状信息  24-26
    3.1.4 空间关系特征  26
  3.2 彩色图像分割方法  26-30
    3.2.1 基于像素的方法  27-28
    3.2.2 基于区域的方法  28-29
    3.2.3 基于随机场的方法  29
    3.2.4 基于边缘的方法  29
    3.2.5 基于模糊理论的方法  29-30
  3.3 本文提出的图像分割方法  30-39
    3.3.1 算法描述  30-34
    3.3.2 实验环境  34
    3.3.3 实验结果分析  34-39
  3.4 本章小结  39-40
4 摄像机标定  40-52
  4.1 摄像机模型  40-43
    4.1.1 想摄像机成像模型——小孔模型  40-41
    4.1.2 摄像机内参数模型  41
    4.1.3 摄像机外参数模型  41-42
    4.1.4 实际摄像机成像模型——非线性模型  42-43
  4.2 摄像机标定方法  43-44
    4.2.1 标定方法分类  43-44
    4.2.2 主要的标定算法  44
  4.3 本文采取的标定算法  44-50
    4.3.1 算法描述  44-47
    4.3.2 实验环境  47-48
    4.3.3 实验结果分析  48-50
  4.4 本章小结  50-52
5 单目视觉测距  52-67
  5.1 单目视觉测距分类  52-55
    5.1.1 几何相似法测量——平行平面约束  52-54
    5.1.2 几何形状约束法测量  54
    5.1.3 结构光法测量  54-55
    5.1.4 几何光学法测量  55
  5.2 本文使用的测距模型  55-60
    5.2.1 地平面测距模型  56-57
    5.2.2 计算公式推导  57-58
    5.2.3 校正模型  58-60
  5.3 实验结果分析  60-65
    5.3.1 实验环境  60
    5.3.2 实验步骤  60
    5.3.3 测距结果及分析  60-65
    5.3.4 实验总结  65
  5.4 本章小结  65-67
6 机器人控制策略  67-71
  6.1 阶段分解  67-69
    6.1.1 搜索阶段  67-68
    6.1.2 调整阶段  68
    6.1.3 目标抓取阶段  68-69
  6.2 实验结果及分析  69-70
  6.3 本章小结  70-71
7 结论  71-73
参考文献  73-76
作者简历  76-78
学位论文数据集  78

基于单目视觉的移动机器人目标识别及抓取系统研究

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