移動(dòng)機(jī)器人視覺定位方法的研究

將式（1） 離散化得：

其中n （k ） 為測(cè)量噪聲。假設(shè)n （k ） 為零均值的高斯白噪聲， 其方差陣為R （k ） = cov （n）。

則式（10, 11） 組成系統(tǒng)的離散狀態(tài)方程和測(cè)量方程， 當(dāng)該系統(tǒng)滿足可觀測(cè)性條件：

時(shí)， 就可以應(yīng)用推廣卡爾曼濾波對(duì)目標(biāo)的空間位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)。其中r （ t） , v （ t） 分別為目標(biāo)相對(duì)于車體的位置和速度， 下標(biāo)t 代表目標(biāo)， i 代表成像系統(tǒng)， a （ t） 為任意的標(biāo)量。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用微軟提供的V FW 視頻處理開發(fā)軟件包，由CCD 攝像機(jī)和相應(yīng)的視頻采集卡獲取移動(dòng)機(jī)器人前的場(chǎng)景圖像數(shù)據(jù)， 在Delph i 6 下開發(fā)了移動(dòng)機(jī)器人視覺定位與目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的完整程序。本算法在CPU 主頻為500MHz, 內(nèi)存為256MB 環(huán)境下， 對(duì)幀速率為25 幀？s, 圖像分辨率為320×240的共180 幀視頻圖像進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)， 最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)快速、穩(wěn)定的跟蹤。圖3 給出了部分幀圖像的目標(biāo)定位與跟蹤結(jié)果。

圖3 目標(biāo)定位與跟蹤結(jié)果。

為了驗(yàn)證本文提出的對(duì)目標(biāo)的空間位置和運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)算法的有效性， 利用獲取的目標(biāo)質(zhì)心點(diǎn)的位置時(shí)間序列對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了跟蹤仿真實(shí)驗(yàn)。

由于仿真的相似性， 本文只給出了推廣卡爾曼濾波在O Z 方向的仿真結(jié)果， 如圖4 所示。其中圖4（a, b） 分別是觀測(cè)噪聲方差為3 個(gè)像素時(shí)目標(biāo)在Z軸方向的位置p 和運(yùn)動(dòng)速度v 的估計(jì)誤差曲線（150 次Mon te Carlo 運(yùn)行）。其中目標(biāo)的起始位置為（115, 1, 10）m , 速度為（110, 115, 215）m /s, 加速度為（0125, 011, 015）m /s2; 攝相機(jī)運(yùn)動(dòng)為實(shí)際中容易實(shí)現(xiàn)的且滿足機(jī)動(dòng)的條件， 其初始位置為（ 010, 015, 010） m , 初始速度為（ 015, 0175, 110）m /s, 運(yùn)動(dòng)加速度為（0125, 0105, 015）m /s2.

圖4 推廣卡爾曼濾波Z 方向（深度）的仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可見， 隨著機(jī)器人車體的不斷機(jī)動(dòng)和濾波次數(shù)的增加， 目標(biāo)位置的估計(jì)值在20 幀左右就可收斂到理論真值， 而且抖動(dòng)很小， 可滿足系統(tǒng)快速定位與跟蹤要求。

6 結(jié)束語

本文對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的局部視覺定位方法進(jìn)行了深入研究。二次成像法要求攝像機(jī)第二次成像時(shí)的位置要有較大變化， 從而導(dǎo)致利用序列圖像所獲取的目標(biāo)位置信息誤差較大。與之相比本文提出的定位方法可更精確地得到目標(biāo)的空間位置和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。這為移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃、伺服跟蹤等提供了更可靠的依據(jù)。