基于雙目視覺的越野機(jī)器人硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宋偉奇++覃妮妮

摘要：本文首先簡單介紹了越野機(jī)器人特點(diǎn)和現(xiàn)在研究發(fā)展的現(xiàn)狀。針對存在的問題，通的實(shí)驗(yàn)研究設(shè)計(jì)出越野機(jī)器人硬件電路系統(tǒng)，提出一種采用 CCD 圖像傳感器的雙目視覺越野機(jī)器人系統(tǒng)，為障礙物檢測研究搭建實(shí)驗(yàn)平臺。

關(guān)鍵詞：越野機(jī)器人；障礙物檢測；雙目視覺

中圖分類號：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）25-0125-02

1概述

越野機(jī)器人是一種可以室外非結(jié)構(gòu)化路面環(huán)境下通過傳感器識別環(huán)境和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)導(dǎo)航的機(jī)器人系統(tǒng)。越野機(jī)器人在行駛過程中，通過不斷地收集、處理路面環(huán)境數(shù)據(jù)，最后運(yùn)算并做出決策判斷，隨時(shí)調(diào)整自身的行進(jìn)狀態(tài)并執(zhí)行相應(yīng)的動作和操作，并且其還應(yīng)具有自主學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的功能。。

越野機(jī)器人的研究涉及圖形圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺、人工智能、自動化控制、等多個(gè)專業(yè)的理論與技術(shù)，是計(jì)算機(jī)科學(xué)和電子傳感技術(shù)的結(jié)合?？蓪?shí)現(xiàn)障礙物自主識別、無人駕駛汽車、安全測距、車速控制等功能，在軍用及民用多個(gè)領(lǐng)域都有重要應(yīng)用價(jià)值。越野機(jī)器人的研究是相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域交叉相互促進(jìn)發(fā)展的結(jié)果，其中視覺識別技術(shù)是其中的一個(gè)重要研究內(nèi)容。

越野機(jī)器人的視覺系統(tǒng)就像人的眼睛，主要完成路面信息采集、識別障礙物等功能，是機(jī)器人自主行駛中最重要的部分，稱為視覺信息傳感與實(shí)時(shí)處理技術(shù)。通常越野機(jī)器人的視覺信息的采集大多采用彩色攝像機(jī)來完成。視覺信息的正確與否、處理是否及時(shí)都關(guān)系到越野機(jī)器人行駛的速度、道路跟蹤以及避障的效果，更是實(shí)現(xiàn)越野機(jī)器人運(yùn)行實(shí)時(shí)性和魯棒性的基礎(chǔ)，可能認(rèn)為是整個(gè)越野機(jī)器人系統(tǒng)中最關(guān)鍵的技術(shù)。越野機(jī)器人采用的視覺技術(shù)主要有二維視覺和三維立體視覺兩種，因三維立體視覺可以直接獲取路面環(huán)境三維特征，比較適合于越野環(huán)境下行駛區(qū)域與障礙區(qū)域的檢測與識別，從而得到廣泛研究和重視。

越野機(jī)器人三維立體視覺系統(tǒng)的障礙物檢測技術(shù)主要又分為單目視覺和雙目視覺檢測。單目視覺檢測的方法是基于特征和運(yùn)動參數(shù)，結(jié)合模式識別來進(jìn)行檢測，但這種類方法中提取特征和運(yùn)動參數(shù)估計(jì)相對困難，且適應(yīng)性不強(qiáng)；雙目視覺技術(shù)是模仿人的眼睛特點(diǎn)，從而計(jì)算多種視差圖來獲取障礙物距離、位置等數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目開發(fā)設(shè)計(jì)的是基于雙目視覺的越野機(jī)器人硬件平臺和軟件系統(tǒng)。

2硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

越野機(jī)器人的視覺系統(tǒng)在整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)中起著非常重要的作用，其能夠幫助機(jī)器人進(jìn)行目標(biāo)識別和目標(biāo)定位。越野機(jī)器人視覺系統(tǒng)一般以計(jì)算機(jī)為中心，硬件系統(tǒng)由越野機(jī)器人、計(jì)算機(jī)、視覺傳感器和高速圖像采集卡組成；軟件系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件、視覺處理算法、機(jī)器人控制軟件組成。如圖1所示。

圖1 越野機(jī)器人雙目視覺系統(tǒng)平臺軟硬件結(jié)構(gòu)

2.1越野機(jī)器人

越野機(jī)器人是一種能自主識別環(huán)境，并完成動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能綜合機(jī)器人系統(tǒng)。越野環(huán)境中的運(yùn)動機(jī)器人的行駛機(jī)構(gòu)主要分為履帶式、步行式和輪式三種，三種行駛機(jī)構(gòu)各有其優(yōu)點(diǎn)。本項(xiàng)目的越野機(jī)器人采用是自主履帶式移動機(jī)械平臺機(jī)器人系統(tǒng)。平臺硬件系統(tǒng)的組成部分：車體、智能控制箱、立體導(dǎo)航系統(tǒng)，也就是雙目立體視覺系統(tǒng)安裝在車體的前部，智能控制箱安裝在車體后部，車體為履帶式行走機(jī)構(gòu)，包括電池，直流電機(jī)、各種驅(qū)動器以及兩個(gè)前驅(qū)動輪和兩個(gè)后被動輪。左、右輪式機(jī)構(gòu)分別由左、右直流伺服電機(jī)驅(qū)動。

雙目立體攝像頭在越野機(jī)器人車體的前部，左右各一路超聲傳感器前攝像頭。越野機(jī)器人智能控制箱在車體的后部，上面一排依次是：開機(jī)按鈕、電量指示窗、關(guān)機(jī)按鈕。下面一排依次是：左后超聲、倒車攝像頭、右后超聲。紅色的急停按鈕和液晶觸摸屏顯示器分別安裝在控制箱的面板上。同時(shí)安裝有有線網(wǎng)口或無線收發(fā)器模塊，可以對越野機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制及監(jiān)控。

2.2視覺傳感器

視覺傳感器是整個(gè)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)視覺信息源。本項(xiàng)目的越野機(jī)器人采用兩個(gè)視覺傳感器組成雙目立體視覺系統(tǒng)，兩個(gè)傳感器的性能參數(shù)要求一致。其主要功能是從不同角度同時(shí)獲取行駛環(huán)境中的原始圖像。常用的視覺傳感器有CCD攝像機(jī)、CMOS攝像機(jī)等。CCD攝像機(jī)是一種利用電荷存儲傳送和讀出方式進(jìn)行工作的固體攝像器件，是目前應(yīng)用較多的圖像采集裝置。以CCD攝像機(jī)+視頻采集卡+計(jì)算機(jī)結(jié)合進(jìn)行視頻捕獲的方式應(yīng)用也最為成熟，同時(shí)其具有體積小、重量輕、功耗小的特點(diǎn)，在分辨率、靈敏度和實(shí)時(shí)傳輸?shù)确矫嬉灿辛己玫男阅?。本?xiàng)目采用的兩個(gè)相同的CCD攝像機(jī)保持水平，并互相平行，組成雙目立體平行視覺系統(tǒng)。攝像機(jī)是彩色CCD攝像機(jī)，呈像顏色為彩色I(xiàn)P180，焦距為2.8mm，廣角清晰度為960P/1080p，逐行掃描CCD傳感器，鏡頭可視角度量2.8mm@F1.4，如圖2所示。

圖2 雙目立體攝像機(jī)

2.3高速圖像采集卡

圖像采集卡是將越野機(jī)器人從CCD攝像機(jī)采集的視覺圖像形成的模擬信號，經(jīng)A/D器轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號，再將這些數(shù)字信號存儲在計(jì)算機(jī)的存儲器中。當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)出傳送指令時(shí)，可將圖像信息經(jīng)過PCI總線送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存用于計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的是雙目視覺系統(tǒng)，需要兩個(gè)攝像機(jī)同時(shí)采集路面信息，故我們采用是多路彩色視頻圖像采集卡，具備圖像高品質(zhì)的質(zhì)量、穩(wěn)定性和集成度高等特點(diǎn)。圖像采集卡支持PCI總線、多路操作的功能，能同時(shí)對兩路以上彩色圖像實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集，將輸入的彩色圖像信號，經(jīng)數(shù)字解碼器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行縮放比例、裁剪、采集、色度空間變換等處理，最后通過PCI總線送達(dá)到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中實(shí)時(shí)存儲下來。滿足了本項(xiàng)目需要支持二路視頻的同時(shí)采集的雙目立體視覺系統(tǒng)的需要。

2.4計(jì)算機(jī)

本項(xiàng)目的視覺系統(tǒng)采用的計(jì)算機(jī)為嵌入式計(jì)算機(jī)，CPU處理器為Intel Pentium Dual-core T4400，內(nèi)存2G ，主頻2.2GHz，具備百兆網(wǎng)絡(luò)接口和提供PCI外接插槽，Intel芯片組集成顯示控制器和圖像處理引擎控制，組成成本低、功耗低、速度高的嵌入式系統(tǒng)。越野機(jī)器人所采集到的兩路圖像分別經(jīng)多路切換器，A/D解碼將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)緩沖器，經(jīng)裁剪、比例壓縮及格式轉(zhuǎn)換后，由內(nèi)部控制圖形系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)傳輸工作，最后輸出到控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。圖像信息中障礙物目標(biāo)位置的數(shù)據(jù)由軟件運(yùn)件確定，最后存入是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存。兩路復(fù)合圖像分時(shí)采集正好符合項(xiàng)目要求中對兩個(gè)攝像機(jī)同時(shí)進(jìn)行圖像采集的要求。與彩色圖像采集卡組成了高速的采集和處理系統(tǒng)，是整個(gè)越野機(jī)器人視覺系統(tǒng)的核心硬件系統(tǒng)。

3結(jié)論

本文主要是對雙目立體視覺越野機(jī)器人平臺進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜空間中的障礙物進(jìn)行檢測并進(jìn)行三維重構(gòu)，為越野機(jī)器人的導(dǎo)航、定位、避障等設(shè)計(jì)的越野機(jī)器人硬件系統(tǒng)平臺。重點(diǎn)分析了建設(shè)雙目視覺越野機(jī)器人的硬件系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)，及各組成部分的性能特點(diǎn)。根據(jù)該平臺的性能，分析比較了幾種可行的雙目視覺障礙物檢測方法，為下一步進(jìn)行程序開發(fā)做好理論基礎(chǔ)。

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