基于雙目視覺運動及慣性導(dǎo)航定位測量機器人的研發(fā)

陳廣寧 陳文杰 吳玉林 劉晨 陶曉宇

【摘 要】 隨著智能機械化的發(fā)展，越來越多的機器人代替了人類勞動，同時這一智能機械化的發(fā)展大大降低了危險地帶的死亡率。本次研發(fā)的雙目視覺運動及慣性導(dǎo)航定位測量機器人就是在測量機器人的基礎(chǔ)上加上驅(qū)動器，來使得這種機器人在危險的隧道、山洞、煤礦中也可以進(jìn)行正常的測量物體的三維坐標(biāo)信息，做到真正的解放人力。

【關(guān)鍵詞】 雙目視覺 慣性導(dǎo)航 定位 測量機器人

1 ?雙目視覺運動及慣性導(dǎo)航定位測量機器人的概念

雙目視覺運動及慣性導(dǎo)航定位測量機器人是指在雙目視覺運動機器人的基礎(chǔ)之上加上慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)。因此，所謂的雙目視覺運動及慣性導(dǎo)航定位測量機器人就是采用類似于人的左右眼的CCD攝像頭作為測量機器人的左右眼，雖然被測物體在不同的觀測位置下的呈現(xiàn)出不同的成像，但是利用CCD鏡頭可以將這兩幅不同位置下的成像融合成一個圖像，這樣就更能方便對復(fù)雜的事物進(jìn)行觀測。此外，這臺機器人還裝有慣性原件（主要包括陀螺儀、加速度計等慣性敏感原件），而所謂的慣性原件就是采用重力及慣性的作用來測量出機器人在受重力作用下產(chǎn)生的加速度，之后在經(jīng)過機器的計算來得出機器人所處的具體的位置從而實現(xiàn)導(dǎo)航。

總之，雙目視覺運動及慣性導(dǎo)航定位測量機器人可以效仿人眼處理客觀事物的景象，并通過兩個CCD鏡頭來感知同一物體存在的差異而獲取被測物體的3D信息，進(jìn)而可以直接測出機器人距離被測物體的距離。另外，它還具有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，可以把陀螺儀和加速度計作為導(dǎo)航參數(shù)的解算系統(tǒng)，并根據(jù)陀螺儀中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來解算出一個導(dǎo)航坐標(biāo)系，再通過加速度計解算出的數(shù)據(jù)即可得到機器人在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的位置和速度，從而實現(xiàn)自動導(dǎo)航和定位系統(tǒng)。因此，這類機器人可以在人類很難接觸到的危險位置進(jìn)行測量工作。

2 ?常用測量機器人種類及特點資料

2.1 SRX測量機器人。儀器介紹：索佳超級測量機器人可實現(xiàn)對目標(biāo)的快速判別、鎖定、跟蹤、自動照準(zhǔn)和高精度測量，可以在大范圍內(nèi)實施高效的遙控測量。超級目標(biāo)捕捉系統(tǒng)由鏡站端可發(fā)射扇形光束的RC遙控器和測站端SRX系列全站儀上的光束探測器組成;光束探測器能敏銳地感知RC遙控器所發(fā)出的瞬間光信號，并驅(qū)動全站儀快速地指向目標(biāo)，對目標(biāo)進(jìn)行精確照準(zhǔn)和測量。系統(tǒng)內(nèi)置智能方向傳感器可以判別和鎖定指定目標(biāo)，實現(xiàn)對目標(biāo)的智能跟蹤。

2.2 GPT-9000A彩屏 WinCE測量機器人。儀器介紹：彩屏 WinCE測量機器人采用最安全的1級激光，無棱鏡測距達(dá)2000m，再一次打破了無棱鏡測距的極限。

系統(tǒng)特點： 用最安全的1級激光，無棱鏡測距達(dá)2000m，再一次打破了無棱鏡測距的極限 ;紅色激光指向（裝有紅色、極小光點激光指示器，輕松可知被測點位置，方便用戶定向或放樣作業(yè)）;XTRAC棱鏡跟蹤技術(shù)（瞬間重捕跟蹤鎖定技術(shù)、拓普康第三代快速鎖定技術(shù)、快速鎖定技術(shù)和IR通訊技術(shù)的完美結(jié)合）;高級系統(tǒng)設(shè)計，儀器端和反光鏡端均為無線連接，彩色觸摸屏，新型超快速伺服馬達(dá)驅(qū)動;內(nèi)置無線電通訊系統(tǒng)等。

2.3 ?GTS-900A測量機器人。儀器介紹：配備自動追蹤，自動照準(zhǔn)功能和Windows CE操作系統(tǒng)，跟蹤速度達(dá)15°/秒;可以用于幾乎所有的測量領(lǐng)域。

系統(tǒng)特點：具備瞬間重捕跟蹤鎖定技術(shù)，拓普康第三代夸蘇鎖定技術(shù);彩色觸摸屏幕，新型超快速伺服馬達(dá)驅(qū)動;內(nèi)置無線電通訊系統(tǒng);新型的野外FC-200野外控制器等;功能強大的TopSURV軟件。

2.4 ?TCA2003/1800測量機器人。系統(tǒng)特點：世界上最高精度的機器人：測角精度（一測回方向標(biāo)準(zhǔn)偏差）0.52，測距精度1mm+1ppm具有ART功能的TCA2003/1800全站儀，把地面設(shè)備帶入了測量機器人時代;以性能穩(wěn)定可靠著稱利用ART功能，白天和黑夜都可以進(jìn)行工作;通過相關(guān)工具用戶可以自開發(fā)機載應(yīng)用軟件;在GeoCOM模式下，通過計算機軟件的控制，可組成各種自動化測量系統(tǒng)在測量辦公軟件SurveyOffice或Leica Geo-0ffice的幫助下，可把儀器內(nèi)PC卡上保存的數(shù)據(jù)輕松地傳輸?shù)接嬎銠C中廣泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程測量或變形監(jiān)測領(lǐng)域。

3 ?雙目視覺機器人點資料整理

3.1雙目視覺的工作原理。雙目視覺機器人的視覺識別系統(tǒng)是科研人員基于人體視覺研究進(jìn)行的[1]。其原理如下：太陽照射到物體的光，一部分被物體吸收，另一部分則經(jīng)過反射進(jìn)入人眼視網(wǎng)膜并在視網(wǎng)膜上成像，于是人眼便看到了世界萬物。對于雙目視覺機器人而言，光線通過鏡頭進(jìn)入圖像采集器并形成圖像輸出。雙目立體視覺利用兩個安裝位置不同的相機獲取的二維圖像，然后根據(jù)視差原理，通過三角測量[2]的方法獲得目標(biāo)物體的三維位置信息。

3.2雙目視覺目標(biāo)識別。由于傳統(tǒng)的目標(biāo)識別算法受環(huán)境、對象變化的制約，且在識別正確率及速度上存在不足，因此本文提出了基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)識別算法YOLO[3]。首先，先對數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，準(zhǔn)確識別目標(biāo)并得出目標(biāo)的位置信息，然后利用雙目視覺對目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)定位并得到其三維坐標(biāo)。其流程如下：（1）攝像機采集圖像，將圖像劃分為S*S網(wǎng)格（2）通過網(wǎng)格預(yù)測出B矩陣和置信度得分，記錄的元素有X，Y，W，H和P（object）*10U，其中P表示當(dāng)前位置是目標(biāo)的概率，10U表示重疊概率，X，Y是中心坐標(biāo)，W，H分別表示寬度和高度（3）計算每個預(yù)測網(wǎng)格的概率P.

4 ?數(shù)據(jù)的處理

本文在提出雙目視覺運動及慣性導(dǎo)航定位測量機器人的概念后，先分別收集常用測量機器人和雙目視覺機器人的資料進(jìn)行整合，然后安裝軟件對現(xiàn)有數(shù)據(jù)處理處理軟件進(jìn)行分析，奠定相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。

結(jié) 論

本文通過對雙目視覺機器人[4]和定位測量機器人的監(jiān)測分析，發(fā)現(xiàn)了這些機器人都是在測量機器人的基礎(chǔ)上加上了雙目視覺和定位系統(tǒng)，通過影像傳感器來獲取影像，在計算機和控制器的顯示下生成自動跟蹤，從而得到了被測物體的各種數(shù)據(jù)，這一研究雖然能夠?qū)ξ矬w獲取到它的位置，坐標(biāo)等多方面的數(shù)據(jù)，但在精準(zhǔn)度和靈敏度方面仍有一定的欠缺。因為下一步的目標(biāo)將針對這一機器人的靈敏度造成的誤差進(jìn)行改良。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 張純純，馮創(chuàng)意，高統(tǒng)林.基于機器視覺的目標(biāo)識別與抓取研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2019，57（12）：93-96.

[2] 賀媛媛，陶知非，黃玉峰，王永芳.機器視覺系統(tǒng)在石油物探裝備中的應(yīng)用[J].物探裝備，2019，29（05）：342-344.

[3] 余俊. 基于雙目視覺的機器人目標(biāo)檢測與控制研究[D].北京交通大學(xué)，2011.

[4] 李鵬，張洋洋.室內(nèi)移動機器人雙目視覺全局定位[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2020，57（04）：254-261.