[發明專利]基于三焦張量和關鍵幀策略的移動機器人位姿估計方法

有效

• 申請號: 201510445644.6
• 申請日: 2015-07-27
• 公開（公告）號: CN105096341B
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發明（設計）人: 陳劍;賈丙西;張凱祥
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06T7/246
• 分類號: G06T7/246
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司33200
• 代理人: 林松海

技術領域

本發明屬于機器人與計算機視覺的交叉領域，涉及基于視覺的移動機器人位姿估計問題，尤其涉及基于三焦張量和關鍵幀策略的移動機器人位姿估計方法。

背景技術

隨著機器人技術的迅速發展，機器人在實際中扮演著重要的角色，其承擔的任務也更加復雜多樣。特別的，對于移動機器人，傳統的方法往往基于GPS、里程計等位置測量設備對其進行控制，其控制精度受到傳感設備精度的限制，而且任務的靈活度較差，需要給定機器人在物理空間中的參考軌跡，增加了實現難度和成本。視覺伺服控制利用視覺信息作為反饋,對環境進行非接觸式的測量,利用更大的信息量,提高了機器人系統的靈活性和精確性,在機器人控制中具有不可替代的作用。

經典的視覺伺服控制方法可以分為基于位置、圖像和幾何約束的方法，主要體現為誤差系統構造方式的不同。根據以往的綜述(賈丙西,劉山,張凱祥,陳劍.機器人視覺伺服研究進展:視覺系統與控制策略，自動化學報,2015,41(5):861-873)，基于圖像和幾何約束的方法對圖像噪聲和相機標定誤差的魯棒性更好，并且需要較少的先驗知識，應用范圍更廣。但是，對于大部分視覺伺服系統而言，一般都要求在控制過程中目標特征點至少部分在視野內，從而構造有效的視覺反饋。然而，由于相機的視野范圍有限，而且現有圖像特征提取的方法在發生大的旋轉/平移時重復性和精確度并不好，從而影響了視覺伺服系統的精度，限制了其工作空間。另外，對于移動機器人而言，大部分的移動機器人都具有非完整約束，即具有三個空間自由度，但是只有兩個控制自由度。以往的研究中有學者(Salaris P,Fontanelli D,Pallottino L,et al.Shortest paths for a robot with nonholonomic and field-of-view constraints,IEEE Transactions on Robotics,2010,26(2):269-281)針對非完整約束移動機器人提出了保證目標可見的軌跡規劃策略，但是需要一定的先驗知識，而且規劃得到的路徑往往是曲折的，這在實際中降低了機器人的工作效率。

視覺伺服中常用的多視圖幾何約束主要包括單應性、對極幾何、三焦張量等，基于多視幾何的視覺伺服一般都涉及對機器人的姿態進行估計。其中，基于單應性的視覺伺服通常結合三維空間信息與圖像信息進行誤差系統的構建，但在對單應性矩陣進行分解時存在多解問題(四組解)，往往需要目標平面的先驗知識，為了求解方便往往要求特征點共面；基于對極幾何的方法利用兩個視圖之間的極點信息估計機器人的相對姿態，但是當兩個視圖鄰近時會出現奇異，并且當兩個極點都調整到零時存在位姿的歧義，只能保證二者方向相同且共線，需要切換到其他控制策略從而調整到目標位姿?；谌箯埩康姆椒ɡ萌齻€視圖的對應關系對機器人的姿態進行估計，與場景的結構無關，而僅與視圖之間的相對姿態有關，具有更好的普適性。然而，相比于單應性和對極幾何這種兩視圖幾何的方法，三焦張量要求三個視圖中具有匹配的特征點，對視野約束的要求更強。另外，特征點提取和匹配的方法在發生旋轉和平移變換時的重復性和精度并不好，影響了視覺伺服系統的精度，也限制了機器人視覺伺服的工作空間。

發明內容

為了克服以往技術的不足，本發明針對視覺伺服跟蹤控制問題提出了基于三焦張量和關鍵幀策略的移動機器人位姿估計方法，以及根據該方法的視覺伺服跟蹤系統和移動機器人。

一種基于三焦張量和關鍵幀策略的移動機器人位姿估計方法，用于移動機器人的視覺軌跡跟蹤任務，利用移動機器人在示教的過程拍攝的環境圖像作為期望軌跡，從期望軌跡中選取關鍵幀，然后基于三焦張量對三個視圖進行幾何模型構建，從而提取位姿信息；所述的三個視圖為當前視圖C和其它任意兩個視圖C₀,C^*。

所述的幾何模型構建過程為，對于當前視圖C，通過計算與另外兩個視圖C₀,C^*的三焦張量，從而得到當前視圖相對于C^*的位姿信息，包括角度信息和含未知比例因子的位置信息。

從所述期望軌跡中選取的包含初始視圖和最終視圖的圖像序列作為關鍵幀，且相鄰的關鍵幀之間具有預設閾值的匹配度；在位姿估計的過程中，首先計算當前視圖與兩個最匹配的關鍵幀之間的三焦張量，得到相對于最匹配關鍵幀的位姿信息，再迭代變換到最終視圖下，得到全局坐標下連續的位姿測量。

一種采用根據任一項方法的視覺伺服跟蹤系統。

一種采用根據任一項方法的移動機器人。