[發明專利]基于3D立體感知技術的自主導航機器人系統

有效

• 申請號: 201710115504.1
• 申請日: 2017-03-01
• 公開（公告）號: CN106826833B
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發明（設計）人: 劉桂華;鄧豪;張華;吳倩;王曼;鄧鑫;朱瑩瑩
• 申請（專利權）人: 西南科技大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B25J19/02;B25J19/04
• 代理公司: 成都正華專利代理事務所(普通合伙) 51229
• 代理人: 李蕊;何凡

1.一種基于3D立體感知技術的自主導航機器人系統，該系統主要包括場景深度信息采集系統、移動機器人實時姿態估計系統、移動機器人三維場景重構系統、復雜環境下三維目標識別系統、移動機器人自主導航系統；其實現步驟主要包括場景深度信息采集、機器人自主三維環境感知、機器人對目標的自主三維識別以及機器人自主路徑規劃；

場景深度信息采集系統：包括TOF相機與CCD陣列兩種攝像機，TOF相機提供低分辨率深度圖，CCD陣列提供立體視覺信息，通過立體視覺與低分辨率深度圖融合算法，獲取到高分辨率的深度圖；

移動機器人實時姿態估計系統：通過上述場景深度信息采集系統獲取到機器人所在環境的三維場景信息，通過場景表面點云計算出表面法線圖，用以估計機器人實時姿態；

移動機器人三維場景重構系統：三維場景重構主要指在機器人所處環境中進行實時三維重建，以便于機器人進行實時三維環境感知、目標識別及自主導航；

復雜環境下三維目標識別系統：三維目標識別主要指在復雜背景下，對機器人所在環境中特定目標進行識別，便于機器人定位作業目標及路徑規劃；

移動機器人自主導航系統：移動機器人自主導航是基于三維場景感知及三維目標識別基礎之上，完成機器人自主規劃作業路徑、自主避障及在作業過程中遇見動態障礙物時自主重優化過程；

場景深度信息采集：融合TOF攝像機與CCD陣列兩種攝像機優勢，TOF攝像機提供的低分辨率深度圖,研究低分辨率深度圖與立體視覺的匹配融合算法，通過立體視覺以及數據融合優化的方法，在可見光攝像機視野下獲取高分辨率的深度圖，實現TOF攝像機與陣列立體視覺系統在相同的覆蓋空間上，在空間上達到嚴格一致；

機器人自主三維環境感知：場景感知為在場景數據獲取與表示的基礎上，結合視覺分析與模式識別技術手段，從計算統計、結構分析和語義表達的不同角度挖掘視覺數據中的特征與模式，從而實現對場景有效感知，包含機器人對場景幾何結構感知、機器人位姿感知以及機器人目標物體感知；

場景幾何結構感知是指三維場景重構，就是重構機器人所處的三維場景，并表示成機器人能夠的理解的結構，即使機器人智能感知自己所處的環境；

機器人位姿感知就是計算移動機器人在場景中的位置及姿態，使機器人感知到自己在場景中位姿；采用在線深度圖序列實現移動機器人6DoF姿態估計及實時三維模型重構，使移動機器人不僅能夠感知自身的姿態，而且可以感知到場景的三維幾何結構；

機器人目標物體感知就是利用目標物體的先驗知識，采用模式識別算法訓練目標識別系統，從而使機器人能在場景中識別出目標物體，即使機器人感知到場景中由哪些目標組成；

機器人自主路徑規劃：使用A線算法；

機器人自主三維環境感知的具體實現步驟為：虛擬一種深度相機，將它們均勻地布置在一個足夠包含整個模型的球體表面上，每個相機只獲得模型的一個局部點云視圖，實際過程中，為了得到這個球體，算法先從正二十面體的一個面開始，用4個等邊三角形分割這個三角形面，針對每一個面，重復前面的做法，直到達到想要分割的三角形數量，分割完三角形的數量代表了使用多少三角形來逼近球體，在得到的每一個三角形重心布置一個虛擬相機，通過采樣顯示卡中深度緩存數據來得到模型三維多邊形網格一個局部視圖，當每個模型的局部視圖都獲取完成對每個視圖計算它們的特征，產生模型庫特征描述集；當獲得當前場景與模型庫中每一個模型的特征描述之后，采用FLANN算法來快速計算場景特征與模型中的特征的最近鄰匹配并對應分組，由于存在一個場景中包含多個目標的情況，采用場景的特征描述與模型庫中的每一個目標的特征匹配，這樣如果場景中包含了多個目標也會被匹配出來，通過設置閾值剔除那些遠離特征空間的對應組，最后，對于每個對應分組都將通過強制檢測它們之間的幾何連續性來剔除不符合要求的對應組。

2.根據權利要求1所述的基于3D立體感知技術的自主導航機器人系統，其特征在于，所述機器人目標物體感知識別實際場景中被部分遮擋目標物體中，通過對目標三維模型進行均勻采樣，利用局部特征描述識別場景中的目標物體；考慮到實用性，復雜環境下三維目標識別系統支持在線訓練，即支持在線添加先驗目標模型并訓練，同時，復雜環境下三維目標識別系統支持應用環境多樣化，作業方式可定制的功能。

3.根據權利要求1所述的基于3D立體感知技術的自主導航機器人系統，其特征在于，所述三維場景感知過程中，采用多尺度表面信息的快速ICP配準算法，在實現表面高質量配準的同時，實時地計算移動機器人姿態信息。