[發明專利]一種基于電液可調焦鏡頭的移動機器人的目標跟蹤方法

有效

• 申請號: 201810329431.0
• 申請日: 2018-04-13
• 公開（公告）號: CN108600620B
• 公開（公告）日: 2021-02-23
• 發明（設計）人: 夏瑞隆;李恒宇;丁長權;劉靖逸;羅均
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: H04N5/232
• 分類號: H04N5/232
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 陸聰明

本發明涉及一種基于電液可調焦鏡頭的移動機器人的目標跟蹤方法，通過對光學成像系統建模，得到電液可調焦鏡頭焦距與最優成像物距間的函數關系，利用該函數關系可獲得處于清晰狀態下的目標與移動機器人之間的距離信息和目標在時間間隔t內的平均運動速度，借助于這些信息來更新移動機器人的跟蹤速度，使得其與目標間的距離始終保持在合適的范圍內，對目標實現有效跟蹤；同時，因為在獲取目標距離信息時對目標進行的自動對焦，可使觀察者始終獲得目標清晰、細節豐富的圖像反饋。

技術領域

本發明涉及一種基于電液可調焦鏡頭的移動機器人的目標跟蹤方法。

背景技術

智能機器人作為人類的新型生產工具，在減輕勞動強度，提高生產率，改變生產模式，把人從危險、惡劣、繁重的工作環境下解放出來等方面，顯示出極大的優越性。移動機器人是智能機器人的一個重要分支，是一類能通過傳感器感知環境和自身狀態，實現在有障礙物的環境中面向目標的自主運動，從而完成一定作業功能的機器人系統，已在軍事偵察、宇宙開發、掃雷排險、防核化污染等危險和惡劣的環境中得到廣泛的應用。一般而言，移動機器人必須具有環境感知、目標追蹤、決策判斷、機動性和人機交互等功能，具體而言：能夠利用成像系統、激光測距儀、聲納等識別場景信息和目標狀態；能夠利用目標追蹤算法在像平面保持對目標進行穩定追蹤；能夠依據感知的信息進行避障、目標跟蹤、沿指定路徑行進等，能夠根據場景信息的變化自動調整行為模式；能夠根據任務需求實現機動，移動方式主要有輪式、履帶式、足式等；使用者可采用命令行或操作界面的方式驅動機器人執行指定任務，可以通過圖像、語音、文本等方式獲得機器人反饋的任務執行情況。

視覺信息作為人類感知外界信息的主要依據，在各類信息的占比可達80％。因此對于執行運動目標追蹤的移動機器人而言，往往以圖像序列作為檢測、識別、跟蹤目標的信息源，并以圖像作為主要的人機交互方式來反饋目標信息，以幫助移動機器人的使用者更好地觀察被跟蹤目標，感知當前環境狀態，做出進一步指令。目標與移動機器人之間的距離是移動機器人進行決策判斷的依據之一，若能直接由目標圖像得到距離信息，而不借助于諸如激光測距儀、聲納等設備，將大大降低移動機器人的系統復雜度。

移動機器人在隨動跟蹤過程中，與目標之間的距離難免會發生變化。移動機器人在跟蹤目標的過程中需要與目標保持合適的距離。若距離太近，當目標突然減速時移動機器人可能會因為制動不及時與目標發生碰撞，距離過近也不利于觀察者通過圖像反饋獲取目標的整體狀況和周邊環境的信息；若距離過遠，則移動機器人可能因目標突然加速或轉向而跟丟目標。此外，對于一套特定的光學成像系統，當其光圈大小、焦距等參數選定之后，其景深大小和位置就唯一確定下來。目標物距的變化很可能使其離開景深范圍，造成其圖像因離焦而模糊。因離焦而產生的模糊會使圖像的邊緣信息減少、細節信息丟失、圖像白化，這些勢必會影響目標追蹤算法中的關鍵部分——目標特征表征的性能，進而影響目標追蹤算法的整體性能；目標離焦產生的模糊還會妨礙視頻觀測者觀察目標的細節和邊緣信息。

以optotune為代表電液可調焦鏡頭的出現大大改變了上述困境。該類鏡頭具有調焦響應速度快、能耗低、結構緊湊、重復定位精度高等優勢，可實現快速精確對焦。通過對包含該鏡頭的光學成像系統建模，可得到變焦鏡頭的焦距與最佳成像物距之間的函數關系，當經過自動對焦后的目標處于清晰狀態時，可以利用該函數關系得到目標的距離信息，從而為移動機器人制定合適的隨動策略，使得其與目標之間的距離保持在合適的范圍內。利用電液可調焦鏡頭保證目標始終處于清晰狀態、使移動機器人和目標間的距離處于合理區間、獲取目標與移動機器人之間的距離信息，對于提升移動機器人的目標跟蹤任務的執行效果、降低系統復雜度而言具有重大意義。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術存在的問題，提出一種基于電液可調焦鏡頭的移動機器人的目標跟蹤方法，能保證移動機器人跟蹤的目標始終處于清晰狀態、移動機器人和目標間的距離始終處于合理區間。可指導移動機器人根據目標運動情況制定跟蹤策略，對目標實現有效跟蹤。

為了達到上述目的，本發明的構思如下：