面向视觉伺服的鱼眼视觉建模与位姿估计

作     者：朱国鑫 

作者单位：天津工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李宝全;张庆生

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：鱼眼相机 单应矩阵 视觉伺服 点线特征 轮式移动机器人 

摘      要：鱼眼相机是一种超广角镜头,被广泛应用于计算机视觉领域,相比于透视相机采集的图像,鱼眼图像具有信息量更大,视角更广和成本更低的优势。因此采用鱼眼相机设备可以获得更大范围内的自然场景特征信息,从而提高图像采集的效率,可以更高效地完成视觉伺服任务。本文以鱼眼相机和视觉伺服技术为研究背景,针对鱼眼视觉的成像建模,鱼眼相机的标定,点特征鱼眼相机位姿估计,线特征鱼眼相机位姿估计以及鱼眼视觉位姿估计误差分析等问题展开深入研究。主要完成的工作内容如下: 1)针对传统鱼眼相机成像投影模型的图像映射关系不规则,引起场景特征信息定位精度低,导致位姿估计不准确的问题,设计了基于轮式移动机器人的单目鱼眼视觉伺服系统。对移动机器人的运动学模型和鱼眼视觉成像投影模型进行了建模与设计,之后搭建了鱼眼视觉伺服系统实验平台,包括移动机器人、鱼眼相机的硬件平台与上位机的通讯连接以及软件实验平台的构建,保证了对鱼眼视觉伺服系统的精准控制。最后,完成了鱼眼相机的标定实验,获得鱼眼相机的内参数,为后续验证本文所提出的位姿估计算法的有效性奠定了基础。 2)针对传统的视觉伺服系统采用透视相机会出现特征信息丢失、视野受限等问题,提出了一种基于单应矩阵分解的点特征鱼眼视觉位姿估计研究策略。该策略利用运动规划算法来规划对齐轨迹,然后对鱼眼相机成像投影模型进行了建模,之后通过对鱼眼相机反向成像投影模型的分析,得到了基于鱼眼视觉的单应性关系。在此基础上,计算所需的图像轨迹并估计机器人位姿,然后采用自适应控制器完成期望轨迹的跟踪。与传统方法相比,该策略将运动规划和轨迹跟踪技术相结合,实现了更加平滑和高效的控制效果。最后通过仿真和对比实验验证了该方法的鲁棒性和有效性。 3)针对点特征在场景亮度较暗和纹理缺失的复杂环境中出现视觉伺服任务失败的问题,提出了一种基于线特征的轮式移动机器人鱼眼视觉控制方法。该方法分析了机器人运动学模型以及线特征的几何表示,之后设计了基于线特征的鱼眼投影模型,并对线特征下鱼眼单应性进行了估计与分解,提出了一个虚拟透视相机方案来代替鱼眼相机,进而实现位姿估计。最后基于自适应控制器,改善了在场景亮度较暗的环境下点特征丢失导致定位失败的情况。通过所设计的基于单应矩阵分解的线特征鱼眼视觉位姿估计算法,提高移动机器人视觉伺服系统的鲁棒性和准确性,仿真和实际实验结果验证了所提方案的性能。