移动机器人变焦双目测距系统设计及应用

移动机器人变焦双目测距系统设计及应用1

李照杰，霍伟

北京航空航天大学第七研究室，北京（100083）

E-mail：zhj0215@，whuo@

摘要：本文设计了一个移动机器人车载双目立体视觉系统，系统以具有变焦功能的双CCD 摄像机为图像采集设备、图像处理卡DM642为核心处理器，基于双目三角测距算法实现了对目标的搜索与测距。该系统简单可靠，易于实现。将此系统用于移动机器人运动控制，实验结果验证了算法的有效性和系统设计方案的可行性。

关键词：移动机器人，变焦距，双目测距，三角法则

中图分类号：TP242

1.引言

近年来，随着摄影器件的发展、计算设备运算速度的提高及图像处理技术的进步，视觉系统在移动机器人导航避障控制中的应用越来越多，主要起到环境探测和目标识别的作用，为机器人提供更丰富的环境信息，例如移动机器人在全局坐标下的位置信息，运动目标的方位、距离和速度信息，以及移动机器人周围目标的分类等[1]。

利用视觉系统对远处目标进行距离测量可以分为单目视觉和双目视觉两类。单目视觉用一台摄像机取像，方法结构简单，易于实现实时监测。其单幅图像上各点的灰度值反映了三维物体相应点上反射光的强度，可由单幅图像灰度来恢复三维物体几何形状。但是，根据图像灰度值恢复相应表面的三维特性从本质上来说是一个约束不充分问题，在测距时不易得到目标的深度信息。

双目视觉测距利用两个位置相对固定的摄像机或一个可移动摄像机，从不同角度获取同一场景的多幅图像，通过计算空间点在两幅图像中的像差来获得目标相对移动机器人的位置。利用双目视觉测距的方法有多种：如基于视差的立体视觉[2]、矩阵测量法[3]等，这些方法一般都需要事先完成大量工作对摄像机进行复杂的技术标定。本文所设计的双目视觉系统将两摄像机固定于移动机器人上，只对其中一个摄像机的一个参数进行了简单标定，通过命令传输来控制另一摄像机协同进行目标搜索，获取到目标的图像信息后利用双目三角法则计算出目标相对移动机器人的距离和方位，以此来引导和控制移动机器人向目标行进。在到达距目标一定的安全距离时，再次利用双目视觉系统对目标进行重定位，消除初始的定位误差以及运动中的位移累积误差，最终引导移动机器人到达期望的目标位置。此方案方法简单，容易实现，实验结果验证了其可行性。

2.基于三角法则的双目测距算法

由于在推导测距算法时需要用到透镜的等效像距和目标在单目图像中的偏转角度这两个参数，故先研究这两个参数的获取，再推导双目测距算法。

2.1 透镜等效像距的标定

由于所用摄像机的焦距未知，因此通过实验来进行透镜等效像距的标定。摄像机光学成

f、物距u和像系统由透镜或透镜组构成，理想的单透镜成像原理如图1所示。其中焦距

L

1本课题得到国家自然科学基金重点项目(资助号:60334030), 教育部博士点基金项目(资助号:20050006024)

和北京市教委共建经费研究生教育项目(资助号:XK100060422)的资助。

像距v 三者满足如下高斯成像公式

111L f u v

=+ 由于移动机器人要搜索的目标距离L u f ，可以近似L f v ≈。

图1透镜成像原理图

在放大倍数为1z =倍时，设透镜的等效像距为1v ，对摄取到的图像水平等分为17个单

元，从左至右用数值0到17表示。设定物距为 1.5m u =，

可以测量出物面的宽度 1.13m w =（参见图2）。由图2中三角形1S 与2S 相似可得

1

/28.5w u v = 从而可求出放大倍数为1倍时的等效像距

117u v w

= 显然，当放大倍数为z 倍时，透镜的等效像距1z v zv =。

图2 透镜剖面图

2.2 目标在单目图像中偏转角度的求取

搜索到的目标图像经过图像算法处理及分区后，得到目标质心在图像中的水平位置为w ，其中017w ≤≤，其相对于光轴的距离8.5w w ∆=−。为计算方便，规定目标质心到

光心的连线与光轴的夹角σ如图2所示，

这样当目标质心在图像中的位置8w >时，σ为正，反之σ为负。当放大倍数为z 时，可求目标质心到光心的连线与光轴的夹角

18.5arctan

w v z

σ−= (1) 2.3 基于三角法则的双目测距算法

将两摄像机平行固定在移动机器人平台上，定义各参数如图3所示，其中两机之间的距离(基线)长度为d ；摄像机光轴初始方向垂直于基线，向右转时光轴偏转角β为正，向左为负；目标质心到光心的连线与光轴初始方向的夹角为α，当目标位于光轴的初始位置左边时α为正，反之为负；目标到基线中心o 的连线与过o 点的垂线间夹角为φ，目标位于垂线左边时φ为正，右边时φ为负；目标质心到o 点的距离为r 。若将图像平面映像到镜头前方（参见图3），则可知α，β和σ之间的关系为：αβσ=−−。本文所提出的双目三角测距算法，是根据已知参数d 及由目标图像中求出的σ和β，利用多个三角形法则计算出目标相对移动机器人的距离r 和方位角φ。

图3三角测距算法中参数的定义

由（1）式可得到

118.5

8.5arctan arctan ,arctan arctan l l r

r r l zr r zl l

w w w w v v z v v z σσ∆−∆−====

(2) 进一步可求出目标质心到左右光心的连线与左右摄像机光轴初始方向间的夹角分别为

r r r αβσ=−−，l l l αβσ=−−

(3) 在三角形5S 及34,S S 组成的三角形中，利用三角知识可以求得

tan()tan l l l l D D αα=−=−， tan r r l D α=

(4) 又由图3知基线的长度

l r d l l =+

(5) 将(4)式代入(5)式

tan tan (tan tan )l r r l d D D D αααα=−+=−

可得目标到基线的距离

tan tan r l

d

D αα=−

(6) 又由图3知