● 摘要
智能移动机器人是具有感知、思维和行动功能的机器。随着社会自动化程度的提高，机器人越来越多地代替人完成繁重和危险的工作，并扩展了人类的活动范围。目前，星球探索成为世界上主要国家的研究热点，在这种背景下，智能机器人技术越来越显示出它的重要性，成为对国民经济和国家安全具有高度战略意义的高新技术。当今我国的自主移动机器人技术总体上落后于日本和西方发达国家，因而努力提升我国的机器人智能化水平，对于提高我国的综合科技实力、综合国力和国际竞争力具有深远意义。 导航是指引导载体从出发点到达目的地的技术和方法。移动机器人实现自主导航的前提具有可靠、准确的环境感知能力。本论文在国家“985工程”支持下，主要研究了应用于移动机器人自主导航的机器视觉技术，并就与自主导航相关的机器人定位、环境建模和路径规划等关键技术进行了深入探讨。根据结构光视觉传感器的探测信息，利用改进的VFH算法成功地实现了机器人趋于目标的自主避障；基于三目立体视觉传感器的三维环境重构信息，利用A* 算法实现了最优的全局路径规划。为获得更好的机器人导航效果，本文提出了将全局规划与避障相结合的复合式导航策略。具体内容包括以下几点： ① 在移动机器人平台上构建了传感器硬件系统，分别讨论了两种视觉传感器的数学模型及其标定方法。传感器的标定是其工作的前提，为实现较远距离观测摄像机的标定，采用了一种基于平面柔性靶标的分步标定方法。为建立传感器与车体坐标系的空间转换关系，提出了一种借助于平面反射镜的移动机器人足目标定方法。 ② 对视觉信息的提取方法进行了研究。实现了结构光视觉图像的区域分割和特征提取；改进了Canny边缘提取算子，提出了一种针对边缘线的三目立体匹配方法；提出了一种正交多基线三目立体图像的极线校正方法，在此基础上实现了基于区域相似性计算的三目致密匹配、亚像素视差定位与空间三维重构。 ③ 为得到较为准确的机器人位置估计，通过实验对里程计的航位推算距离进行了简单的校正。通过卡尔曼滤波融合了里程计和电子罗盘的传感器信息，有效地抑制了电子罗盘的输出噪声。 ④ 实现了基于栅格地图的机器人环境建模方法，提出了一种栅格可视图的构建方法以用于全局路径规划。对矢量场直方图避障方法进行了改进，在此基础上构建了基于结构光视觉的机器人避障规划系统模块，实现了移动机器人自主避障。基于栅格－可视图环境模型，采用A* 算法实现了机器人全局路径规划，构建了基于立体视觉的全局路径规划系统模块。 ⑤ 提出了全局路径规划和局部避障规划相结合的复合式导航方法。实验结果表明，全局规划指导下的机器人导航效果优于避障。 ⑥ 对视觉测距误差、机器人定位误差以及合成误差进行了分析。