基于鱼眼视觉的移动机器人运动估计及其视觉伺服控制研究

本课题拟基于鱼眼视觉系统和球面投影模型对自主移动机器人的运动参数估计和视觉伺服控制问题进行研究。主要研究内容包括：通过定性分析确定机器人任意运动模式在球面投影模型下的光流场特征，以EM算法为框架研究球面投影模型下的运动参数迭代估计算法，利用运动参数估计结果实现移动机器人的三维运动空间感知功能；在控制方面，将所实现的运动参数估计算法融入反馈环，结合视觉系统特点分别在参数级、命令级、特征级等层面上设计速度环和位置环控制率，实现移动机器人的视觉伺服控制算法。本课题研究可实现无外在假设条件的机器人运动估计算法，填补移动机器人视觉伺服控制领域中的速度环设计空白，同时可解决传统视觉方案中普遍存在的、由于特征点匮乏而造成的感知"盲区"问题，提高系统鲁棒性和可靠性。

本课题基于鱼眼视觉系统和球面投影模型对自主移动机器人的运动参数估计和视觉伺服控制问题进行研究，以期在实现运动参数估计算法的基础上，实现移动机器人视觉伺服中的伺服环控制率设计问题，同时解决传统视觉方案中普遍存在的、由于特征点匮乏而造成的感知“盲区”问题，提高系统鲁棒性和可靠性。在鱼眼模型标定与像素点置信度模型构建方面方面，设计实现了适用于鱼眼标定的宽幅多特征圆标定板，并提出了一种基于椭圆检测和参数拟合的特征点高精度检测和可靠性排序算法, 不但能够实现标定板成像的全视野覆盖，而且能够在很大程度上提高特征点的检测精度，保证特征检测过程的可靠性和鲁棒性，同时能够提高较为宽泛的图像采集角度范围；推导并实现了Kannala标定算法中的Jacobian矩阵，并对其进行了实验验证；提出了一种基于球面-平面映射变化率的归一化像素置信度模型，该模型用以表征图像特征的可信度。在基于视觉的运动估计方面，提出了一种利用单目像机进行实时位姿估计的视觉码盘算法；给出了用以判断该算法运动估计结果有效性的三个判据；并针对图像场景为非平面的情况，提出了一种利用拟和单应矩阵误差对其进行判断的方法；实现了基于P4P问题求解方法的多路标鱼眼成像定位算法，并对其有效性进行了充分的实验验证。在视觉伺服控制方面，提出了一种基于多人工路标的移动机器人视觉伺服控制方法；提出了一种基于轨迹跟踪视觉伺服和位姿镇定伺服综合策略的智能轮椅狭窄空间自动泊位控制算法；提出了一种基于雅可比矩阵和非完整约束的视觉伺服位姿镇定控制算法；提出了一种基于拓扑地图的移动机器人大位移视觉伺服定点导航策略。以上述技术研究为基础，设计实现了面向基于鱼眼视觉伺服控制的软件实验平台。本课题研究已录用和发表论文17篇，其中EI 16篇；申请发明专利1项；申请软件著作权2项；培养博士生3名，其中已毕业1名，在读2名；培养硕士生2名，其中已毕业1名，在读1名。综上所述，本课题圆满完成了合同规定的相关研究任务和研究指标。