Ch19 第十九章 移动机器人视觉导航系统设计
机器人视觉导航算法设计与仿真
机器人视觉导航算法设计与仿真随着人工智能和机器人技术的不断发展，机器人视觉导航成为了一个重要的研究方向。
机器人的视觉导航可以帮助机器人在未知环境中自主导航和避免障碍物，使其能够更加灵活地完成各种任务。
本文将介绍机器人视觉导航算法的设计原理和仿真实验。
一、机器人视觉导航算法设计原理机器人视觉导航算法的设计原理主要包括环境感知、路径规划和避障三个部分。
1. 环境感知机器人在导航过程中首先需要对周围环境进行感知，以获取环境相关信息。
常用的环境感知方法包括激光雷达、摄像头、深度相机等。
激光雷达可以获取周围物体的距离和形状信息，摄像头可以获取图像信息，深度相机可以获取物体的三维信息。
通过综合利用不同的传感器，机器人可以获得更加全面和准确的环境信息。
2. 路径规划在获取环境信息后，机器人需要进行路径规划，即确定从当前位置到目标位置的最优路径。
路径规划算法可以分为全局路径规划和局部路径规划。
全局路径规划是在整个地图上进行规划，通常使用A*算法、Dijkstra算法等。
局部路径规划是在机器人周围的局部区域内进行规划，通常使用动态窗口法、基于速度的局部规划法等。
路径规划算法需要考虑避开障碍物、避免碰撞和最短路径等因素。
3. 避障在路径规划的过程中，机器人需要避开遇到的障碍物，以确保安全导航。
避障算法可以通过激光雷达或摄像头获取障碍物信息，并根据障碍物的位置和形状进行决策。
常用的避障算法包括人工势场法、虚拟障碍法等。
避障算法可以使机器人绕过障碍物或调整路径避免碰撞。
二、机器人视觉导航算法的仿真实验为了验证机器人视觉导航算法的有效性，常常需要进行仿真实验。
仿真实验可以在计算机上模拟机器人在不同环境下的导航过程，可快速获得结果并进行调整。
1. 环境建模首先需要对导航环境进行建模。
可以使用三维建模软件（如Blender）创建一个虚拟的导航环境，并添加不同类型的障碍物。
2. 传感器模拟在仿真实验中，需要模拟机器人的传感器。
机器人视觉导航与避障系统设计
机器人视觉导航与避障系统设计随着人工智能和机器人技术的发展，机器人视觉导航与避障系统在许多领域中扮演着重要角色。
这种系统可以使机器人自主地感知和理解环境，通过视觉信息进行导航，并避免碰撞障碍物。
在本文中，我们将探讨机器人视觉导航与避障系统的设计原理和关键技术。
一、机器人视觉导航系统设计原理机器人视觉导航系统的设计原理基于计算机视觉技术和路径规划算法。
首先，机器人需要通过摄像头或激光雷达等传感器获取环境中的图像或深度信息。
然后，使用计算机视觉技术对这些数据进行处理和分析，以提取出环境的关键特征，例如墙壁、障碍物和道路等。
接下来，系统将使用路径规划算法根据目标位置和环境特征生成安全的导航路径。
最后，机器人根据导航路径和实时感知数据进行导航和避障。
二、机器人视觉导航系统设计关键技术1. 特征提取与分析机器人视觉导航系统的关键技术之一是特征提取与分析。
通过图像处理和计算机视觉算法，机器人可以从传感器获取的数据中提取出关键的环境特征，例如边缘、直线和角点等。
这些特征可以用于建立环境地图和路径规划。
2. 环境建图环境建图是机器人视觉导航系统中不可或缺的一部分。
通过将特征提取的结果与实时感知数据相结合，机器人可以建立准确的环境地图。
环境地图可以提供给路径规划算法，帮助机器人规划安全的导航路径。
3. 路径规划与控制路径规划是机器人视觉导航系统中的另一个关键技术。
基于环境地图和目标位置，路径规划算法可以生成机器人的导航路径。
同时，路径规划还要考虑到机器人的动力学限制、避障约束和导航效率等因素。
生成的路径将被传递给机器人的控制系统，以实现实时导航和避障。
4. 障碍物检测与避障障碍物检测与避障是机器人视觉导航系统中最关键的技术之一。
通过实时感知数据和环境地图，机器人可以检测到障碍物的位置和尺寸。
基于这些信息，机器人可以采取相应的避障策略，例如绕行、转向或减速等。
同时，障碍物检测与避障还需要考虑到时间效率和鲁棒性等因素。
基于机器视觉的移动机器人导航与控制系统设计
基于机器视觉的移动机器人导航与控制系统设计导语：移动机器人作为一种重要的机器人形态，广泛应用于Warehouse，医院，工业等领域。
为了使移动机器人能够自主导航并安全运行，基于机器视觉的导航与控制系统设计显得尤为重要。
本文将基于机器视觉的导航与控制系统设计进行详细讨论，包括系统架构、关键技术和实现方法。
一、系统架构基于机器视觉的移动机器人导航与控制系统可以分为四个主要组成部分：感知模块、定位与建图模块、导航规划模块和控制执行模块。
1. 感知模块感知模块是导航与控制系统的基础，用于实时获取环境信息。
主要包括相机传感器、激光雷达、深度相机等传感器技术。
通过感知模块，机器人能够获取到场景中的物体位置、障碍物信息等重要数据，为后续的导航决策提供依据。
2. 定位与建图模块定位与建图模块利用感知模块获取到的传感器数据进行地图建立和机器人定位。
常用的定位与建图算法包括概率定位、滤波算法、SLAM技术等。
通过该模块，机器人能够实时更新自身位置和建立环境地图，为导航规划提供准确的位置信息。
3. 导航规划模块导航规划模块根据定位与建图模块提供的环境地图和机器人位置信息，确定机器人的路径规划。
常用的导航规划算法包括A*算法、Dijkstra算法、模糊逻辑等。
通过该模块，机器人能够快速且安全地规划出到达目标位置的最优路径。
4. 控制执行模块控制执行模块将导航规划模块输出的路径转化为机器人的控制指令，控制机器人执行相应的动作。
常用的控制执行技术包括PID控制、路径跟踪算法、动态阻抗控制等。
通过该模块，机器人能够实现精准的位置控制和运动控制。
二、关键技术基于机器视觉的移动机器人导航与控制系统设计涉及到多个关键技术，以下是其中几个重要技术的介绍：1. 视觉目标识别与跟踪视觉目标识别与跟踪是感知模块的核心。
通过使用深度学习算法，将机器人所需感知的目标进行分类和定位。
常用的目标识别算法包括卷积神经网络（CNN）、特征匹配等。
通过目标跟踪算法，机器人能够实时追踪目标的位置信息，为导航规划提供准确的参考数据。
机器人视觉定位与导航系统的开发
机器人视觉定位与导航系统的开发一、介绍随着科学技术的发展，机器人技术不断得到推进，人们对机器人的研究和应用也越来越重视。
其中，机器人的视觉定位与导航技术是机器人智能化的重要方面，它使机器人能够感知周围环境，精确定位自己的位置，并根据需要进行自主导航。
因此，机器人视觉定位与导航系统的开发对于机器人的应用及发展具有重要的意义。
二、机器人视觉定位与导航系统的原理1.机器人视觉定位系统机器人视觉定位系统通常采用传感器来获取周围环境的信息，包括图像、声音、红外线等多种信号。
其中，摄像头是最重要的传感器，它可以将周围环境拍摄下来，并通过计算机处理实现机器人自身的定位。
机器人视觉定位系统一般采用计算机视觉的方法来提取图像信息，包括图像分割、特征提取、目标检测等步骤。
通过对图像中目标的语义分析，可以实现对机器人周围环境的感知，并将机器人的位置信息反馈给控制系统，以实现机器人的定位。
2.机器人导航系统机器人导航系统是通过对环境中的信息进行处理，并采取一些算法来实现机器人的轨迹规划，使机器人能够自主避障、规避障碍物，并实现目的地的到达。
机器人导航系统中需要考虑多个因素，包括机器人的速度、加速度、转弯半径和避障策略等。
其中，避障算法是机器人导航系统的核心，主要采用基于传感器的障碍物检测和基于控制算法的路径规划方法来实现。
三、机器人视觉定位与导航系统的应用1.仓储物流在仓储物流行业中，机器人视觉定位与导航系统可以实现货物的自动搬运和存储，提高仓库管理的效率和精度，并降低了人工操作的风险，能够有效地解决库存管理的问题。
2.智能家居在智能家居领域，机器人视觉定位与导航系统可以控制房屋中的各种设备，实现智能家居的自动化管理和智能控制，使家居生活更加便利和舒适。
3.工业生产在工业生产中，机器人视觉定位与导航系统可以实现自动化生产线上的自主导航、物料运输、部件组装等操作，提高生产效率和生产精度，同时降低人工成本和误工率，为企业带来实际的生产效益。
机器人智能导航系统的设计与实现
机器人智能导航系统的设计与实现导语：随着科技的迅猛发展，机器人已然成为现代社会中不可或缺的一部分。
机器人智能导航系统作为其中之一的重要应用，为人们提供了更加便捷和高效的导航服务。
本文将重点讨论机器人智能导航系统的设计与实现。
一、引言机器人智能导航系统是指利用计算机视觉、传感器技术以及路径规划算法等，使机器人能够在室内或室外环境中高效地感知、定位和规划导航路径的系统。
其设计和实现旨在为机器人提供准确、安全的导航能力，使其能够自主地完成各种导航任务。
二、系统设计（一）感知模块机器人智能导航系统中的感知模块起着重要的作用，通过感知模块，机器人能够实时感知到周围环境的信息。
感知模块一般包括以下几个方面：1. 计算机视觉：利用计算机视觉技术，机器人可以通过摄像头或3D传感器等设备获取环境图像或点云数据。
通过对图像或点云数据的处理，机器人可以提取出目标物体的特征信息，从而实现对目标物体的识别和跟踪。
2. 环境感知传感器：环境感知传感器如激光雷达、红外传感器等，可以用来感知机器人周围的环境信息。
通过激光雷达可以获取到机器人周围的障碍物的距离和形状信息，从而可以进行避障操作。
（二）定位模块定位模块是机器人智能导航系统中的关键模块，通过定位模块，可以准确地获取机器人当前的位置信息。
常用的定位方法主要包括：1. 惯性测量：利用惯性传感器如陀螺仪、加速度计等测量机器人的角速度和线加速度，通过积分计算机器人的位移信息，并结合初始位置信息，最终得到机器人的位置。
2. 视觉定位：通过计算机视觉技术，从环境图像中提取特征点，并通过与地图中已知特征点的匹配，得到机器人的位置信息。
（三）路径规划模块路径规划模块是机器人智能导航系统中的核心模块，通过路径规划算法，可以实现机器人的自主导航。
常用的路径规划算法主要包括以下几种：1. 最短路径算法：最短路径算法是寻找两个给定节点之间最短路径的算法，其中最经典的算法之一是迪杰斯特拉算法。
机器人视觉导航算法的设计与实现
机器人视觉导航算法的设计与实现一、引言近年来，机器人技术的快速发展，特别是传感器技术和计算机视觉技术的不断提升，使得机器人的应用领域越来越广泛。
机器人的视觉导航技术重要性日益凸显。
本文将以机器人视觉导航算法的设计与实现为主题，探讨机器人视觉导航技术的原理和应用。
二、机器人视觉导航技术机器人视觉导航技术是指利用视觉传感器获取环境信息，通过算法分析和处理信息，实现机器人在未知环境中的自主导航。
在机器人的导航过程中，需要通过对环境的感知和理解，实现对机器人位置、方向和运动的判断和控制。
机器人视觉导航技术主要包括以下几个方面：1.机器人环境感知技术：为了实现机器人对环境的感知，需要使用各种传感器对环境进行探测和测量。
其中，视觉传感器可以通过对环境进行图像采集和分析，获得环境信息。
2.机器人运动控制技术：机器人的运动控制技术是实现机器人运动的重要手段。
其中，机器人的定位和路径规划是机器人进行运动控制的核心。
机器人视觉导航技术需要同时实现机器人的定位、路径规划和运动控制。
3.机器人建图技术：机器人建图技术是指通过对环境进行建模和模拟，实现机器人对环境的了解和认知。
机器人的建图可以分为静态建图和动态建图两种情况。
三、机器人视觉导航算法的设计机器人视觉导航算法的设计是机器人视觉导航技术中最为关键的一环。
机器人视觉导航算法是指通过图像处理和计算机算法，对从视觉传感器获取的数据进行分析和处理，得出机器人当前的位置、方向等信息，并根据环境变化和机器人运动控制需要，实时调整机器人的运动控制方案。
1.环境分析：为了实现机器人的自主导航，首先需要对环境进行分析和处理。
通过机器人视觉传感器获取环境图像信息，并通过图像处理算法实现对环境信息的提取和分析，得出环境中的物体、结构和障碍物等信息。
2.机器人定位：机器人定位是机器人自主导航的关键步骤。
通过对环境图像的处理和分析，计算机器人当前位置和方向，实现机器人的自主导航。
3.路径规划：机器人的路径规划是机器人自主导航的关键步骤。
机器人视觉导航系统的设计与实现
机器人视觉导航系统的设计与实现随着人工智能和机器学习技术的发展，机器人的应用范围越来越广泛。
机器人视觉导航系统是机器人能够在未知环境中实现自主移动和定位的关键技术之一。
本文将介绍机器人视觉导航系统的设计与实现。
一、引言机器人视觉导航系统是机器人能够感知和理解周围环境的重要组成部分。
它可以通过激光雷达、摄像头等传感器获取环境信息，并根据获取的信息实现自主移动和定位。
二、系统设计1. 传感器选择：机器人视觉导航系统需要选择合适的传感器来获取环境信息。
常用的传感器包括激光雷达、摄像头、紫外线传感器等。
不同的传感器在不同的环境中有各自的优势和适用性，需要根据具体应用场景来选择。
2. 环境建模：机器人需要将获取到的传感器信息进行处理和分析，生成环境模型。
环境模型可以是二维地图、三维点云或其他形式，用来描述机器人所处的环境结构和特征。
位姿估计是机器人在未知环境中进行自主导航的基础，可借助SLAM（同时定位与地图构建）算法实现。
4. 路径规划：机器人需要根据环境模型和目标位置，规划出适合的导航路径。
路径规划可以考虑使用经典的算法，如A*算法、Dijkstra算法，也可以使用最新的深度学习方法进行路径规划，如基于深度强化学习的方法。
5. 避障与路径跟踪：机器人在导航过程中需要避免障碍物，并准确地跟踪规划的路径。
避障算法可以基于传感器信息进行障碍物检测和规避，路径跟踪算法可以使用控制理论中的PID控制算法。
三、系统实现1. 传感器数据获取与处理：机器人需要通过传感器获取环境信息，并对其进行处理和滤波。
例如，可以使用激光雷达获取环境中的障碍物信息，并通过滤波算法去除噪声。
2. 地图构建与更新：机器人在运动过程中，需要实时更新环境模型。
可以使用SLAM算法实时构建环境地图，并利用传感器信息进行跟踪和更新。
同时，也需要考虑地图的存储和加载。
可以使用扩展卡尔曼滤波（EKF）算法或粒子滤波算法对机器人的位姿进行估计。
4. 路径规划与控制：机器人需要根据环境模型和目标位置进行路径规划，并通过控制算法实现导航。
机器人智能导航系统的设计与实现
机器人智能导航系统的设计与实现智能导航系统在现代生活中扮演着重要的角色。
随着科技的快速发展，机器人智能导航系统的设计与实现成为了一个热门的研究领域。
本文将探讨机器人智能导航系统的设计原理、实现方法以及其在实际应用中的优势。
一、设计原理1. 定位技术：机器人智能导航系统需要准确地定位自身位置。
目前常用的定位技术包括GPS、惯性导航系统、激光雷达等。
通过这些技术的结合使用，机器人可以实时获取自身的位置信息，并进行精确的导航。
2. 地图构建：机器人智能导航系统需要建立一个准确而完整的地图数据库。
地图数据库可以通过激光雷达、摄像头、扫描仪等设备收集环境信息，并进行地图构建和更新。
地图数据库是机器人导航的核心，决定了机器人在导航过程中的准确性和速度。
3. 环境感知：机器人智能导航系统需要能够感知周围环境的变化以及可能的障碍物。
这可以通过激光雷达、摄像头、声音传感器等多种传感器来实现。
通过环境感知，机器人可以及时调整路径，避免碰撞，并且能够适应不同的导航场景。
4. 路径规划：机器人智能导航系统需要根据目标位置和环境信息，规划最优的导航路径。
常用的路径规划算法包括A*算法、Dijkstra算法等。
这些算法可以根据不同的导航需求进行优化，以保证机器人在导航过程中能够选择最佳的路径。
5. 运动控制：机器人智能导航系统需要实现精确的运动控制。
通过控制机器人的轮子或关节来实现运动控制。
运动控制需要考虑速度、加速度、转向等因素，以保证机器人能够按照预定路径进行导航。
二、实现方法1. 硬件设备：机器人智能导航系统的实现需要使用一系列硬件设备。
常用的硬件设备包括激光雷达、摄像头、声音传感器、运动控制器等。
这些设备需要具备高精度、低功耗、稳定性好等特点，以满足机器人导航的需求。
2. 软件算法：机器人智能导航系统的实现依赖于一系列软件算法。
路径规划算法、图像处理算法、运动控制算法等都是机器人导航的核心。
这些算法需要经过设计、实现和优化，以提高机器人导航的效率和准确性。
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ì d X p = ( xl + xr ) D Y = d (y + y ) í p l r D Z = 2df p D
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机器人立体视觉的原理
场景中一点，分别在左右图像中产生像点， 场景中一点，分别在左右图像中产生像点，这一 对像点称为共轭点。所以， 对像点称为共轭点。所以，只要能在左右图像中 找到相应于场景中某一点的共轭点， 找到相应于场景中某一点的共轭点，应用上页中 的公式就可以计算出该空间点的三维坐标值。 的公式就可以计算出该空间点的三维坐标值。 立体视觉技术一直都是视觉技术中研究的前沿与 焦点问题。 焦点问题。根据视觉传感器的个数立体视觉技术 可以分为：双目立体视觉和多目立体视觉。 可以分为：双目立体视觉和多目立体视觉。立体 视觉获取的实质是对视觉图像信息的理解，在这 视觉获取的实质是对视觉图像信息的理解， 个过程中可以应用许多性能优良的智能算法， 个过程中可以应用许多性能优良的智能算法，如 模糊逻辑、人工神经网络和遗传算法等。 模糊逻辑、人工神经网络和遗传算法等。
内部参数描述摄像机的内部光学和几何特性， 内部参数描述摄像机的内部光学和几何特性，如图像 中心、焦距、镜头畸变以及其它系统误差参数等； 中心、焦距、镜头畸变以及其它系统误差参数等； 外部参数指的是某一世界坐标系和摄像机坐标系之间 的相对旋转和平移。 的相对旋转和平移。
这些参数必须由实验与计算来确定， 这些参数必须由实验与计算来确定，实验与计算的过 摄像机标定。 程称为摄像机标定 程称为摄像机标定。摄像机参数已知是所有计算机视 觉方法的前提，同时这一过程精确与否， 觉方法的前提，同时这一过程精确与否，将直接影响 立体视觉系统的测量精度。 立体视觉系统的测量精度。
每一个像素在x轴与 轴方向上的物理尺寸为 每一个像素在 轴与y轴方向上的物理尺寸为 ，dy，由于 轴与 轴方向上的物理尺寸为dx， dx, dy, u0 及v0 只与摄像机内部结构有关，即M2完全由摄 只与摄像机内部结构有关， 像机决定，所以称M 之为内部参数矩阵。 像机决定，所以称 2之为内部参数矩阵。摄像机标定的 目的就是要确定M 矩阵， 目的就是要确定 1、M2矩阵，从而得到空间点到图像点 的映射关系。 的映射关系。
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机器人立体视觉的原理
一般的摄像机的投影映射关系如图所示， 一般的摄像机的投影映射关系如图所示，通过摄 像机像平面x’o’y’上对空间点 上对空间点(X,Y,Z)所成的像点 像机像平面 上对空间点 所成的像点 (x,y)仅能够获得二维信息，无法获得空间点与摄 仅能够获得二维信息， 仅能够获得二维信息 像机的距离信息。 像机的距离信息。
fX c x= Zc fYc y= Zc
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摄像机模型
针孔模型的主要特点是空间点P和像素点 之间 针孔模型的主要特点是空间点 和像素点p之间， 和像素点 之间， 在对应摄像机坐标系和像平面坐标系中坐标表示 线性映射关系， 为线性映射关系，这个特点与图像坐标系和三维 空间坐标系的选择无关。 空间坐标系的选择无关。 而从世界坐标系(X 而从世界坐标系 w,Yw,Zw)到摄像机坐标系 到摄像机坐标系 (Xc,Yc,Zc)的变换，是由旋转和位移两种基本变换 的变换， 的变换 组合而成的， 组合而成的，即
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摄像机标定过程
最基本的摄像机标定方法是基于立体模板的标定， 最基本的摄像机标定方法是基于立体模板的标定，在利用 本方法进行标定的过程中， 本方法进行标定的过程中，需要在摄像机前放一个的特制 的标定参照物(reference object)，一般是立方体，参照物 的标定参照物 ，一般是立方体， 上有许多相对于世界坐标系的位置精确测定的特征点。 上有许多相对于世界坐标系的位置精确测定的特征点。用 摄像机获取该物体的图像， 摄像机获取该物体的图像，得到一系列特征点在图像坐标 系中的投影位置。 系中的投影位置。 由空间6个以上已知点与它们对应的图像点坐标， 由空间 个以上已知点与它们对应的图像点坐标，我们可 个以上已知点与它们对应的图像点坐标 求出M 矩阵。在一般的标定工作中， 求出 1、M2矩阵。在一般的标定工作中，我们都使标定 块上有数十个已知点， 块上有数十个已知点，使方程的个数大大超过未知数的个 从而用最小二乘法求解以降低误差造成的影响。 数，从而用最小二乘法求解以降低误差造成的影响。
按照针孔模型，摄像机通过光心 按照针孔模型，摄像机通过光心Oc(Optical Center)将空间 将空间 物体上一点P映射到摄像机图像平面上一点 映射到摄像机图像平面上一点p， 物体上一点 映射到摄像机图像平面上一点 ，摄像机光轴 经过光心并与摄像机图像平面相垂直。 经过光心并与摄像机图像平面相垂直。光轴线与摄像机图 像平面相交，交点为主点，即像平面坐标系原点o， 像平面相交，交点为主点，即像平面坐标系原点 ，世界 坐标系下点P坐标为 w (Xw,Yw,Zw)，在摄像机坐标系下坐 坐标系下点 坐标为P ， 坐标为 标为P 标为 c (Xc,Yc,Zc)，经过投影，在图像平面上的投影点为 ，经过投影， p(x, y)，摄像机焦距为 ，按照小孔模型，其投影关系为： ，摄像机焦距为f，按照小孔模型，其投影关系为：
1 0 u0 dx Xc Xc Xw 0 0 0 u f Y Y Yc 1 Zc v = 0 v0 0 f 0 0 = M 2 c = M 2 M1 w Z Zc Zw dy c 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 式中， 为以像素为单位的坐标 为以像素为单位的坐标。 式中，u,v为以像素为单位的坐标。
19.2 立体视觉概述
了解人类视觉的构成、信息处理过程，对计算机视觉 了解人类视觉的构成、信息处理过程， 的研究是非常具有启发性和吸引力的。 的研究是非常具有启发性和吸引力的。人类对高级生 物视觉的研究成果， 物视觉的研究成果，给我们研究和设计计算机视觉系 统提供了很好的模型或生物支持。 统提供了很好的模型或生物支持。 生物视觉系统的视觉过程由多个步骤组成， 生物视觉系统的视觉过程由多个步骤组成，其流程图 如图所示。 如图所示。
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双目立体视觉导航移动式机器人
本系统设计的视觉导航移动式机器人如左图所示，采 本系统设计的视觉导航移动式机器人如左图所示， 用双目立体视觉，通过在实验车前安装双摄像机， 用双目立体视觉，通过在实验车前安装双摄像机，如 右图所示，以模拟人类双目视觉系统， 右图所示，以模拟人类双目视觉系统，从而实现移动 机器人的自主导航、避障功能。 机器人的自主导航、避障功能。
机械电子工程原理
第十九章 移动机器人视觉导航系统的设计
机械工业出版社
19.1 计算机视觉简介
视觉是人类观察世界、认识世界的重要功能手段， 视觉是人类观察世界、认识世界的重要功能手段，为 人类提供了多达70%以上的外部信息，视觉也被认为 以上的外部信息， 人类提供了多达 以上的外部信息 是机器人最主要的感知能力。 是机器人最主要的感知能力。 视觉传感器为机器人提供了十分丰富的外界信息， 视觉传感器为机器人提供了十分丰富的外界信息，并 且在不需要传感器的运动及物体无任何接触的情况下， 且在不需要传感器的运动及物体无任何接触的情况下， 就可以达到对环境和目标的识别， 就可以达到对环境和目标的识别，这是其他传感器难 以做到的，因此， 以做到的，因此，机器人视觉技术是机器人智能化水 平的一个重要体现。 平的一个重要体现。 人们研究计算机视觉旨在使计算机具有通过二维图像 认知三维环境信息的能力,这就是立体视觉技术 这就是立体视觉技术。 认知三维环境信息的能力 这就是立体视觉技术。这 种能力将不仅使机器能感知三维环境中物体的几何信 包括它的形状、位置、姿态和运动等， 息，包括它的形状、位置、姿态和运动等，并且能对 它们进行描述、存储、识别与理解。 它们进行描述、存储、识别与理解。
式中， 分别为旋转坐标变换； 式中，Tα、Tβ、Tγ分别为旋转坐标变换；Td为平移坐标 变换。 变换。
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Pc = Tα Tβ Tγ Td Pw
摄像机模型
以世界坐标系表示的P点坐标与摄像机成像坐标系下 的坐 以世界坐标系表示的 点坐标与摄像机成像坐标系下p的坐 点坐标与摄像机成像坐标系下 标(u,v)之间的转换关系 之间的转换关系
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三维场景信息获取
如果已知道摄像机的内外参数，即投影矩阵 如果已知道摄像机的内外参数，即投影矩阵M1、M2， 那么对任何空间点P，如已知它的坐标Pw=[Xw Yw Zw 那么对任何空间点 ，如已知它的坐标 1]T，就可求出它的图像点 的位置 就可求出它的图像点p的位置 的位置(u,v)。反过来，如 。反过来， 果己知空间某点P的图像点 的位置(u,v)。根据双目视 的图像点p的位置 果己知空间某点 的图像点 的位置 。 差原理，在已知摄像机内外参数条件下， 差原理，在已知摄像机内外参数条件下，理论上就可 以恢复空间的三维场景信息。 以恢复空间的三维场景信息。 因为图像数据反映的是某一时刻空间场景中物体反射 光的强度信息，由于光照不均、遮挡、 光的强度信息，由于光照不均、遮挡、镜头失真等因 素的影响， 素的影响，使得完全准确的恢复场景信息几乎是不可 能的。 能的。 通常借助图像处理手段，结合先验知识， 通常借助图像处理手段，结合先验知识，针对某一目 的要求设计专用的图像处理方法， 的要求设计专用的图像处理方法，以满足计算机视觉 应用的需要。 应用的需要。 15
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生物视觉系统
从狭义上说，视觉的最终目的是要对场景做出对观察 从狭义上说， 者有意义的解释和描述；从广义上讲， 者有意义的解释和描述；从广义上讲，还要基于这些 解释和描述， 解释和描述，并根据周围环境和观察者的意图制定出 行为规划。 行为规划。 人类的视觉不仅要识别物体的形状和颜色， 人类的视觉不仅要识别物体的形状和颜色，而且要随 时地作用于物体。 时地作用于物体。立体视觉就是指这种判断物体距离 或深度的感觉。 或深度的感觉。正常的双眼视觉都可以提供高度的立 体感。外界目标在视网膜上的像是二维的， 体感。外界目标在视网膜上的像是二维的，而且同一 物体在左、右眼的视网膜上的成像有着微小的差异。 物体在左、右眼的视网膜上的成像有着微小的差异。 这种不同为立体视觉提供了最基本的信息——视差 这种不同为立体视觉提供了最基本的信息 视差 ）。人们正是利用视差原理来实现机器人 （disparity）。人们正是利用视差原理来实现机器人 ）。 视觉三维感知能力。 视觉三维感知能力。