一种基于SURF算法的双目全景视觉机器人自主定位方法技术

本发明专利技术属于移动机器人视觉定位技术领域，具体涉及一种基于SURF算法的双目全景视觉机器人自主定位方法。本发明专利技术包括：(1)设置人工路标作为先验位置信息；(2)改进的MDGHM‑SURF特征匹配；(3)匹配点重心迭代算法消除误匹配；(4)垂直基线式双目全景系统三维逆光路成像测距；(5)全景三角定位；(6)预测检测窗口加快定位速度。本发明专利技术针对移动机器人室内自主定位问题，通过设置人工路标作为先验位置信息，采用改进的MDGHM‑SURF算法进行特征点快速检测，并通过特征匹配进行路标识别定位，由匹配点重心迭代算法减小匹配误差，提高路标中心的定位精度，由机器人运动状态预测路标检测区域，提高了运动中定位的快速性。

A binocular omnidirectional vision robot autonomous localization method based on SURF algorithm

The invention belongs to the field of vision positioning technology of a mobile robot, in particular to a binocular omnidirectional vision robot autonomous positioning method based on SURF algorithm. The present invention includes: (1) setting the artificial landmark as the prior position information; (2), SURF MDGHM features improved; (3) the matching point iterative algorithm to eliminate the false matching; (4) binocular vertical baseline 3D panorama system inverse imaging range; (5) panoramic triangulation; (6) prediction accelerate the localization speed detection window. The invention for indoor mobile robot autonomous positioning, by setting the artificial landmark as a priori location information, using MDGHM improved SURF algorithm to detect feature points, and landmark recognition positioning through feature matching, the matching point iterative algorithm to reduce the matching error, improve the accuracy of the landmark center, landmark detection area by the state of motion the robot predicts faster motion positioning.

【技术实现步骤摘要】
一种基于SURF算法的双目全景视觉机器人自主定位方法
本专利技术属于移动机器人视觉定位
，具体涉及一种基于SURF算法的双目全景视觉机器人自主定位方法。
技术介绍
移动机器人自主定位导航能力是衡量其智能化水平的关键因素，环境感知能力是移动机器人智能化的基础，一直是机器人领域一个的研究热点。室内定位方式比较成熟的是磁轨,但适用范围有限；RFID、蓝牙、WLAN等信号容易衰减,精度差；超声波容易受障碍物干扰、激光雷达成本太高；电机编码脉冲运动学定位存在累计误差，而全景视觉传感器具有探测范围广，获取信息量大、成像旋转不变性、快速、高精度等优点，恰好能够为自主移动机器人提供丰富的环境信息。移动机器人定位路标有自然路标和人工路标两种，利用自然路标，例如采用双阈值FAST特征检测的SIFT描述算法,解决了在室内非结构化环境中的定位问题，但视觉路标库的采样规则难以满足。而应用路标定位则可通过设置人工路标，将任意环境结构化。针对移动机器人定位过程中视觉图像特征点提取与匹配数量较多，边缘特征点不稳定的问题，在Bay结合SIFT特征点提取过程,提出了一种加速的、具有特征鲁棒性的SURF算法。通过设置多个路标，利用改进SURF算法进行路标定位。根据垂直基线双目全景系统测量精度与基线距成正比、与测量距离平方成反比的特点，建立垂直基线的双目全景系统三维逆光路成像分析模型，通过双目全景视觉获取路标的相对距离和方位等深度信息，从而得到机器人本身的位置的移动机器人视觉定位方法，很好地解决了视觉机器人自主定位的关键问题。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种基于SURF算法的双目全景视觉机器人自主定位方法。本专利技术的目的是这样实现的：种基于SURF算法的双目全景视觉机器人自主定位方法，包括如下步骤:(1)设置人工路标作为先验位置信息：在未知非结构化环境中，根据SURF特征点提取算法，采集环境全景图像库测试，设计弱干扰匹配路标，在机器人工作环境内遮挡度低的一侧等间隔、等高设置两个以上不同特征的人工路标；(2)改进的MDGHM-SURF特征匹配：采用改进MDGHM-SURF算法进行路标特征匹配定位，对全景图像掩膜进行等间隔采样,并进行像素坐标变换，定义图像I(i,j)的(p，q)阶改进后离散Gaussian-Hermit矩为：其中利用改进离散Gaussian-Hermit矩描述局部特征点，以描述特征点为中心，沿特征点主方向的正方形区域划分为若干个子区域，各区域获取多个采样点，在X和Y方向上分别描述；(3)匹配点重心迭代算法消除误匹配：由步骤(2)得匹配点坐标为Ai(xi,yi),匹配度为mi设计的路标的特征均布，则匹配路标点重心为通过计算Ai距离Z的欧式距离di，建立循环求取距离最大值dimax,设定距离阈值dH，如dimax>dH,则删除该误匹配点，重新迭代计算重心，直到d′imax≤dH，实现路标中心精确定位；(4)垂直基线式双目全景系统三维逆光路成像测距：由步骤(3)定位出上下全景中各路标位置后，计算图像中路标距全景中心的像素距离，根据全景成像旋转对称性，取一个光轴截面为研究平面，双曲面镜的上支顶点为坐标原点，水平、竖直方向分别为X、Y轴建立坐标系,双曲面镜曲线方程为(y-c)2/a2-x2/b2＝1其中a、b、c分别为双曲面镜实轴、虚轴和焦距长度，在全景图像中测得路标点距全景中心的距离为r1，相机标定焦距为f，根据折反射成像原理有r/f＝m/n，求解出镜面曲线上反射点的坐标为P(m,n)根据垂直双目全景系统结构，入射光线的斜率为k＝(n-2c)/m，设上下全景系统的入射光线与双曲面镜的交点分别为Q1(m1,n1)和Q2(m2,n2)，其中L为基线距离，上下全景相机的入射光线方程为联立方程组求解与路标水平距离：在实际应用中，当透视相机和反射镜面的焦点没有严格重合时，将不满足单视点约束；若仍按单视点测距算法求解，误差较大,必须对非单视点进行优化；由于入射反射镜面光线的延长线不经过双曲线焦点，设镜面直径为R，相机和双曲面镜的焦点存在偏移量t，则折反射成像原理t＝Rf/r-H；由此可得变化后镜面方程(y-c-t)2/a2-x2/b2＝1,得到双曲面反射点Q(m′,n′)的坐标；同理，可求解上下全景相机的入射光线方程y′1＝k1x+n1-k1m1-L，距离由求解；(5)全景三角定位：由步骤(4)得到机器人与等高设置在同一墙壁A(x1,0)，B(x2,0)位置的2个环境路标距离为d1,d2，在全景图像中定位出两路标距中心的夹角β，所以机器人的坐标计算公式为根据全景图像中路标角度和机器人绝对的位置坐标关系可以实现对于姿态的测量；(6)预测检测窗口加快定位速度根据步骤(5)中机器人初始化定位后，机器人的绝对位置坐标和各路标在全景图像中的位置已经确定，由于机器人最大运动速度有限，对应路标在全景图像中移动范围有限，利用机器人当前的运动状态，估测下一刻机器人全景图像中路标检测区域，实现移动中快速定位。本专利技术的有益效果在于：全景视觉传感器具有探测范围广，获取信息量大、成像旋转不变性、快速、高精度等优点，恰好能够为自主移动机器人提供丰富的环境信息。针对移动机器人室内自主定位问题，研究了一种利用双目全景视觉系统实现的机器人绝对定位方法。通过设置人工路标作为先验位置信息，采用改进的MDGHM-SURF算法进行特征点快速检测，并通过特征匹配进行路标识别定位，由匹配点重心迭代算法减小匹配误差，提高路标中心的定位精度，由机器人运动状态预测路标检测区域，提高了运动中定位的快速性；通过垂直基线式双目全景系统三维逆光路成像测距算法实现了对深度信息的测量，并采用三角定位算法计算出机器人的坐标及姿态。该方法能够有效避免环境背景变化干扰，具有较高的定位精度和实时性。附图说明图1是基于SURF算法的双目全景视觉机器人自主定位流程方框图；图2是移动机器人双目全景视觉系统定位原理图；图3是双目全景视觉系统成像原理图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步描述：基于SURF算法的人工路标定位方法，包括如下步骤(1)设置人工路标作为先验位置信息在未知非结构化环境中，根据SURF特征点提取算法，采集环境全景图像库测试，设计弱干扰匹配路标。在机器人工作环境内遮挡度低的一侧等间隔、等高设置两个以上不同特征的人工路标。(2)改进的MDGHM-SURF特征匹配算法采用改进MDGHM-SURF算法进行路标特征匹配定位，对全景图像掩膜进行等间隔采样,并进行像素坐标变换，定义图像I(i,j)的(p，q)阶改进后离散Gaussian-Hermit矩为：其中利用改进离散Gaussian-Hermit矩描述局部特征点，以描述特征点为中心，沿特征点主方向的正方形区域划分为若干个子区域，各区域获取多个采样点，在X和Y方向上分别描述。为提高算法匹配的正确率，以最近邻距离与次近邻欧式距离的比值作为匹配特征向量之间相似度的准则，比值越小相似度越大。(3)匹配点重心迭代算法消除误匹配由步骤(2)得匹配点坐标为Ai(xi,yi),匹配度为mi设计的路标的特征均布，则匹配路标点重心为通过计算Ai距离Z的欧式距离di，建立循环求取距离最大值dimax,设定距离阈值dH，假如dimax>dH,则删除该误匹本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于SURF算法的双目全景视觉机器人自主定位方法，其特征在于，包括如下步骤:(1)设置人工路标作为先验位置信息：在未知非结构化环境中，根据SURF特征点提取算法，采集环境全景图像库测试，设计弱干扰匹配路标，在机器人工作环境内遮挡度低的一侧等间隔、等高设置两个以上不同特征的人工路标；(2)改进的MDGHM‑SURF特征匹配：采用改进MDGHM‑SURF算法进行路标特征匹配定位，对全景图像掩膜进行等间隔采样,并进行像素坐标变换，定义图像I(i,j)的(p，q)阶改进后离散Gaussian‑Hermit矩为：

【技术特征摘要】
1.一种基于SURF算法的双目全景视觉机器人自主定位方法，其特征在于，包括如下步骤:(1)设置人工路标作为先验位置信息：在未知非结构化环境中，根据SURF特征点提取算法，采集环境全景图像库测试，设计弱干扰匹配路标，在机器人工作环境内遮挡度低的一侧等间隔、等高设置两个以上不同特征的人工路标；(2)改进的MDGHM-SURF特征匹配：采用改进MDGHM-SURF算法进行路标特征匹配定位，对全景图像掩膜进行等间隔采样,并进行像素坐标变换，定义图像I(i,j)的(p，q)阶改进后离散Gaussian-Hermit矩为：其中利用改进离散Gaussian-Hermit矩描述局部特征点，以描述特征点为中心，沿特征点主方向的正方形区域划分为若干个子区域，各区域获取多个采样点，在X和Y方向上分别描述；(3)匹配点重心迭代算法消除误匹配：由步骤(2)得匹配点坐标为Ai(xi,yi),匹配度为mi设计的路标的特征均布，则匹配路标点重心为通过计算Ai距离Z的欧式距离di，建立循环求取距离最大值dimax,设定距离阈值dH，如dimax>dH,则删除该误匹配点，重新迭代计算重心，直到d′imax≤dH，实现路标中心精确定位；(4)垂直基线式双目全景系统三维逆光路成像测距：由步骤(3)定位出上下全景中各路标位置后，计算图像中路标距全景中心的像素距离，根据全景成像旋转对称性，取一个光轴截面为研究平面，双曲面镜的上支顶点为坐标原点，水平、竖直方向分别为X、Y轴建立坐标系,双曲面镜曲线方程为(y-c)2/a2-x2/b2＝1其中a、b、c分别为双曲面镜实轴、虚轴和焦距长度，在全景图像中测得路标点距全景中心的距离为r1，相机标定...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱齐丹，谢洪乐，夏桂华，蔡成涛，张智，吕晓龙，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23