CN102116612B - 一种采用激光条纹信息感知星表地形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人视觉环境感知领域，具体公开了一种采用激光条纹信息感知星表地形的方法，分三个区进行设计，是对感知结果预先评价，摆脱了点阵拟合进行场景描述的算法复杂的缺点，提供的结果和后续算法设计权值可适用于各种路径规划算法。和传统的双目立体视觉进行比较，速度更快，以传统的灰度匹配，1024*1024的图像对，设定搜索窗口为5*5，SAD匹配方式，在p42.4主频的工控机上运行一次匹配恢复大约要2min。采用本方法，虽运算获得的点数减少，但可靠性增加，运算时间＜＜1s。

Description

一种采用激光条纹信息感知星表地形的方法

技术领域

本发明属于机器人视觉环境感知领域，具体涉及一种感知星表地形的方法。 

背景技术

利用结构光感知星表地形，在国外行星探测车上取得了一定的应用，但是由于其功耗比较大，后期美国火星探测过程中采用了双目立体视觉取代了其在行星表面感知中的应用。根据国外相关资料，基于结构光的星表环境感知采用激光条纹仪是因为其主动性强、可靠性高，但是获得信息量较小，更多地获得并合理利用这些信息的方法国外资料文献中多不涉及 

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用激光条纹信息感知星表地形的方法，能够解决如下地形环境感知中的问题： 

a)能够定义可用激光条纹感知的环境、并确定危险源； 

b)确定激光条纹仪感知区域的划分； 

c)能够获取激光条纹信息； 

本发明的技术方案如下： 

一种采用激光条纹信息感知星表地形的方法，其中，该方法采用如下步骤： 

1)定义危险源为高度障碍，记为A； 

2)在探测车的前方放置可发射一组一字线激光的激光条纹仪； 

3)将探测车前地形区域分为行走区、安全区和参考区三个分区； 

4)获取并保存激光条纹信息； 

所述的步骤2)中放激光条纹仪安装在距水平面高度为H的探测车的最前 端，经过校准后激光条纹仪发射的所有激光线的发光平面的相交于直线D₀D₁，该直线称为出射线。 

在上述的一种采用激光条纹信息感知星表地形的方法中，所述的步骤3)将探测车前面的场景分为行走区、安全区和参考区，具体步骤如下： 

第一步，确定激光条纹仪出射的激光线的数目n，n满足相邻激光线在安全距离内的水平间距小于危险源A左右两端的水平间距，且n为奇数； 

第二步，根据探测区域的大小确定激光条纹仪的视场角度AngleSL，保证第1条和第n条激光线所包围的区域包含探测区域； 

第三步，利用下式计算出射线与水平面的交点D₀与探测车之间的距离d₀； 

$d_0=\frac{(n-1)\×d}{2\tan (\mathrm{AngleSL}/2)}$

其中：d为激光条纹仪两端的两个激光器的光学中心的距离。 

D₀为出射线与水平面的交点。 

第四步，利用下式计算激光线n_li的出射角度； 

Laser_ShootAngle＝arctan(n_li*d/d₀) 

其中n_li为激光线对应的出射位置系数。 

第五步，确定安全区 

利用下式确定A′～I ′点在水平面的极坐标以确定安全区，极坐标的角度为每条激光线的出射角，极坐标的半径为A′～I′与各个出射点与水平面的交点D₀间的距离D₀P_0i′； 

d₀′＝d₀×cos(Laser_ShootAngle) 

$D_0{P_{0i}}^{\′}=L-\frac{\mathrm{hlaser}}{H}({d_0}^{\′}+L)$

其中：P_0i′代表安全控制点，d′₀为激光条纹仪的各个激光器10在水平面上的 投影点O_i与D₀之间的距离，L为安全控制点P_0i′与D₀之间的距离，hlaser为危险源A的高度阈值，i＝1～n； 

第六步，确定行走区，选择直线AT到探测车车体之间的区域为临界行走区，直线A′T′与探测车车体之间的距离为SafeL，探测车的行走区位于临界行走区之内； 

第七步，确定参考区，参考区为在安全区之外，激光线之内的部分。 

在上述的一种采用激光条纹信息感知星表地形的方法中：所述的步骤4)采用激光条纹仪配合单成像敏感器的激光三角法获取激光条纹信息。 

在上述的一种采用激光条纹信息感知星表地形的方法中，所述的步骤4)采用激光条纹仪辅助双目视觉的光极线相交方法获取激光条纹信息，具体步骤如下： 

1)使激光条纹位于两个成像敏感器的公共视场内； 

2)打开和关闭激光条纹仪所拍摄到的两幅图像做差和二值化，得到左右成像敏感器的两幅只含有激光条纹的二值图像； 

3)其中左图像上的一点在右图像的极线上，同时这一点又在右图像的激光线上，则右图像的极线和激光线的交点就是左图像上激光点的同名点； 

4)利用双目立体视觉的计算方法获取步骤3)所述的交点的三维坐标。 

在上述的一种采用激光条纹信息感知星表地形的方法中：所述的步骤4)中保存激光条纹信息，其具体步骤如下： 

1)提取激光条纹上激光点信息； 

2)生成点信息三维信息数组。 

在上述的一种采用激光条纹信息感知星表地形的方法中：所述的步骤4)中保存激光条纹信息，其具体步骤如下： 

1)提取激光条纹信息，对打开激光条纹仪和关闭激光条纹仪的图像进行减法运算，提取仅包含激光线的减法图像； 

2)确定减法图像上的采样点； 

3)生成采样点信息图像坐标数组； 

4)计算所有矩阵内的点的三维信息。 

本发明的显著效果在于： 

1)将探测车前面的场景分为行走区、安全区和参考区三个分区，是对感知结果的预先评价，摆脱了点阵拟合进行场景描述的算法复杂的缺点，提供的结果和后续算法设计权值可适用于各种路径规划算法。 

2)采用激光条纹仪获取信息的两种方法一种是传统的三角测量方法，影响其精度的主要因素是对激光条纹仪和成像敏感器的联合标定；第二种方法称为光极线相交法，为本发明中独创的方法。和传统的双目立体视觉进行比较，速度更快，以传统的灰度匹配，1024*1024的图像对，设定搜索窗口为5*5，SAD匹配方式，在p42.4主频的工控机上运行一次匹配恢复大约要2min。采用本方法，虽运算获得的点数减少，但可靠性增加，运算时间＜＜1s。 

附图说明

图1为激光条纹仪布设示意图； 

图2为从图1的上方俯视所得的激光线分布俯视图； 

图3为每个发光平面上的安全控制点计算示意图； 

图4激光条纹仪测量原理示意图； 

图 5成像敏感器坐标系示意图； 

图中：1～9.发光平面；10.激光器；11.标记A所表示的前方障碍；12.探测车 

A′.........I′为安全控制点 

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明 

实施例1 

1)定义目标对象 

本方法抽象星表探测机器人为轮式探测车的形式，并在探测车的前方特定位置安装了一个能够发射一组一字线激光的激光条纹仪。抽象了非结构化地形行走的主要危险源为凸起的高度障碍，并记为A。 

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。 

2)在探测车12的前方放置激光条纹仪发射激光； 

本发明所述的激光条纹仪是由多个可发射一字线激光的激光器10组成，每个激光器10发射的激光线均处在一个发光平面1～9上，这些发光平面1～9的公共交线称为出射线。 

激光条纹仪在探测车12的状态如图1所示，激光条纹仪安装在距水平面高度为H的探测车12的最前端，激光条纹仪的所有激光线的发光平面1～9的相交于出射线D₀D₁，其中D₀为出射线与水平面的交点；将探测车12前方可能存在的危险源记为A。 

3)将探测车12前面的场景分为行走区、安全区和参考区三个分区； 

本方法定义了探测车12前面的三个分区为： 

行走区：探测车12每次规划和行进的区域。例如，错误！未找到引用源。中AI与探测车车体之间的区域。其特征是，行走区边界线与探测车距离应小于安全区前端与探测车的距离。例如，边界线AI最远不能超过A′I′。 

安全区：探测车12可有效识别危险源的区域。例如错误！未找到引用源。中区域 其特征是：安全区内的激光面的等效识别高度大于障碍高度。 

参考区：探测车12可获得识别信息，但识别信息不足以判断危险源的区域，例如错误！未找到引用源。中 

其特征是：在安全区外且激光线长范围内，由于激光线分布间距过大和激光面高度过低，该区域内的数据信息值仅供参考，为规划提供一个置信度较低的方向信息。 

本实施例中采用下面步骤确定分区。 

第一步，计算产品激光线的线数：在错误！未找到引用源。中将产品激光线的线数表示为阿拉伯数字1～9，线数n越多产品功耗越大，感知的信息也会更全面。线数的选择依据是满足相邻激光线在安全区内的水平间距小于障碍物A左右两端的水平间距。 

第二步，计算激光条纹仪的视场角度AngleSL：其特征是根据探测区域的大小确定，保证第1条和第n条激光线所包围的区域包含探测区域即可。 

第三步，利用下式计算出射线与水平面的交点D₀与探测车之间的距离d₀； 

$d_0=\frac{(n-1)\×d}{2\tan (\mathrm{AngleSL}/2)}$

其中：d为激光条纹仪两端的两个激光器的光学中心的距离。 

D₀为出射线与水平面的交点。 

激光条纹仪总的基线长越大，d₀越大；激光视场角越大，d₀越小。设计应保证d₀尽可能的小。式中d为相邻激光器10的间距。 

第四步，计算激光线n_li的出射角度：计算公式为 

Laser_ShootAngle＝arctan(n_li*d/d₀) 

其中n_li为激光线对应的出射位置系数，表示第i个激光器安装点与纵对称轴之间距离同d的比值，其计算公式如下 

$n_{\mathrm{li}}=(\frac{n-1}{2}-i+1)d$ 当 $i=(\mathrm{1,2,3}...,\frac{n-1}{2})$ 时 

$n_{\mathrm{li}}=(\frac{n-1}{2}+1)d$ 当 $i=\frac{n-1}{2}+1$ 时 

$n_{\mathrm{li}}=(i-\frac{n-1}{2}-1)d$ 当 $i=(\frac{n-1}{2},...,n)$ 时 

第五步，计算安全区 

在每一个激光线对应光刀最小高度处的点其在水平地面的投影点称为该激光线上的安全控制点。 

安全区是安全控制点A′～I′和D₀为顶点的闭合区域，确定A′～I′点在水平面的极坐标以确定安全区，极坐标的角度为每条激光线的出射角，极坐标的半径为A′～I′与各个出射点与水平面的交点D₀间的距离D₀P_0i′。 

d₀′＝d₀×cos(Laser_ShootAngle) 

$D_0{P_{0i}}^{\′}=L-\frac{\mathrm{hlaser}}{H}({d_0}^{\′}+L)$

其中：P_0i′代表安全控制点，d′₀为激光条纹仪的各个激光器10在水平面上的投影点O_i与D₀之间的距离，L为安全控制点P_0i′与D₀之间的距离，hlaser为危险源A的高度阈值，i＝1～n。 

如图3所示，以D₀A′为例： 

d₀′＝d₀×cos(Laser_ShootAngle) 

$D_0{A}^{\′}=L-\frac{\mathrm{hlaser}}{H}({d_0}^{\′}+L)$

式中hlaser为A的高度。 

第六步，确定行走区 

选择直线AT到探测车12车体之间的区域为临界行走区，直线A′T′与探测车12车体之间的距离为SafeL，探测车12的行走区位于临界行走区之内； 

行走区可以在探测车车体和临界行走区之间根据算法不同进行自定义，通常设置为SafeL。 

当行走区设置为临界行走区时，探测车的一次规划行走将获得最大的行走 距离。 

第七步，确定参考区 

参考区为在安全区之外，激光线之内的部分。 

4)激光条纹信息的获取和保存 

本实施例中采用激光条纹仪配合单成像敏感器的激光三角法获取激光条纹信息。 

激光三角法(Laser Triangulation)是根据光源和成像装置之间的位置和角度关系来推算出被测对象的位置。 

如图4所示，计算中所用到的坐标系定义如下： 

激光光源坐标系(OXYZ)：原点O为激光光心，OYZ平面为激光出射平面，X轴与YZ成右手系，Y、Z轴可取激光发射器的外观几何对称轴。摄像机坐标系(O₁X₁Y₁Z₁)：如图1所示以相机光心为原点，平行成像平面水平向右为其+X轴，沿其视线的光轴方向为-Z轴，+Y轴与上述两轴成右手坐标系。 

图像坐标系(ouv)：u、v分别平行于摄像机坐标系的X、Y轴，如图所示。 

通过相机的参数标定后摄像机坐标系和图像坐标系的位置关系是明确已知的。通过标定参数的外部引出也很容易建立外部基准以及和激光条纹仪坐标系的位置关系。 

在明确了各个坐标变换关系以及经过图像畸变校正后，对空间点P的三维坐标恢复的求解过程如下： 

O₁与O的坐标变换关系： 

${\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]}_{O1}=R_O^{O1}{\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]}_O+T_O^{O1}$

可以得到激光发射点O和激光坐标系的x轴上任一点A在O₁系下的坐标表示 为 ${\left[\begin{array}{ccc}{x}_O& y_O& z_O\end{array}\right]}_{O_1}^T$ 和 ${\left[\begin{array}{ccc}{x}_A& y_A& z_A\end{array}\right]}_{O_1}^T.$

设物点P在O₁系下的坐标表示为： ${\left[\begin{array}{ccc}{x}_p& y_p& z_p\end{array}\right]}_{O_1}^T,$ 从而利用点法式列写平面YOZ在O₁系下的方程： 

$\{{\left[\begin{array}{ccc}{x}_A& y_A& z_A\end{array}\right]}_{O_1}-{\left[\begin{array}{ccc}{x}_O& y_O& z_O\end{array}\right]}_{O_1}\}{\left[\begin{array}{c}(x_p-x_O)\\ (y_p-y_O)\\ (z_p-z_O)\end{array}\right]}_{O_1}=0$

像点p′在O₁系下的坐标表示为： ${\left[\begin{array}{ccc}u& v& -f\end{array}\right]}_{O_1}^T$

物点P、像点p′和光心O₁必然共线，在O₁系下列写共线方程。有： 

$[{\frac{x_p-x_{O_1}}{x_{p^{\′}}-x_{O_1}}=\frac{y_p-y_{O_1}}{y_{p^{\′}}-y_{O_1}}=\frac{z_p-z_{O_1}}{z_{p^{\′}}-z_{O_1}}]}_{O_1}$

从而，由错误！未找到引用源。和错误！未找到引用源。可以求解物点P在O₁系下的坐标 ${\left[\begin{array}{ccc}{x}_p& y_p& z_p\end{array}\right]}_{O_1}^T.$

本实施例中，激光条纹信息保存的具体过程如下： 

a)激光点信息的提取。其特征是采用激光条纹信息获取中的相关公式，直接获取图像中任意激光点的信息； 

b)生成点信息三维信息数组； 

在障碍准则的辅助下判定有无障碍，如果存在障碍，则判断其方位信息。障碍准则可以在不同的算法里进行不同的规定。 

实施例2 

步骤1)～3)与实施例1相同。 

4)获取激光条纹信息和保存 

本实施例中采用激光条纹仪辅助双目视觉的光极线相交方法获取激光条纹信息，具体操作步骤如下： 

a)使激光条纹位于两个相机的公共视场内； 

b)打开和关闭激光条纹仪所拍摄到的两幅图像做差和二值化，得到两幅只含有激光条纹的二值图像； 

c)其中左图像上的一点在右图像的极线上，同时这一点又在右图像的激光线上，则右图像的极线和激光线的交点就是左图像上激光点的同名点。 

利用安装位置和角度不同，保证几条激光条纹都位于两个相机的公共视场内。则对打开和关闭激光条纹仪所拍摄到的两幅图像做差和二值化，可以得到两幅只含有激光条纹的二值图像。 

从双目的基本理论可知，左图像上的一点在右图像的极线上。同时这一点又在右图像的激光线上。所以右图像的极线和激光线的交点就是左图像上激光点的同名点。利用这种方法完全不考虑传统灰度匹配方法，同名点匹配计算速度非常快。这些特征点的三维恢复与双目立体视觉方法相同。 

本实施例中，激光条纹信息的保存的具体过程如下： 

a)激光条纹的提取。对打开激光条纹仪和关闭激光条纹仪的图像进行减法运算，提取仅包含激光线的减法图像，并对减法图像中的激光线进行细化。 

b)搜索采样点。在每一条激光线上搜索极线和激光线相交的点。 

c)生成点信息图像坐标数组。存储步骤b中的像素坐标和对应的编号，并生成存储矩阵。 

d)计算所有矩阵内的点的三维信息。利用双目立体视觉计算并重新存储点三维信息矩阵。 

在障碍准则的辅助下判定有无障碍，如果存在障碍，则判断其方位信息，为车体转向做准备。障碍准则可以在不同的算法里进行不同的规定。 

以下是具体设计举例，设计初值为 

激光条纹仪每个激光器的安装距离(光心间距)d：＞30mm； 

激光条纹仪视场角AngleSL：(100°，120°)； 

激光条纹仪激光光线数目n：9，由最远端有效距离确定，假定探测车宽1.2m，所有激光束的总宽度应该大于这个值。 

激光条纹仪安装高度：约为600mm。 

光刀的最小高度：≥300mm。由越障能力所决定。 

激光线长L：≥2000mm，激光器安装高度为600mm时，在水平地面形成的满足一定亮度要求的激光线长度。 

最远端有效距离h：＜200mm，由障碍物性质决定。设定为石块，石块宽度在30cm以上的属于主要被探测对象。在设计过程中应保证最远段探测宽度20cm，这种石块的高度应该小于20cm。从而保证不漏过必须要探测的石块。对于漏过石块最高点的现象，可以通过障碍判定时改变障碍判定阈值来解决。用保守阈值来代替实际阈值。 

使用环境：月球表面。 

具体设计实现结果 

采用九个激光条纹仪设计结果如下： 

表1采用九个激光条纹仪的一组参考设计值 

激光线数目	9
		车体宽	800mm
车轮宽(/个)	200mm
		临界行走区最远段激光线间  距	189.8mm
激光条纹仪安装高度	600mm
		激光线线长	2000mm
D0	84.0mm
		临界行走区距D0点的距离S	531.6mm
激光面视场角	110°

[0147] 

激光条纹仪安装间距	30mm
		在临界行走区车前探测宽度	1518.3mm

本实施例中，可设计如下障碍评价准则： 

a)一幅图像中任意相邻两点不能被探测到； 

b)在高度数组里，在每个点的邻域内做差，如果有两个超过高度阈值； 

c)在高度数组里，最高点和最低点的差超过一个规定的阈值； 

d)可以根据设计的基本线长和提取的线长之间的比较，粗略估计地形上坡或下坡； 

e)将数组内所有点按其高度不同(危险程度不同)定以危险点和危险系数。 

Claims (5)

1.一种采用激光条纹信息感知星表地形的方法，其特征在于，该方法采用如下步骤：

1)定义危险源为高度障碍，记为A；

2)在探测车(12)的前方放置可发射一组一字线激光的激光条纹仪；

3)将探测车(12)前地形区域分为行走区、安全区和参考区三个分区；

具体步骤如下：

第一步，确定激光条纹仪出射的激光线的数目n，n满足相邻激光线在安全距离内的水平间距小于危险源A左右两端的水平间距，且n为奇数；

第二步，根据探测区域的大小确定激光条纹仪的视场角度AngleSL，保证第1条和第n条激光线所包围的区域包含探测区域；

第三步，利用下式计算出射线与水平面的交点D₀与探测车之间的距离d₀；

$d_0=\frac{(n-1)\×d}{2\tan (\mathrm{AngleSL}/2)}$

其中：d为激光条纹仪两端的两个激光器的光学中心的距离；

D₀为出射线与水平面的交点；

第四步，利用下式计算激光线n_1i的出射角度；

Laser_ShootAngle＝arctan(n_1i*d/d₀)

其中n_1i为激光线对应的出射位置系数；

第五步，确定安全区

利用下式确定A′～I′点在水平面的极坐标以确定安全区，极坐标的角度为每条激光线的出射角，极坐标的半径为A′～I′与各个出射点与水平面的交点D₀间的距离D₀P_0i′；

d₀′＝d₀×cos(Laser_ShootAngle)

$D_0{P_{0i}}^{\′}=L-\frac{\mathrm{hlaser}}{H}({d_0}^{\′}+L)$

其中：P_0i′代表安全控制点，d′₀为激光条纹仪的各个激光器(10)在水平面上的投影点O_i与D₀之间的距离，L为安全控制点P_0i′与D₀之间的距离，hlaser为危险源A的高度阈值，i＝1～n；

第六步，确定行走区，选择直线A′T′到探测车(12)车体之间的区域为临界行走区，直线A′T′与探测车(12)车体之间的距离为SafeL，探测车(12)的行走区位于临界行走区之内；

第七步，确定参考区，参考区为在安全区之外，激光线之内的部分；

4)获取并保存激光条纹信息；

所述的步骤2)中放激光条纹仪安装在距水平面高度为H的探测车(12)的最前端，经过校准后激光条纹仪发射的所有激光线的发光平面的相交于直线D₀D₁，该直线称为出射线。

2.如权利要求1所述的一种采用激光条纹信息感知星表地形的方法，其特征在于：所述的步骤4)采用激光条纹仪配合单成像敏感器的激光三角法获取激光条纹信息。

3.如权利要求1所述的一种采用激光条纹信息感知星表地形的方法，其特征在于，所述的步骤4)采用激光条纹仪辅助双目视觉的光极线相交方法获取激光条纹信息，具体步骤如下：

1)使激光条纹位于两个成像敏感器的公共视场内；

2)打开和关闭激光条纹仪所拍摄到的两幅图像做差和二值化，得到左右成像敏感器的两幅只含有激光条纹的二值图像；

3)其中左图像上的一点在右图像的极线上，同时这一点又在右图像的激光线上，则右图像的极线和激光线的交点就是左图像上激光点的同名点；

4)利用双目立体视觉的计算方法获取步骤3)所述的交点的三维坐标。

4.如权利要求2所述的一种采用激光条纹信息感知星表地形的方法，其特征在于：所述的步骤4)中保存激光条纹信息，其具体步骤如下：

1)提取激光条纹上激光点信息；

2)生成点信息三维信息数组。

5.如权利要求3所述的一种采用激光条纹信息感知星表地形的方法，其特征在于：所述的步骤4)中保存激光条纹信息，其具体步骤如下：

1)提取激光条纹信息，对打开激光条纹仪和关闭激光条纹仪的图像进行减法运算，提取仅包含激光线的减法图像；

2)确定减法图像上的采样点；

3)生成采样点信息图像坐标数组；

4)计算所有矩阵内的点的三维信息。

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