CN108600620B - 一种基于电液可调焦镜头的移动机器人的目标跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电液可调焦镜头的移动机器人的目标跟踪方法，通过对光学成像系统建模，得到电液可调焦镜头焦距与最优成像物距间的函数关系，利用该函数关系可获得处于清晰状态下的目标与移动机器人之间的距离信息和目标在时间间隔t内的平均运动速度，借助于这些信息来更新移动机器人的跟踪速度，使得其与目标间的距离始终保持在合适的范围内，对目标实现有效跟踪；同时，因为在获取目标距离信息时对目标进行的自动对焦，可使观察者始终获得目标清晰、细节丰富的图像反馈。

Description

一种基于电液可调焦镜头的移动机器人的目标跟踪方法

技术领域

本发明涉及一种基于电液可调焦镜头的移动机器人的目标跟踪方法。

背景技术

智能机器人作为人类的新型生产工具，在减轻劳动强度，提高生产率，改变生产模式，把人从危险、恶劣、繁重的工作环境下解放出来等方面，显示出极大的优越性。移动机器人是智能机器人的一个重要分支，是一类能通过传感器感知环境和自身状态，实现在有障碍物的环境中面向目标的自主运动，从而完成一定作业功能的机器人系统，已在军事侦察、宇宙开发、扫雷排险、防核化污染等危险和恶劣的环境中得到广泛的应用。一般而言，移动机器人必须具有环境感知、目标追踪、决策判断、机动性和人机交互等功能，具体而言：能够利用成像系统、激光测距仪、声纳等识别场景信息和目标状态；能够利用目标追踪算法在像平面保持对目标进行稳定追踪；能够依据感知的信息进行避障、目标跟踪、沿指定路径行进等，能够根据场景信息的变化自动调整行为模式；能够根据任务需求实现机动，移动方式主要有轮式、履带式、足式等；使用者可采用命令行或操作界面的方式驱动机器人执行指定任务，可以通过图像、语音、文本等方式获得机器人反馈的任务执行情况。

视觉信息作为人类感知外界信息的主要依据，在各类信息的占比可达80％。因此对于执行运动目标追踪的移动机器人而言，往往以图像序列作为检测、识别、跟踪目标的信息源，并以图像作为主要的人机交互方式来反馈目标信息，以帮助移动机器人的使用者更好地观察被跟踪目标，感知当前环境状态，做出进一步指令。目标与移动机器人之间的距离是移动机器人进行决策判断的依据之一，若能直接由目标图像得到距离信息，而不借助于诸如激光测距仪、声纳等设备，将大大降低移动机器人的系统复杂度。

移动机器人在随动跟踪过程中，与目标之间的距离难免会发生变化。移动机器人在跟踪目标的过程中需要与目标保持合适的距离。若距离太近，当目标突然减速时移动机器人可能会因为制动不及时与目标发生碰撞，距离过近也不利于观察者通过图像反馈获取目标的整体状况和周边环境的信息；若距离过远，则移动机器人可能因目标突然加速或转向而跟丢目标。此外，对于一套特定的光学成像系统，当其光圈大小、焦距等参数选定之后，其景深大小和位置就唯一确定下来。目标物距的变化很可能使其离开景深范围，造成其图像因离焦而模糊。因离焦而产生的模糊会使图像的边缘信息减少、细节信息丢失、图像白化，这些势必会影响目标追踪算法中的关键部分——目标特征表征的性能，进而影响目标追踪算法的整体性能；目标离焦产生的模糊还会妨碍视频观测者观察目标的细节和边缘信息。

以optotune为代表电液可调焦镜头的出现大大改变了上述困境。该类镜头具有调焦响应速度快、能耗低、结构紧凑、重复定位精度高等优势，可实现快速精确对焦。通过对包含该镜头的光学成像系统建模，可得到变焦镜头的焦距与最佳成像物距之间的函数关系，当经过自动对焦后的目标处于清晰状态时，可以利用该函数关系得到目标的距离信息，从而为移动机器人制定合适的随动策略，使得其与目标之间的距离保持在合适的范围内。利用电液可调焦镜头保证目标始终处于清晰状态、使移动机器人和目标间的距离处于合理区间、获取目标与移动机器人之间的距离信息，对于提升移动机器人的目标跟踪任务的执行效果、降低系统复杂度而言具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提出一种基于电液可调焦镜头的移动机器人的目标跟踪方法，能保证移动机器人跟踪的目标始终处于清晰状态、移动机器人和目标间的距离始终处于合理区间。可指导移动机器人根据目标运动情况制定跟踪策略，对目标实现有效跟踪。

为了达到上述目的，本发明的构思如下：

本发明利用以optotune为代表电液可调焦镜头对目标进行自动对焦，以消除因目标离焦而产生的将模糊对移动机器人执行目标跟踪任务造成的不利影响；通过对光学成像系统的建模得到电液可调焦镜头焦距与最优物距间的对应关系，并据此获取处于清晰状态下的目标的距离信息，为制定移动机器人随动策略提供依据。

根据上述发明构思，本发明所采用的技术方案是：

一种基于电液可调焦镜头的移动机器人的目标跟踪方法，包括如下步骤：

1)利用电液可调焦镜头和定焦镜头组成光学成像系统；

2)获得电液可调焦镜头焦距与最优成像物距间的函数关系；

3)设定移动机器人的最优跟踪距离；

4)获取目标的运动速度，并以此作为移动机器人的跟踪速度；

5)移动机器人以既定速度跟踪目标；

6)获取当前目标与移动机器人之间的距离信息；

7)判断当前目标与移动机器人间的距离与最优跟踪距离之间的差值是否超出预设范围，若是，执行步骤8)；若否，返回步骤5)；

8)更新移动机器人的跟踪速度；

9)返回步骤5)。

所述步骤2)中的电液可调焦镜头焦距与最优成像物距之间函数关系的获得，具体为：

a)将光学系统内的两个相邻镜片按下式等效成一个薄透镜，计算其等效焦距EFL：

其中，f₁、f₂为两镜片焦距，d为两镜片主平面间的距离；

b)按上式进一步计算等效所得的薄透镜与另一镜片的等效焦距，直至得到整个光学系统的等效焦距EFL_overall，整个光学系统的等效焦距是电液可调焦镜头焦距的函数，其形式如下，

EFL_overall＝f(l) (2)

其中l为电液可调焦镜头的焦距；

c)将式(2)代入式(3)，以得到整个光学系统的等效焦距EFL_overall和物距之间的关系：

其中f为等效焦距，u为物距，v为像距；

整理得：

整理得到电液可调焦镜头焦距与最优成像物距间的函数关系。

所述步骤3)中的移动机器人最优跟踪距离设定，具体为：保持电液可调焦镜头处于原始状态，在与移动机器人相距最优跟踪距离处放置任意图幅，手动调节定焦镜头进行对焦，至所放图幅呈清晰状态，即设定完成。

所述步骤4)中目标运动速度的获取方法，具体为：获取目标在相隔为时间间隔t的两时刻的距离差s，并根据下式计算出目标在时间间隔t内的平均运动速度velocity，

所述步骤6)中目标与移动机器人之间距离的获取方法，具体为：

a)判定目标区域的清晰度是否小于预设阈值，若是，则执行步骤b)；若否，则执行步骤c)；

b)对目标图像进行自动对焦；

c)依据式(4)，得到当前目标与移动机器人之间距离。

所述步骤8)中移动机器人跟踪速度的更新方法，具体为：若目标与移动机器人间的距离与最优跟踪距离之间的差值超出了预设范围的上限，则新的跟踪速度为原有跟踪速度加上预设速度变化量Δv；若目标与移动机器人间的距离与最优跟踪距离之间的差值超出了预设范围的下限，则新的跟踪速度为原有跟踪速度减去预设速度变化量Δv。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的进步：

1)本发明为移动机器人制定了合适的跟踪策略，使得移动机器人在执行目标跟踪任务时与目标之间的距离始终能够处在合适的范围之内。

2)本发明在保证移动机器人对目标进行有效跟踪的同时，可以额外获得目标的距离信息；且能始终使目标处于清晰状态，让观察者能够获取目标丰富的细节信息，提高移动机器人所用目标追踪算法的稳定性。

附图说明

图1为本发明的基于电液可调焦镜头的移动机器人的目标跟踪方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案和要点更加明晰，下面结合附图，对本发明的实施步骤做详细说明：

如图1所示，一种基于电液可调焦镜头的移动机器人的目标跟踪方法，包括如下步骤：

1)利用电液可调焦镜头和定焦镜头组成光学成像系统；

2)获得电液可调焦镜头焦距与最优成像物距间的函数关系；

3)设定移动机器人的最优跟踪距离；

4)获取目标的运动速度，并以此作为移动机器人的跟踪速度；

5)移动机器人以既定速度跟踪目标；

6)获取当前目标与移动机器人之间的距离信息；

7)判断当前目标与移动机器人间的距离与最优跟踪距离之间的差值是否超出预设范围，若是，执行步骤8)；若否，返回步骤5)；

8)更新移动机器人的跟踪速度；

9)返回步骤5)。

进一步，所述步骤2)中的电液可调焦镜头焦距与最优成像物距之间函数关系的获得，具体为：

a)将光学系统内的两个相邻镜片按下式等效成一个薄透镜，计算其等效焦距EFL：

其中，f₁、f₂为两镜片焦距，d为两镜片主平面间的距离；

b)按上式进一步计算等效所得的薄透镜与另一镜片的等效焦距，直至得到整个光学系统的等效焦距EFL_overall，整个光学系统的等效焦距是电液可调焦镜头焦距的函数，其形式如下，

EFL_overall＝f(l) (7)

其中l为电液可调焦镜头的焦距；

c)依照下式得到整个光学系统的等效焦距EFL_overall和物距之间的关系：

其中f为等效焦距，u为物距，v为像距；

d)将步骤b)中所得的函数代入步骤c)中：

整理得到电液可调焦镜头焦距与最优成像物距间的函数关系。

进一步，所述步骤3)中的移动机器人最优跟踪距离设定，具体为：保持电液可调焦镜头处于原始状态(即电液可调焦的控制电流为0mA)，在与移动机器人相距x₀处竖直放置一副图像，手动调节定焦镜头进行对焦，直至所放图幅呈清晰状态完成设定。x₀即为移动机器人最优跟踪距离。

进一步，所述步骤4)中目标运动速度的获取方法，具体为：分别获取目标在t₀和t₁时刻的距离信息s₀、s₁，计算距离差s＝s₁-s₀，其中t₀、t₁相隔时间t。可根据下式计算出目标在时间间隔t内的平均运动速度velocity₂，

进一步，所述步骤6)中目标与移动机器人之间距离的获取方法，具体为：

a)判定目标区域的清晰度是否小于预设阈值，若是，则执行步骤b)；若否，则执行步骤c)；

b)对目标图像进行自动对焦；

c)读取电液可调焦镜头的当前焦距值f，由式(9)获取当前最优成像物距u。u即为目标当前与镜头之间的距离。

进一步，所述步骤8)中移动机器人跟踪速度的更新方法，具体为：

a)设当前移动机器人的速度为velocity₁，目标的运动速度为velocity₂

b)获取当前目标与镜头之间的距离x；

c)计算当前目标与镜头之间的距离与最优跟踪距离之间的差值Δx＝x-x₀

d)若Δx大于预设上限，则新的移动机器人的运动速度velocity₁’＝velocity₁+Δvelocity；若Δx小于预设下限，则新的移动机器人的运动速度velocity₁’＝velocity₁-Δvelocity；若Δx处于预设上下限之间，则保持当前移动机器人的运动速度不变。Δvelocity为预设速度增量。

Claims (2)

1.一种基于电液可调焦镜头的移动机器人的目标跟踪方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)利用电液可调焦镜头和定焦镜头组成光学成像系统；

2)获得电液可调焦镜头焦距与最优成像物距间的函数关系；

3)设定移动机器人的最优跟踪距离，保持电液可调焦镜头处于原始状态，在与移动机器人相距最优跟踪距离处放置任意图幅，手动调节定焦镜头进行对焦，至所放图幅呈清晰状态，即设定完成；

4)获取目标的运动速度，并以此作为移动机器人的跟踪速度,其具体步骤为，获取目标在相隔为时间间隔t的两时刻的距离差s，并根据下式计算出目标在时间间隔t内的平均运动速度velocity，

5)移动机器人以既定速度跟踪目标；

6)获取当前目标与移动机器人之间的距离信息，具体为：a)判定目标区域的清晰度是否小于预设阈值，若是，则执行步骤b)，若否，则执行步骤c)，b)对目标图像进行自动对焦，c)依据电液可调焦镜头焦距与最优成像物距间的函数关系，得到当前目标与移动机器人之间距离；

7)判断当前目标与移动机器人间的距离与最优跟踪距离之间的差值是否超出预设范围，若是，执行步骤8)；若否，返回步骤5)；

8)更新移动机器人的跟踪速度，具体更新方法为，若目标与移动机器人间的距离与最优跟踪距离之间的差值超出了预设范围的上限，则新的跟踪速度为原有跟踪速度加上预设速度变化量Δv；若目标与移动机器人间的距离与最优跟踪距离之间的差值超出了预设范围的下限，则新的跟踪速度为原有跟踪速度减去预设速度变化量Δv；

9)返回步骤5)。

2.根据权利要求1所述的基于电液可调焦镜头的移动机器人的目标跟踪方法，其特征在于，所述步骤2)中的电液可调焦镜头焦距与最优成像物距之间函数关系的获得，具体为：

a)将光学系统内的两个相邻镜片按下式等效成一个薄透镜，计算其等效焦距EFL：

其中，f₁、f₂为两镜片焦距，d为两镜片主平面间的距离；

b)按上式进一步计算等效所得的薄透镜与另一镜片的等效焦距，直至得到整个光学系统的等效焦距EFL_overall，整个光学系统的等效焦距是电液可调焦镜头焦距的函数，其形式如下，EFL_overall＝f(l)

其中l为电液可调焦镜头的焦距；

c)依照下式得到整个光学系统的等效焦距EFL_overall和物距之间的关系：

其中f为等效焦距，u为物距，v为像距；

d)将步骤b)中所得的函数代入步骤c)中：

整理得到电液可调焦镜头焦距与最优成像物距间的函数关系。

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