CN1194310C - 基于通用串行总线的机器人全维视觉系统 - Google Patents

Abstract

一种基于通用串行总线的机器人全维视觉系统，多曲面取景器卡在透明保护罩上，摄像机安装在底座上，其镜头通过底座上的定位孔，伸入保护罩内并正对取景器的顶端，摄像机连接图像采集盒，图像采集盒通过通用串行总线接口连接后台计算机和移动机器人，多曲面取景器由球面、锥面、平面光滑连接而成。本发明的系统具有即插即用和支持热拔插的特点，提高了系统在振动环境中的可靠性和稳定性，并通过全新设计的全维取景器，减小视觉系统的盲区，减少所得图像的失真度，提高环境辨识的精度和准确度，降低系统制造的复杂度和成本。

Description

基于通用串行总线的机器人全维视觉系统

技术领域：

本发明涉及一种基于通用串行总线的机器人全维视觉系统，应用数字图像处理、计算机图形学以及光学成像等方面的技术，提高系统对环境辨识的精度和准确度，属于人工智能理论的分支计算机视觉技术领域。

背景技术：

视觉系统是自主移动机器人的重要组成部分，但是受限于现有的技术水平，现有的视觉系统有很多的缺点。

首先，现有的视觉系统通常采用基于外设部件互连总线(以下简称PCI)的图像采集卡完成数字图像的捕捉盒转换。而PCI插卡由于其机械连接上的特性不适合在振动的环境中应用，常常造成系统无法正常工作，使得系统的稳定性大大的降低了。因此其不适合应用于处在不规则振动系统中的移动机器人或其它类似机器人。

其次，在视觉系统中所采用的摄像器件的视野有限，因此采集到的环境信息也受到了很大的限制，如果机器人要获得大范围内的视觉信息，那就要采用多个摄像器件构成视觉系统，这势必会增加系统设计和实现的复杂度和难度，也会使系统的造价较高。因此，近年来出现了全维视觉技术，就是利用镜面的反射原理，扩大了视觉系统的视野。在全维视觉系统中，摄像器件不是直接观看外界环境，而是正对一面凸面镜(全维取景器)，这面镜子一般安装在摄像器件镜头的正上方。根据镜面反射原理，远处物体所发出的光线经过镜面反射后集中的通过摄像器件的镜头，形成图像信息。这样，只用一个摄像机就可以观察到机器人周围360度内的整个环境，可以大大减少系统设计的复杂性和难度，并降低了系统的成本。

全维视觉系统中的取景器形状、外壳设计以及配套的图像处理方法直接影响系统的加工制造和使用效果。目前的全维视觉产品主要采用球面镜作为全方位取景器，实现了对全方位景物的观察，但是存在不小的缺点。首先，球面镜子的加工不是很方便，加工的成本比较昂贵。作为整个系统中最重要的组成部分——取景器的精度直接决定了，整套系统图像的清晰度和图像处理后所得物体信息的准确度。而如果加工高精度的球面镜，其机械加工是非常复杂的，需要采用高精度的数控机床，而且对工艺的要求较高。其次，由于球面的几何特性，部分镜面上景象不易被摄像器件观测到，并会产生较大的形变。由于摄像机采用的是小孔成像的原理，摄像头的镜头直径一般小于球面镜的直径，因此它的视线会和球面镜有个切点，切点以上的部分无法观测到，形成摄像机的盲区，而且成像于切点附近的图像会产生较大的形变。另外，圆形的镜子装配的时候对心比较困难，因为其表面没有明显的定位点。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于通用串行总线的机器人全维视觉系统，克服现有系统不适应振动环境，图像失真较大，存在盲区以及加工和安装不便等缺点。

为实现这样的目的，本发明提出了一种全新的基于通用串行总线(USB)接口的移动机器人实时彩色全维视觉系统，摒弃以往采用PCI插卡的设计，采用全新的USB外置图像采集盒，也可以直接采用视角大的USB接口数字摄像头，利用USB总线的即插即用、可带电拔插和机械连接上抗振等特性，提高视觉系统在恶劣环境下的稳定性。对系统中最重要的组成部件取景器进行了特殊设计，由球面、锥面、平面光滑连接构成多曲面取景器，实现加工简易、对心方便和图像高度保真。

本发明的具体结构为：在玻璃保护罩的顶盖下安装由多曲面构成的取景器，作为环境中景物的反射镜，用以观察系统本体周围360度内的景物，彩色CCD摄像机通过底座的定位孔伸入玻璃保护罩内并固定在底座上，镜头和取景器被封装在保护罩内，采用的镜头的视角可覆盖整个球面反射镜，整个保护罩用无色透明的玻璃或有机玻璃制成，保护罩下部和底座上的硬塑料套通过紧配合紧密相连，底座可以安装在移动机器人身上。CCD摄像机连接USB外置图像采集盒，图像采集盒通过USB接口连接后台计算机和移动机器人。

彩色CCD摄像机通过取景器采集周围的环境信息，再通过连接USB外置图像采集盒完成数字图像的采集盒转换，并通过USB总线将数字图像输入后台计算机或者移动机器人中，最后通过配套的软件利用计算机进行图像处理，计算出本系统和环境中的物体的相对位置，进而依照本系统和机器人本体之间的相互坐标关系，计算出环境中各物体与移动机器人本体之间的相对位置关系。

取景器是整个系统中最重要的组成部分，为了进一步减小盲区，提高图像的精度，本发明设计的取景器镜面由球面镜、锥面镜、平面镜三部分组成。球面镜部分主要可以用于摄像机和取景器的对心标志，锥面镜部分主要用于观察周围的环境，平面镜部分主要对离机器人本体较近的场景做补偿。整个镜面总体上是个带底座的锥体。

配套的软件实现以下功能：一、可以通过USB总线接收数字图像信息，完成简单图像处理并回显出来；二、可以通过指定颜色完成在图像中对目标物体的标定；三、完成目标物体和系统本体之间的相对坐标关系的运算；四、可以通过Socket接口将视觉信息，输出到网络或者机器人行为的规划程序。

本发明采用USB总线作为采集和传递数据的通道，使得系统具有了即插即用和支持热拔插的特点，同时由于USB接口在机械和电气设计上的特点，提高了系统在类似车载这种振动环境中具有很高的可靠性和稳定性，增强了系统的实用性和适应性，并通过全新设计的全维取景器，减小了视觉系统的盲区，减少了所得图像的失真度，提高了环境辨识的精度和准确度，降低了系统制造的复杂度和成本。本发明系统结构简单，只采用了一个摄像机，造价低，实用方便。

附图说明：

图1为本发明的结构组成示意图。

图1中，1-顶盖，2-取景器，3-镜头，4-底座，5-保护罩，6-摄像机，7-USB外置图像采集盒(若直接采用USB接口的数字摄像头，那么6、7就可以合并为一个部件)，8-USB接口总线，9-后台计算机，10-移动机器人。

图2是本发明取景器的结构示意图。

图2中，11-安装定位螺孔(M6)，a.平面镜部分，b.锥面镜部分，c.球面镜部分，d.保护台阶。

图3是取景器的俯视图。

图3中，11-安装定位螺孔(M6)。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

附图1是本发明整个装置组装好后的结构示意图。如图1所示，顶盖1和取景器2通过紧固螺钉相连，并整体卡在保护罩5上，保护罩5安装在底座4上，底座4上有一个可以容镜头3通过的定位孔，让镜头3伸入保护罩5内正对取景器2的尖端，摄像机6安装在底座4上。摄像机6的视频信号接入USB图像采集盒7，并经USB接口总线8连接后台计算机9或者直接连接移动机器人10的上位机。

为了进一步减小盲区，提高图像的精度，本发明设计了全新的取景器。

附图2是本发明取景器的半剖面结构示意图。图中可见取景器的镜面分为三个部分：a.平面镜部分；b.锥面镜部分；c.球面镜部分。另外还有安装定位螺孔11(M6)，这样可以通过M6的紧固螺钉和顶盖相连以及一个5mm厚的台阶d方便安装和保护镜面。

附图3是取景器的俯视图。如图3所示，取景器2通过三个安装定位螺孔11安装在顶盖上。三个安装定位螺孔11互相之间以120°分布在镜体底部直径为30mm的同心圆上。

从图2、图3中可以看到取景器由球面、锥面、平面光滑连接构成带底座的锥体，底座为平面镜，中间锥面镜和顶端球面镜的连接部位相切。三部分镜面的具体尺寸。取景器的镜面由三个部分组成：a.平面镜部分是一个内径为69mm、外径为90mm的环；b.锥面镜部分是一个底部半径为69mm，高为19.5mm的锥体的外表面在尖端和c部分平滑的相切；c.球面镜部分是一个球心在离镜体底面中心的高为19.5mm处且圆心半径为5mm。d.保护台阶是一个半径为90mm、高为5mm的圆柱体。球面镜部分主要可以用于摄像机和取景器的对心标志，另外在取景的时候可以减少顶点处的微缩效应，这样可以比较清楚地观察离机器人本体比较近的地方。锥面镜部分主要用于观察周围的环境，它和球面镜的连接部是相切的。首先，锥体的镜面不存在球面镜的盲区。其次，锥面镜中直线的形变比较小，便于后期的图像处理和辨识。再次，由于锥面镜中物体的外形形变较小，所得的图像可以用计算机直接处理，中间可以忽略对图像失真的矫正，可以减少处理的运算量，提高处理系统的实时性。最后，可以保证获得图像的连续性，减少图像处理上的复杂度。平面镜部分主要作用是，可以对离机器人本体较近的场景的做补偿，因为离机器人本体比较的近的部分的主要成像于整个镜子的顶尖部分，这里的图像都被缩成一团失真度比较大，有了平面镜部分就可以更好对观察离机器人本体较近的地方。整个镜体总体上看起来象个带底座的锥体，这样的设计首先有助于消除由于镜体弯曲所引起的观察的盲区，扩大了摄像机的取景范围，可以更准确的反映周围环境的状况。而且，加工锥体在工艺上的难度相对球体较低，较易获得比较高的加工精度。锥体的顶端部分采用球面镜的设计，减弱了近处的物体在镜面成像时被微缩的程度，另外在安装摄像器件时有了明显的对心标志，降低了对心的难度，提高了对心的精确度。而底座部分平面镜的设计，又有效的补偿了锥体镜面对近处物体失真，减小了整个装置的盲区，提高了装置观测的视野，提高了准确性。为了保证取景器的加工精度，在选择材料时要考虑金属的切削特性，要选择比较硬质的材料，经过多次的实验，选择合金钢(40CrMnMo)比较合适。

系统采用USB总线作为采集和传递数据的通道，通过配套的软件利用计算机进行图像处理，可确定环境中各物体与移动机器人本体之间的相对位置关系。

Claims (1)

1、一种基于通用串行总线的机器人全维视觉系统，其特征在于顶盖(1)和多曲面取景器(2)通过紧固螺钉相连，并整体卡在透明保护罩(5)上，摄像机(6)安装在底座(4)上，其镜头(3)通过底座(4)上的定位孔，伸入固定在底座(4)上的保护罩(5)内，并正对取景器(2)的顶端，摄像机(6)连接图像采集盒(7)，图像采集盒(7)通过通用串行总线接口连接后台计算机(9)和移动机器人(10)，多曲面取景器(2)由球面、锥面、平面光滑连接构成带底座的锥体，底座为平面镜，中间锥面镜和顶端球面镜的连接部位相切。

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