[发明专利]一种复合式视觉导航方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种机器人视觉导航领域，尤其涉及一种复合式视觉导航方法和装置。

背景技术

随着自主机器人技术的快速发展以及其应用领域的不断拓展，人们对机器人感知环境的能力提出了更高的要求。早期的机器人以声纳、激光测距仪和红外传感器为主要的外部传感器，而近些年来视觉传感器以其探测范围宽、信息容量大和成本逐步下降等优势，在机器人导引/导航中受到了越来越高的重视。

应用于机器人导航/导引的视觉传感器有两种常见形式：结构光视觉传感器和立体视觉传感器。结构光视觉传感器采用一种主动式的传感方法，不存在立体匹配问题，适合应用在近距离的障碍物探测，速度快而且精度高。相反，立体视觉传感器是一种被动式的传感方法，具有更深更广的探测范围，但由于遮挡和缺乏纹理等问题带来的立体匹配难题，至今未能很好地解决。而且运算量较大，实现实时性的难度较大。

这两种视觉传感器均可应用于移动机器人视觉导航。结构光视觉传感器尽管优势明显，但由于只能探测到小范围的环境，因而机器人只能根据传感器信息做出避障运动规划，也就是局部规划。由美国运输研究会(TRC)研制的Helpmate机器人是一个自主式运送系统，主要在医院等场所完成传递医疗记录、诊断样品等任务，该系统采用结构光视觉方式，实现躲避行人和障碍物。局部规划常见的问题是容易陷入“死锁”，甚至不能到达目标；立体视觉传感器所观测的范围较广，因而在此基础上的全局路径规划成为可能。但得到的环境信息是以观察者为中心的2.5-D信息，而且难免出现视觉遮挡和立体误匹配问题。因此，由基于立体视觉的单次离线规划是不可靠的，在机器人运动过程中，必须根据探测的新信息做出重新规划，而这又受到立体视觉实时性的制约。立体视觉已经应用于美国的火星车“机遇号”和“勇气号”，但是某些情况下还需要地球上地面指挥人员的遥控操作。

国外的学者相继提出一些组合式的导航策略。常规的“感知-建模-规划-行为”是一种“慎思”式的导航方法，该方法经过了自上而下的推理，能够实现高层次的智能行为，但是对环境的变化反应不够灵敏。与之截然不同的是，Brooks在他的包容式体系结构中提出了一种“行为”式的方法，它将机器人的行为划分为若干小的功能模块，如“停车、跟踪、漫游、避障”等，每个模块实现传感器信息与机器人动作间的一种映射，机器人的最终行为由各行为模块之间的竞争实现。但是，这种单纯的“反应式行为”很难达到最佳的导航效果，而且极易陷入“死锁”。

在“Global and regional path planners for integrated planning and navigation”(A.Howard，2005)等文献中报道了将两种方式相结合的导航方法。

卡耐基-梅隆大学提出了一种全局和局部规划组合式的导航方法，但是仅以激光测距仪这一种昂贵的外部传感器探测环境，无法广泛应用，具体报道可参考文献“Complete navigation system for goal acquisition in unknownenvironments”(A.Stentz，1995)。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种复合式视觉导航方法，可以实现移动机器人更可靠地导航，简单实用，易于实现。

本发明的另一目的在于提供一种复合式视觉导航装置，结构简单，费用低廉。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种复合式视觉导航装置，由CCD摄像机、激光器、机械支架等组成，整个装置由两部分结合而成：一个CCD摄像机和一个激光器构成结构光视觉传感器，用以进行局部路径规划；三个CCD摄像机构成三目立体视觉传感器，用以进行全局路径规划。

较佳地，该装置中CCD摄像机和激光器具有偏航和俯仰两个方向的旋转自由度，用以调节视觉传感器的位姿。

较佳地，在结构光传感器的CCD摄像机前安装一中心波长与激光器相对应的干涉滤光片。

较佳地，所述干涉滤光片为窄带通干涉滤光片。

一种复合式视觉导航方法，基于上述的装置，该方法包括以下步骤：

a、启动立体视觉传感器，进行全局规划：规划出从当前点到目标点的最优路径；

b、启动结构光视觉传感器，在跟踪全局路径或向当前子目标运动的过程中，探测是否存在与全局规划不一致的环境信息，

若没探测到，则继续按全局路径前进，若探测到，利用局部规划进行避障，避障过程仍以全局规划中的当前子目标为目标点，