全自主足球机器人视觉系统的研制

论文摘要

机器人是一项包含多项技术领域的综合性研究项目,自主移动机器人是机器人学科中技术含量比较高的一个分支,具有广泛的应用前景。视觉系统作为机器感知外界环境的重要手段,对机器人的性能有着重要的影响。虽然机器人足球比赛中目标物体的颜色、形状特征已知,但由于比赛的对抗性,使得视觉系统应具有很高的实时性、较高的精确度、具有一定的适应能力和抗干扰能力,这对视觉系统的设计提出了很大的挑战。本文以中国海洋大学的全自主机器人为研究对象,针对移动机器人的视觉系统展开了较为深入的研究。本论文的研究工作主要包括以下几方面:首先,概述了机器人发展的历史和现状的基础上,讨论了计算机视觉,机器人视觉技术和机器人视觉的发展趋势。其次,本文首先根据RoboCup中型组足球机器人的要求,设计了一套能感应全景图像信息的视觉系统,通过全景视觉采集到全自主足球机器人周围360 0范围的场地信息,并对视觉系统的硬件部分做了相关介绍。第三,在机器人视觉的基础上,从机器人视觉系统的图像获取与转换、彩色图像预处理、彩色图像分割、图像识别和目标跟踪等视觉处理方面进行了详细论述。通过大量试验数据对常用的几种色彩空间的特点进行了比较分析,最后采用HSV空间设计本文的系统,详细介绍了设计过程中采用的基于HSV颜色空间的图像分割算法,阐述了目标特征的描述分类与提取的基本方法,其中重点讨论了目标形状不变矩和双线性插值质心的计算方法。然后采用特征匹配的方法,通过分析目标的颜色直方图,利用目标颜色的概率分布特征,锁定目标的颜色分布区域的质心,达到快速准确的跟踪效果,完成对目标的定位跟踪。第四,介绍了作者研究开发的中型组机器人的视觉系统软件。本文设计了全向视觉和前向视觉相结合的实时视觉系统。在对机器人视觉系统要求的详细介绍基础上介绍了视觉系统的图像采集模块、图像预处理模块、颜色分割模块、目标识别和目标跟踪模块等程序设计过程。最后是论文工作的总结,并对需要进一步深入研究的工作进行了讨论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 自主移动机器人
• 1.2 足球机器人
• 1.3 计算机视觉
• 1.3.1 计算机视觉研究的目的和意义
• 1.3.2 计算机视觉的特点
• 1.3.3 计算机视觉的发展
• 1.3.4 Marr 视觉计算理论
• 1.4 机器人视觉的概念和意义
• 1.5 国内外研究现状
• 1.6 本论文的主要内容和工作
• 2 视觉系统的硬件组成
• 2.1 异构双目彩色视觉系统
• 2.2 反射镜全景视觉传感器
• 2.3 图像采集卡的选择
• 3 图像预处理
• 3.1 颜色空间
• 3.1.1 颜色模型的比较与分析
• 3.1.2 颜色模型的选择
• 3.1.3 色彩空间的转换
• 3.2 图像平滑
• 3.3 图像增强
• 4 彩色图像分割
• 4.1 图像分割
• 4.2 基于HSV 颜色空间的阈值分割法
• 4.2.1 计算目标的颜色直方图
• 4.2.2 HS 空间的量化
• 4.2.3 循环分割
• 5 目标识别及跟踪
• 5.1 模式识别
• 5.1.1 统计模式识别
• 5.1.2 结构模式识别
• 5.2 图像目标的区域特征的特性及描述
• 5.2.1 区域的拓扑特性
• 5.2.2 区域的几何特性
• 5.3 目标跟踪
• 5.3.1 彩色图像目标的检测跟踪的基本思想与方法
• 5.3.2 将目标原始图像转化成空间颜色概率分布图像
• 5.3.3 彩色图像目标的跟踪
• 6 全自主机器人视觉系统的设计与实现
• 6.1 系统要求
• 6.2 系统设计思路
• 6.3 两套视觉系统共同工作的实现机制
• 6.4 系统中各模块的功能实现方案
• 7 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间论文发表情况