专利名称：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DtlD1,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，所述的步骤幻将探测 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η，η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η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η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Dtl与探测车之间的距离Cltl ；
,_ (n-l)xd0 = 2tan(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Iili的出射角度；Laser_ShootAngle = arctan (n^^d/do)其中nii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Dtl间的距离
F) P ‘-
1^OrOi ，d/ = d0X cos (Laser_ShootAngle)
Γ π^ ’ τ hlaser 7 7 ‘ r、Β{)Ρ ι =L — ~— (^0 +L)
H其中Ptli'代表安全控制点，d'。为激光条纹仪的各个激光器10在水平面上的 投影点Oi与Dtl之间的距离，L为安全控制点Ptli'与Dtl之间的距离，hlaser为危险源A的 高度阈值，i = 1 η ；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MfeL，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幻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aiiin。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 << Is。
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
具体实施例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11)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DtlD1, 其中Dtl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
权利要求
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(1 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(1 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；所述的步骤幻中放激光条纹仪安装在距水平面高度为H的探测车(1 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DtlD1,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 述的步骤幻将探测车(1 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η，η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η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η 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Dtl与探测车之间的距离Cltl ； d _ (n-l)xd 0 “ 2tan(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。Dtl为出射线与水平面的交点。第四步，利用下式计算激光线Hli的出射角度；Laser_ShootAngle = arctan (nu^d/d0)其中Hli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Dtl间的距离F) P ‘-1^OrOi ，d0' = d0 X cos (Laser—ShootAngle)τλ Ti' τ hlaser . , ' Γ、 D0P0i 二 L 一~—(d0 ^L)ΓΙ其中Ptli'代表安全控制点，d'。为激光条纹仪的各个激光器(10)在水平面上的投影 点(^与队之间的距离，L为安全控制点Ptli ‘与Dtl之间的距离，hlaser为危险源A的高度 阈值，i = 1 η ；第六步，确定行走区，选择直线A' T'到探测车(1 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MfeL，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。
3.如权利要求1或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)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。
4.如权利要求1或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)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幻所述的交点的三维坐标。
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)提取激光条纹上激光点信息；2)生成点信息三维信息数组。
6.如权利要求4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。
全文摘要
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。
文档编号G01B11/25GK102116612SQ20091021698
公开日2011年7月6日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者余志鸿, 张志 , 张晋, 曹荣向, 杨洁, 王磊, 陈建新 申请人:北京控制工程研究所