探測(cè)機(jī)器人煤礦井下地圖創(chuàng)建
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3.2柵格定位及坐標(biāo)變換
通過(guò)立體視覺(jué)系統(tǒng)的感知，可以獲得現(xiàn)場(chǎng)地形的三維點(diǎn)集合，這些離散的點(diǎn)集合可以用于描述地形環(huán)境的表面輪廓，從而構(gòu)成了目標(biāo)地形的三維點(diǎn)云描述，其中點(diǎn)的坐標(biāo)描述了該視差點(diǎn)相對(duì)攝像機(jī)的位置。對(duì)于局部地圖的創(chuàng)建，需要將這些三維點(diǎn)云描述首先由立體相機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到機(jī)器人坐標(biāo)系當(dāng)中，并以此作為機(jī)器人此次路徑規(guī)劃的局部環(huán)境描述。而后，在進(jìn)行全局路徑規(guī)劃之前，需要將上述坐標(biāo)從機(jī)器人坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系，即井下環(huán)境全局地圖坐標(biāo)系當(dāng)中，這主要通過(guò)機(jī)器人的定位及姿態(tài)估算信息進(jìn)行推算，完成坐標(biāo)變換后，進(jìn)而可以完成局部地圖與全局地圖的融合。坐標(biāo)系的定義及轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2.
當(dāng)機(jī)器人在未知環(huán)境中進(jìn)行自主導(dǎo)航時(shí)，若沒(méi)有外部提供的全局定位信息，一般采用自主導(dǎo)航開(kāi)始時(shí)，機(jī)器人的初始位置為世界坐標(biāo)系的零點(diǎn)。用立體攝像機(jī)采集圖像就是將客觀世界的3D場(chǎng)景投影到2D像平面上，這個(gè)場(chǎng)景可以用成像變換來(lái)描述。成像變換涉及到不同坐標(biāo)系統(tǒng)之間的變換，立體攝像機(jī)進(jìn)行圖像采集的最終結(jié)果是要得到計(jì)算機(jī)里的數(shù)字圖像，因此在成像變換時(shí)需要用到以下坐標(biāo)系。以機(jī)器人的姿態(tài)確定各坐標(biāo)軸的方向。如圖2所示，本文采用機(jī)器人的前向作為z軸，以處在相同水平面的指向機(jī)器人右側(cè)與z軸垂直的方向作為x軸，最后以右手法則確定y軸。
世界坐標(biāo)系：Xw，Yw，Zw，為基準(zhǔn)坐標(biāo)系，刻度單位為物理單位
圖像坐標(biāo)系：(u,v)，(x,y)
(u,v)：為以像素為單位的圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)，表示像素在圖像中的行數(shù)和列數(shù)
(x,y)：以物理單位表示的圖像坐標(biāo)系
圖2世界坐標(biāo)系和攝像機(jī)坐標(biāo)系
攝像機(jī)坐標(biāo)系：Xc，Yc，Zc
其原點(diǎn)O位于攝像機(jī)的光心，Xc,Yc分別與圖像坐標(biāo)系的x,y軸平行，Zc為攝像機(jī)的光軸，且與圖像平面相互垂直。光軸與圖像平面的交點(diǎn)為圖像坐標(biāo)系的原點(diǎn)。
機(jī)器人坐標(biāo)系：Xr,Yr,Zr
安裝在機(jī)器人上的立體視覺(jué)系統(tǒng)與機(jī)器人是固連的，根據(jù)以上坐標(biāo)軸的定義，若以右攝像機(jī)的光心為攝像機(jī)坐標(biāo)系的原點(diǎn)，則攝像機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為
Xc=Xr+l;Yc=Yr+h;Zc=Zr(1)
其中，l為右攝像機(jī)光心與機(jī)器人坐標(biāo)系原點(diǎn)（一般為機(jī)器人質(zhì)心）之間的水平距離，h為右攝像機(jī)光心與機(jī)器人坐標(biāo)系原點(diǎn)之間的垂直距離。轉(zhuǎn)換為齊次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為
（2）當(dāng)需要將三維點(diǎn)的坐標(biāo)由機(jī)器人坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到世界坐標(biāo)系中時(shí)，如圖3所示，需要機(jī)器人自定位功能提供機(jī)器人的位置與姿態(tài)信息，假設(shè)機(jī)器人的位置在世界坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)為（x0,y0,z0）,即機(jī)器人坐標(biāo)系的原點(diǎn)。則機(jī)器人坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系之間的平移矩陣為T(mén)：
（4）若以任務(wù)開(kāi)始時(shí)機(jī)器人的位置與朝向定義為全局坐標(biāo)系的原點(diǎn)，則機(jī)器人坐標(biāo)系中的點(diǎn)P(Xr,Yr,Zr)到全局坐標(biāo)系中對(duì)應(yīng)點(diǎn)P’(Xw,Yw,Zw)的轉(zhuǎn)換如式如下：
具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程可以由圖3-13所示。其中圖3-13(a)為一對(duì)立體視覺(jué)圖像中右攝像機(jī)獲得的圖像。圖3-13(b)為根據(jù)立體匹配方法獲得視差圖?；谌欠?，可以計(jì)算得到相對(duì)與攝像機(jī)坐標(biāo)系的地形輪廓三維點(diǎn)云描述()CCCCPx,y,z，如圖3-13(c)中所示。其為攝像機(jī)前方扇形區(qū)域內(nèi)的地形輪廓。根據(jù)式（3-13）可將()CCCCPx,y,z轉(zhuǎn)化為相對(duì)機(jī)器人的描述()RRRRPx,y,z。在此基礎(chǔ)上，可以為每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)確定其所屬的柵格。最后，根據(jù)式（6）計(jì)算柵格的高度，得到位于機(jī)器人前方扇形區(qū)域內(nèi)的環(huán)境2.5D柵格地圖描述。環(huán)境的全局2.5D柵格地圖由機(jī)器人在各個(gè)不同的位置獲得的局部2.5D柵格地圖，依據(jù)自主定位獲得的機(jī)器人位姿信息拼接而成。環(huán)境局部2.5D柵格地圖與全局2.5D柵格地圖的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換依據(jù)式（5）進(jìn)行。
圖3-132.5D格柵地圖創(chuàng)建 三維掃描儀相關(guān)文章:三維掃描儀原理 熱成像儀相關(guān)文章:熱成像儀原理
評(píng)論