变电站设备巡检机器人的导航与定位研究

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随着人工智能和机器视觉等学科的飞速发展,移动机器人技术的研究越来越受到国内外科研工作者的重视。自主导航定位是移动机器人技术研究的关键,定位精度和障碍物的成功检测是其能否在实际环境中成功应用的前提。本文以实验室自行研制的设备巡检机器人为实验平台,以变电站为应用环境,结合双目视觉与射频识别技术(Radio Frequency Identification, RFID)对巡检机器人导航与定位展开了如下研究:通过使用RFID阅读器无线检测RFID标签对机器人进行粗略定位,再使用双目摄像机提取路标的位置完成机器人的精确定位;根据RFID标签内储存的信息确定机器人的在变电站内某位置的任务类型并执行。随机选取一定数目的像素点,根据其在视差图中的三维坐标,利用RANSAC(Random Sample Consensus)算法求取当前帧的道路平面方程,然后根据点到平面的距离公式,求取图像中每个像素点到道路平面的距离,得到巡检机器人三维地形的高度图,最后对高度图进行图像处理,提取障碍物区域,结合道路边沿,控制机器人完成导航避障。基于上述理论,在PC机上,以Windows、Microsoft Visual Studio 2005和OpenCV为开发环境,并使用BumblebeeⅡ双目摄像机和RFID标签及其阅读器开发出变电站设备巡检机器人导航定位系统,通过在实际变电站环境下的运行,测试系统的可靠性。
摘要第4-5页
Abstract第5-6页
1 绪论第9-14页
    1.1 课题研究背景及意义第9页
    1.2 国内外研究现状第9-13页
        1.2.1 国外研究现状第10-11页
        1.2.2 国内研究现状第11-12页
        1.2.3 课题来源及主要研究内容第12-13页
    1.3 本章小结第13-14页
2 机器人总体设计方案及系统组成第14-20页
    2.1 总体设计方案第14-15页
    2.2 运动控制系统第15-17页
    2.3 立体视觉开发平台第17-19页
        2.3.1 BumblebeeⅡ双目摄像机第17-18页
        2.3.2 软件开发包第18-19页
    2.4 本章小结第19-20页
3 双目立体视觉技术第20-32页
    3.1 摄像机模型中的坐标系描述第20-24页
    3.2 摄像机标定第24-27页
        3.2.1 传统的摄像机标定第24-26页
        3.2.2 摄像机自标定第26-27页
        3.2.3 双目摄像机标定第27页
    3.3 立体匹配第27-29页
        3.3.1 特征提取第28页
        3.3.2 匹配准则第28-29页
        3.3.3 匹配方法第29页
    3.4 双目视差及深度信息获取原理第29-31页
    3.5 本章小结第31-32页
4 结合视觉和RFID 的巡检机器人定位第32-45页
    4.1 机器人定位方法介绍第32-33页
    4.2 基于RFID 的巡检机器人粗略定位第33-37页
        4.2.1 RFID 技术简介第34-35页
        4.2.2 RFID 环境设置第35-37页
        4.2.3 巡检机器人相对定位第37页
    4.3 基于视觉的巡检机器人精确定位第37-44页
        4.3.1 单应矩阵测量原理第38-39页
        4.3.2 路标识别与精确定位第39-44页
    4.4 本章小结第44-45页
5 基于立体视觉的巡检机器人导航第45-54页
    5.1 基于立体视觉的障碍物高度检测方法第45-48页
        5.1.1 基于重投影变换的障碍物高度检测第45-46页
        5.1.2 基于v视差图的障碍物高度检测第46-47页
        5.1.3 利用角度关系检测障碍物高度第47-48页
        5.1.4 通过坐标转换检测障碍物高度第48页
    5.2 基于点到平面距离的障碍物高度检测第48-52页
        5.2.1 道路模型假设第48-49页
        5.2.2 道路平面方程的求取第49-51页
        5.2.3 高度图的求取第51-52页
    5.3 导航避障策略第52-53页
    5.4 本章小结第53-54页
6 实验结果分析第54-64页
    6.1 路标识别实验第55页
    6.2 RFID 与视觉结合的定位实验第55-56页
    6.3 道路平面方程仿真实验第56-64页
        6.3.1 高度图仿真对比实验第60-61页
        6.3.2 高度图的图像处理实验第61-64页
结论第64-65页
致谢第65-66页
参考文献第66-70页
攻读学位期间发表的与学位论文内容相关的学术论文及研究成果第70-71页
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