本發(fā)明涉及機(jī)器視覺應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種障礙物探測定位裝置及采用了該障礙物探測定位裝置的避障系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

光流指時變圖像中亮度或者灰度在成像平面上的運(yùn)動。動物(尤其是昆蟲)在移動時，周圍環(huán)境會在視網(wǎng)膜上形成圖像序列，圖像序列的連續(xù)變化造成視網(wǎng)膜上亮度的“流動”，因此形象地稱這種圖像亮度在二維成像平面上的運(yùn)動為光流。相對運(yùn)動是光流產(chǎn)生的必要條件，生物研究結(jié)果表明昆蟲就是利用光流進(jìn)行導(dǎo)航、飛行和著陸的，這表明光流中包含有豐富的三維運(yùn)動和場景信息。在光流應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域國內(nèi)外相繼開展了大量研究，主要集中在移動目標(biāo)檢測與跟蹤、機(jī)器人視覺導(dǎo)航與避障、飛行器低空地形跟隨飛行控制等方向，初步具備了向工程應(yīng)用轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)。

在光流應(yīng)用算法研究和開發(fā)中，由于光流提取算法計算量較大，因此通常是將智能體攜帶的攝像機(jī)采集的序列圖像通過無線鏈路回傳到地面計算機(jī)進(jìn)行光流解算，這在一定程度上限制了光流應(yīng)用的工程化轉(zhuǎn)化。并且，PX4光流傳感器作為當(dāng)下新興的一種基于圖像光流應(yīng)用的硬件系統(tǒng)，其可以與超聲測距器件一同使用，測量微小型飛行器的下視光流，輔助實(shí)現(xiàn)無GPS條件下的定點(diǎn)飛行，該技術(shù)已應(yīng)用于Ar.drone四旋翼飛行器，并且PX4光流傳感器還可以與開源飛控Pixhawk兼容使用，但由于成像單元少、測量覆蓋范圍及距離也很小，無法適應(yīng)前視遠(yuǎn)距離大范圍探測的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠在圖像采集現(xiàn)場提取光流并據(jù)此實(shí)現(xiàn)基于圖像的障礙物探測定位的障礙物探測定位裝置及采用了該障礙物探測定位裝置的避障系統(tǒng)。

為解決上述問題，本發(fā)明提出一種障礙物探測定位裝置，該裝置包括：

圖像獲取單元，用以獲取障礙物行進(jìn)前方的場景圖像；

圖像處理單元，用以由所述圖像獲取單元獲取得到的場景圖像中采集 序列圖像，并從所述序列圖像中提取出光流，最終根據(jù)所述光流得出障礙物與所述圖像獲取單元的相對距離；

所述圖像獲取單元與所述圖像處理單元連接用以將包含有障礙物的場景的圖像信息傳輸至所述圖像處理單元；

所述圖像獲取單元與所述圖像處理單元均設(shè)置于獲取場景圖像的位置處。

優(yōu)選的，所述障礙物探測定位裝置與地面監(jiān)測控制工作站連接用以將障礙物與所述圖像獲取單元的相對距離傳遞至所述地面監(jiān)測控制工作站。

優(yōu)選的，所述障礙物探測定位裝置中設(shè)置有無線網(wǎng)卡，所述障礙物探測定位裝置與所述地面監(jiān)測控制工作站無線連接。

優(yōu)選的，所述地面監(jiān)測控制工作站通過無線網(wǎng)卡無線遠(yuǎn)程登陸控制所述圖像處理單元。

優(yōu)選的，本發(fā)明的障礙物探測定位裝置還包括移動電源，所述移動電源分別與所述圖像獲取單元以及圖像處理單元連接以提供電源，具體的，所述移動電源與所述圖像獲取單元以及圖像處理單元之間均可以采用MicroUSB供電。

優(yōu)選的，所述圖像獲取單元包括攝像機(jī)；

所述圖像處理單元包括Pcduino微型計算機(jī)、搭載的Linux操作系統(tǒng)以及Opencv應(yīng)用層軟件Opencv應(yīng)用層軟件。

優(yōu)選的，所述圖像處理單元中應(yīng)用層軟件包括：

序列圖像采集模塊，用以采集所述圖像獲取單元獲取得到的場景圖像中的序列圖像；

校正模塊，用以校正所述序列圖像采集模塊采集到的序列圖像并濾除噪聲；

光流估計模塊，用以獲取并提取出經(jīng)所述校正模塊校正后的序列圖像中的光流；

深度估計模塊，用以獲取障礙物與圖像獲取單元之間的相對距離。

優(yōu)選的，所述模塊序列圖像采集模塊讀取的各所述序列圖像之間為固定的時間間隔，且該時間間隔可以由工作人員結(jié)合實(shí)際進(jìn)行設(shè)定，并預(yù)設(shè)于Opencv應(yīng)用層軟件中。

優(yōu)選的，所述校正模塊的濾除噪聲采用高斯濾波方法；

所述光流估計模塊提取光流采用二項(xiàng)式擬合方法；

所述深度估計模塊根據(jù)膨脹中心(FOE)及剩余碰撞時間(TTC)進(jìn)行。

本發(fā)明還提供了一種避障系統(tǒng)，包括：

上述的障礙物探測定位裝置，用以獲取障礙物與所述圖像獲取單元的相對距離；

智能體控制模塊，用以獲取障礙物與所述圖像獲取單元的相對距離，并據(jù)此規(guī)劃出躲避障礙物的行進(jìn)路線以實(shí)現(xiàn)避障功能；

所述障礙物探測定位裝置與所述智能體控制模塊連接用以將獲取障礙物與所述圖像獲取單元的相對距離傳輸至所述智能體控制模塊。

采用本發(fā)明的障礙物探測定位裝置及采用了該障礙物探測定位裝置的避障系統(tǒng)能夠在圖像采集的位置處進(jìn)行圖像信息的采集、光流的提取，并最終根據(jù)該光流得出障礙物與所述圖像獲取單元的相對距離，實(shí)現(xiàn)基于圖像的障礙物探測定位。由于Pcduino微型計算機(jī)的采用，使得本發(fā)明的障礙物探測定位裝置質(zhì)量輕、體積小、適應(yīng)性強(qiáng)，可直接安裝到機(jī)器人、無人車、無人飛行器上進(jìn)行前期的數(shù)據(jù)采集及積累并以此作為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、避障、目標(biāo)跟蹤功能，提高智能體基于視覺的自主和智能化水平；并且可以在Pcduino微型計算機(jī)上運(yùn)行Opencv應(yīng)用層軟件，不但成本低、易獲取而且易操作。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為實(shí)施例1中本發(fā)明障礙物探測定位裝置的原理框圖。

圖2為實(shí)施例1中本發(fā)明避障系統(tǒng)的原理框圖。

圖3為實(shí)施例1中圖像獲取單元獲取的場景圖像。

圖4為實(shí)施例1中圖像處理單元提取出的光流示意圖。

圖5為圖4中障礙物與所述圖像獲取單元的相對距離說明圖。

具體實(shí)施方式

下面參照附圖來說明本發(fā)明的實(shí)施例。在本發(fā)明的一個附圖或一種實(shí)施方式中描述的元素和特征可以與一個或者更多個其他附圖或?qū)嵤┓绞街惺境龅脑睾吞卣飨嘟Y(jié)合。應(yīng)當(dāng)注意，為了清楚目的，附圖和說明中省略了與本發(fā)明無關(guān)的、本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的部件和處理的表示和描述。

本發(fā)明提供了一種障礙物探測定位裝置，該障礙物探測定位裝置包括：

圖像獲取單元，用以獲取障礙物行進(jìn)前方的場景圖像；

圖像處理單元，用以由圖像獲取單元獲取得到的場景圖像中采集序列圖像，并從序列圖像中提取出光流，最終根據(jù)光流得出障礙物與圖像獲取單元的相對距離；

上述的圖像獲取單元與圖像處理單元連接用以將包含有障礙物的場景的圖像信息傳輸至圖像處理單元；

圖像獲取單元與圖像處理單元均設(shè)置于獲取場景圖像的位置處。

作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式，可以將障礙物探測定位裝置與地面監(jiān)測控制工作站連接用以將障礙物與圖像獲取單元的相對距離傳遞至地面監(jiān)測控制工作站。在障礙物探測定位裝置中設(shè)置無線網(wǎng)卡，將障礙物探測定位裝置與地面監(jiān)測控制工作站無線連接，同時，地面監(jiān)測控制工作站通過無線網(wǎng)卡無線遠(yuǎn)程登陸控制圖像處理單元。還可以在本發(fā)明的障礙物探測定位裝置中設(shè)置移動電源，并將移動電源分別與圖像獲取單元以及圖像處理單元連接以提供電源，具體的，移動電源與圖像獲取單元以及圖像處理單元之間均可以采用MicroUSB供電。圖像獲取單元包括攝像機(jī)；圖像處理單元包括Pcduino微型計算機(jī)、搭載的Linux操作系統(tǒng)以及Opencv應(yīng)用層軟件Opencv應(yīng)用層軟件。攝像機(jī)可以通過USB接口與Pcduino微型計算機(jī)連接。為了實(shí)現(xiàn)圖像信息的采集、光流的提取以及障礙物與圖像獲取單元的相對距離的獲取，可圖像處理單元的Opencv應(yīng)用層軟件中分別設(shè)置用以采集圖像獲取單元獲取得到的場景圖像中的序列圖像的序列圖像采集模塊；用以校正序列圖像采集模塊采集到的序列圖像并濾除噪聲的校正模塊；用以獲取并提取出經(jīng)校正模塊校正后的序列圖像中的光流的光流估計模塊；用以獲取障礙物與圖像獲取單元之間的相對距離的深度估計模塊。具體的，作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式，其中，校正模塊的濾除噪聲采用高斯濾波方法；光流估計模塊提取光流采用二項(xiàng)式擬合方法；深度估計模塊根據(jù) 膨脹中心及剩余碰撞時間進(jìn)行。并且上述模塊序列圖像采集模塊讀取的各序列圖像之間可以選取為固定的時間間隔，該時間間隔可以由工作人員結(jié)合實(shí)際進(jìn)行設(shè)定，并預(yù)設(shè)于Opencv應(yīng)用層軟件中。

本發(fā)明還提供了一種避障系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

上述的障礙物探測定位裝置，用以獲取障礙物與圖像獲取單元的相對距離；

智能體控制模塊，用以獲取障礙物與圖像獲取單元的相對距離，并據(jù)此規(guī)劃出躲避障礙物的行進(jìn)路線以實(shí)現(xiàn)避障功能；

障礙物探測定位裝置與智能體控制模塊連接用以將獲取障礙物與圖像獲取單元的相對距離傳輸至智能體控制模塊。

實(shí)施例1：

如圖1所示，作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式，本實(shí)施例中，圖像獲取單元采用攝像機(jī)；圖像處理單元采用Pcduino微型計算機(jī)以及運(yùn)行于該P(yáng)cduino微型計算機(jī)上的Opencv應(yīng)用層軟件。圖像處理單元的Pcduino微型計算機(jī)與地面監(jiān)測控制工作站通過WIFI無線連接，并將障礙物與圖像獲取單元的相對距離傳遞至地面監(jiān)測控制工作站。在本實(shí)施例中，在障礙物探測定位裝置中設(shè)置的移動電源選取為5V移動電源并將其與圖像處理單元的Pcduino微型計算機(jī)采用MicroUSB供電，此處，該5V移動電源也可以與攝像機(jī)采用MicroUSB供電。同時，攝像機(jī)與圖像處理單元的Pcduino微型計算機(jī)間可以采用USB接口連接，用以將采集到的圖像信息傳遞至Pcduino微型計算機(jī)，同時，接收來自Pcduino微型計算機(jī)的包含有讀取各序列圖像之間的時間間隔信息等的圖像采集信號。

如圖2所示，為了實(shí)現(xiàn)在獲取了障礙物與圖像獲取單元的相對距離后對其的應(yīng)用如深度估計、避障指令解算、導(dǎo)航算法、跟蹤算法等，可以將以上各算法以及相應(yīng)的控制指令以光流應(yīng)用程序的形式存儲并運(yùn)行于Pcduino微型計算機(jī)上。由于各應(yīng)用均可由存儲并運(yùn)行在Pcduino微型計算機(jī)上的程序?qū)崿F(xiàn)，加之Pcduino微型計算機(jī)體積較小，可以裝載在機(jī)器人、無人車、無人飛行器等自主智能體上，用于實(shí)現(xiàn)基于序列圖像光流的智能體自主導(dǎo)航、自主避障、動目標(biāo)檢測跟蹤等技術(shù)應(yīng)用。Pcduino作為一種高性能的迷你PC平臺，其具有TTL串口，因而執(zhí)行該深度估計、避障指令解算、導(dǎo)航算法等的結(jié)果數(shù)據(jù)以及相應(yīng)產(chǎn)生的控制指令可以通過該TTL串口向外發(fā)送至智能體控制單元。

此外，可以在該P(yáng)cduino微型計算機(jī)上存儲并運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)， 為算法開發(fā)、調(diào)試、運(yùn)行提供環(huán)境，并支持各開源軟件。作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式，在本實(shí)施例中，該避障系統(tǒng)的障礙物探測定位裝置采用的即為圖1中的相同部件、結(jié)構(gòu)及連接方式，在此不再贅述。

若障礙物為過往車輛，可以選擇性地將攝像機(jī)和Pcduino微型計算機(jī)固定安裝在天橋上，采集斜下方場景圖像，如圖3所示，為此時圖像獲取單元也即攝像機(jī)獲取的場景圖像，繼而可以由Opencv應(yīng)用層軟件中的FarneBack光流提取模塊估計相鄰兩幅圖像中的光流，如圖4所示，即為由此提取出的光流示意圖，其中，圖5為障礙物與圖像獲取單元的相對距離說明圖?；谠摴饬餍畔?，可以檢測出移動的車輛，并進(jìn)一步估計車輛距離攝像機(jī)的相對距離，距離越近黑色越深。

雖然已經(jīng)詳細(xì)說明了本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，但是應(yīng)當(dāng)理解在不超出由所附的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以進(jìn)行各種改變、替代和變換。而且，本申請的范圍不僅限于說明書所描述的過程、設(shè)備、手段、方法和步驟的具體實(shí)施例。本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員從本發(fā)明的公開內(nèi)容將容易理解，根據(jù)本發(fā)明可以使用執(zhí)行與在此所述的相應(yīng)實(shí)施例基本相同的功能或者獲得與其基本相同的結(jié)果的、現(xiàn)有和將來要被開發(fā)的過程、設(shè)備、手段、方法或者步驟。因此，所附的權(quán)利要求旨在它們的范圍內(nèi)包括這樣的過程、設(shè)備、手段、方法或者步驟。