探測機器人煤礦井下地圖創(chuàng)建
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3.2柵格定位及坐標變換
通過立體視覺系統(tǒng)的感知，可以獲得現(xiàn)場地形的三維點集合，這些離散的點集合可以用于描述地形環(huán)境的表面輪廓，從而構(gòu)成了目標地形的三維點云描述，其中點的坐標描述了該視差點相對攝像機的位置。對于局部地圖的創(chuàng)建，需要將這些三維點云描述首先由立體相機坐標系轉(zhuǎn)化到機器人坐標系當(dāng)中，并以此作為機器人此次路徑規(guī)劃的局部環(huán)境描述。而后，在進行全局路徑規(guī)劃之前，需要將上述坐標從機器人坐標系轉(zhuǎn)換到世界坐標系，即井下環(huán)境全局地圖坐標系當(dāng)中，這主要通過機器人的定位及姿態(tài)估算信息進行推算，完成坐標變換后，進而可以完成局部地圖與全局地圖的融合。坐標系的定義及轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2.
當(dāng)機器人在未知環(huán)境中進行自主導(dǎo)航時，若沒有外部提供的全局定位信息，一般采用自主導(dǎo)航開始時，機器人的初始位置為世界坐標系的零點。用立體攝像機采集圖像就是將客觀世界的3D場景投影到2D像平面上，這個場景可以用成像變換來描述。成像變換涉及到不同坐標系統(tǒng)之間的變換，立體攝像機進行圖像采集的最終結(jié)果是要得到計算機里的數(shù)字圖像，因此在成像變換時需要用到以下坐標系。以機器人的姿態(tài)確定各坐標軸的方向。如圖2所示，本文采用機器人的前向作為z軸，以處在相同水平面的指向機器人右側(cè)與z軸垂直的方向作為x軸，最后以右手法則確定y軸。
世界坐標系：Xw，Yw，Zw，為基準坐標系，刻度單位為物理單位
圖像坐標系：(u,v)，(x,y)
(u,v)：為以像素為單位的圖像坐標系的坐標，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系
圖2世界坐標系和攝像機坐標系
攝像機坐標系：Xc，Yc，Zc
其原點O位于攝像機的光心，Xc,Yc分別與圖像坐標系的x,y軸平行，Zc為攝像機的光軸，且與圖像平面相互垂直。光軸與圖像平面的交點為圖像坐標系的原點。
機器人坐標系：Xr,Yr,Zr
安裝在機器人上的立體視覺系統(tǒng)與機器人是固連的，根據(jù)以上坐標軸的定義，若以右攝像機的光心為攝像機坐標系的原點，則攝像機坐標系與機器人坐標系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為
Xc=Xr+l;Yc=Yr+h;Zc=Zr(1)
其中，l為右攝像機光心與機器人坐標系原點（一般為機器人質(zhì)心）之間的水平距離，h為右攝像機光心與機器人坐標系原點之間的垂直距離。轉(zhuǎn)換為齊次坐標轉(zhuǎn)換為
（2）當(dāng)需要將三維點的坐標由機器人坐標系轉(zhuǎn)化到世界坐標系中時，如圖3所示，需要機器人自定位功能提供機器人的位置與姿態(tài)信息，假設(shè)機器人的位置在世界坐標系中的三維坐標為（x0,y0,z0）,即機器人坐標系的原點。則機器人坐標系與世界坐標系之間的平移矩陣為T：
（4）若以任務(wù)開始時機器人的位置與朝向定義為全局坐標系的原點，則機器人坐標系中的點P(Xr,Yr,Zr)到全局坐標系中對應(yīng)點P’(Xw,Yw,Zw)的轉(zhuǎn)換如式如下：
具體的實現(xiàn)過程可以由圖3-13所示。其中圖3-13(a)為一對立體視覺圖像中右攝像機獲得的圖像。圖3-13(b)為根據(jù)立體匹配方法獲得視差圖。基于三角法，可以計算得到相對與攝像機坐標系的地形輪廓三維點云描述()CCCCPx,y,z，如圖3-13(c)中所示。其為攝像機前方扇形區(qū)域內(nèi)的地形輪廓。根據(jù)式（3-13）可將()CCCCPx,y,z轉(zhuǎn)化為相對機器人的描述()RRRRPx,y,z。在此基礎(chǔ)上，可以為每個數(shù)據(jù)點確定其所屬的柵格。最后，根據(jù)式（6）計算柵格的高度，得到位于機器人前方扇形區(qū)域內(nèi)的環(huán)境2.5D柵格地圖描述。環(huán)境的全局2.5D柵格地圖由機器人在各個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
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