异质双目视觉无人生物安全移动实验室多级地图构建

异质双目视觉无人生物安全移动实验室多级地图构建
作者 : 查长海
学位授予单位 : 浙江大学
学位名称 : 硕士
导师姓名 : 周建光
学位年度 : 2019
关键词 : 异质双目视觉；多级地图构建；旋转限定迭代最近点；圆轮廓提取畸变校正；无人生物安全移动实验室
摘要 : 近年来,非洲猪瘟疫情的出现、埃博拉病毒的爆发以及炭疽恐怖袭击事件的发生,使得生物安全问题再度引起了全世界的关注。有关生物安全问题的处治中,旨在现场快速检测高致病、致死性微生物的研究为了热点,并出现了满足现场实际需求的生物安全移动实验室。但现有生物安全移动实验室因体积庞大、机动性差、实验人员的安全性无法根本保障等原因,限制了其推广使用。随着智能机器人产业的发展,本文针对基于智能机器人的无人生物安全移动实验室的关键技术进行研究,开展了如下研究工作。(1)无人生物安全移动实验室及双目视觉系统的设计与实现:无人生物安全移动实验室的设计采用机械臂代替人的方案,并规划无人生物安全实验室布局;异质双目视觉系统采用彩色加黑白摄像头模组,同时获得彩色和黑白图像信息;根据机械臂的运动位姿求解双目视觉模块的坐标系变换矩阵,完成双目视觉模块的标定工作。(2)无人生物安全移动实验室多级地图构建:根据无人生物安全移动实验室俯视图像,以包络块代替仪器设备建立用于路径规划的初级地图;在实验目标区域,通过环拍获得连续多幅点云,利用点云配准算法构建用于精准识别仪器设备的二级地图;建立仪器设备可拓展三维模型数据库,通过训练器训练仪器设备训练集,识别检索目标仪器设备。用三维模型数据库中的模型构建用于精准实验的三级地图。(3)基于多级地图的仪器设备精准实验:以定位精度要求最高的移液枪滴液多孔板实验为例,分析实验误差,以畸变校正-圆轮廓提取-特征匹配方法,精准定位多孔板中的圆心位置坐标。本论文主要创新工作如下:1.建立了适配于无人生物安全移动实验室的异质双目视觉系统,并基于该系统构建实现不同任务目标的多级地图。多级地图分为三级,初级地图为包络块地图,异质双目中黑白图像用于采样轮廓,彩色图像用于补充颜色,初级地图应用于路径规划;二级地图为点云地图,异质双目中黑白图像计算深度信息,彩色图像精准识别,二级地图应用于精确定位仪器设备;三级地图为三维模型地图,异质双目中黑白图像用于畸变校正,彩色图像用于特征筛选,三级地图应用于精准实验。多级地图可根据任务不同调用不同地图,实现可变复杂环境下的快速高效。2.提出了一种用于三维图像拼接的旋转限定的迭代最近点点云配准算法RL-ICP(Rotating Limit-Iterative Closest Point)。解决了常用配准算法ICP初始矩阵参数未知,容易陷入局部最优解等问题。RL-ICP通过计算机械臂运动轨迹方程,限定迭代的欧式空间阈值和旋转矩阵权值,k-d树和回溯查找,避免陷入局部最优解,提高了点云的配准速率。3.提出了一种畸变校正(distortion correction)、Hough圆轮廓提取、SURF特征检测联用DC-Hough-SURF的匹配定位方法。用于解决无人生物安全移动实验室实验操作的精准定位问题,如移液枪在多孔板实验中滴液操作。畸变校正用于解决因视角阻挡,摄像头斜角度拍摄图像的校正问题;Hough圆轮廓提取用于提取多孔板图像中的圆轮廓特征;SURF特征检测可以解决摄像头拍摄图像和三维模型数据库中的图像的特征匹配问题。以定位精度要求最高的移液枪滴液多孔板实验为例进行实验验证,该方法完全可以满足精准定位实验精度要求。