1煤礦井下的地形特征及其對(duì)井下地圖的需求

　　礦井是一種人工開(kāi)采的地下建筑結(jié)構(gòu)，以網(wǎng)狀狹長(zhǎng)巷道為體，主要包括主副井、通風(fēng)井、大巷、皮帶運(yùn)輸巷、采煤工作面等具有不同結(jié)構(gòu)、路面和環(huán)境特征的結(jié)構(gòu)單元。

　　井下探測(cè)機(jī)器人主要是對(duì)井下的各種巷道進(jìn)行探測(cè)與環(huán)境參數(shù)采集，這些巷道首先是具有不同的路面特征，呈現(xiàn)出路面情況的復(fù)雜性和多樣性，如水泥路面等結(jié)構(gòu)化平整路面，起伏不平但表面堅(jiān)硬的土質(zhì)路面，沙地，階梯，鐵軌，泥濘路面以及因開(kāi)采施工等因素對(duì)方的雜物組成的更加復(fù)雜的地形條件等等。因此，用于井下機(jī)器人導(dǎo)航的環(huán)境地圖，首先需要能夠較為準(zhǔn)確的表達(dá)出這些地形情況的起伏度、坡度等基本信息，從而使機(jī)器人可以在這種非平整路面環(huán)境下通過(guò)可通過(guò)性分析等手段完成基本的路徑規(guī)劃任務(wù)。

　　其次，由于井下各種巷道的結(jié)構(gòu)條件以及巷道內(nèi)設(shè)備、物料等堆放物以及自然形成的各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)多種多樣，其現(xiàn)場(chǎng)既存在確定性、結(jié)構(gòu)化的特征，也存在不確定、非結(jié)構(gòu)化的特征。在這些特征當(dāng)中，有些是可以作為導(dǎo)航、定位的特征區(qū)域或特征點(diǎn)來(lái)使用的，如鐵軌、巷道的交叉口、階梯等；有些則是在遠(yuǎn)程操作或自主路徑規(guī)劃中需要躲避的可能對(duì)機(jī)器人本身造成傷害的危險(xiǎn)區(qū)域或危險(xiǎn)環(huán)境，如較深的積水、泥潭等。因此，如何對(duì)可利用的結(jié)構(gòu)化的特征以及可能對(duì)機(jī)器人造成傷害的特征進(jìn)行有效的識(shí)別與定位，并將這些目標(biāo)的分類、危險(xiǎn)程度、穿越或翻越的可能性及代價(jià)等信息在地圖上進(jìn)行表示，也是在井下機(jī)器人地圖創(chuàng)建過(guò)程中的一個(gè)重要的目標(biāo)。在本節(jié)接下來(lái)的內(nèi)容里，將分別分析煤礦井下典型區(qū)域中各種人工或地質(zhì)結(jié)構(gòu)的地形特征及其可能對(duì)井下機(jī)器人導(dǎo)航產(chǎn)生的影響。

　　大巷是地下采礦時(shí)，為采礦提升、運(yùn)輸、通風(fēng)、排水、動(dòng)力供應(yīng)等而掘進(jìn)的通道。一般情況下煤礦大巷內(nèi)結(jié)構(gòu)化的環(huán)境特征比較明顯，路面情況也比較好，多以平坦堅(jiān)硬的路面為主，偶爾有階梯或其他物料堆積物。因而，大巷對(duì)于井下機(jī)器人來(lái)說(shuō)其導(dǎo)航的條件是比較理想的。

　　巷道交叉口，巷道交叉口一般為“Y”型結(jié)構(gòu)，少數(shù)也有“+”型結(jié)構(gòu)，對(duì)于交叉口的識(shí)別是井下導(dǎo)航一個(gè)非常實(shí)用的功能，可以用于局部地圖與先驗(yàn)的井下拓?fù)涞貓D的融合，使局部路徑規(guī)劃與全局路徑規(guī)劃結(jié)合起來(lái)。

　　鐵軌是井下常見(jiàn)的一種結(jié)構(gòu)特征，作為井下機(jī)器人來(lái)說(shuō)，鐵軌既可以被操作員利用作為保持機(jī)器人航向操作的參考；也可以直接被機(jī)器人的感知系統(tǒng)所采集并作為結(jié)構(gòu)化特征為機(jī)器人的定位等任務(wù)提供必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。除此之外，由于在正常情況下，鐵軌因?yàn)榻?jīng)常被維護(hù)從而基本不會(huì)有人為的堆放物或其他障礙物，因此在地形環(huán)境比較復(fù)雜的時(shí)候，在鐵軌中間行走不失為井下探測(cè)機(jī)器人一個(gè)理想的路徑規(guī)劃選擇。

　　階梯常出現(xiàn)在井底大巷或上下山巷道中，對(duì)于階梯結(jié)構(gòu)DEEC_II機(jī)器人有一套相對(duì)自主的攀爬模式，通過(guò)視覺(jué)引導(dǎo)的方法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在階梯上的姿態(tài)保持，這部分內(nèi)容將出現(xiàn)在論文的后續(xù)章節(jié)中。因此，如何準(zhǔn)確的識(shí)別階梯及其走向和坡度等信息，并存儲(chǔ)到井下地圖中，從而使機(jī)器人可以啟動(dòng)階梯攀爬程序?qū)崿F(xiàn)自主攀爬，也是很有意義的。

　　在井下積水是非常普遍的，只是因?yàn)榇蠖鄶?shù)的礦井都會(huì)有地下水的滲入，甚至?xí)捎诖笠?guī)模出水造成透水事故。這些積水區(qū)域有的只是淺淺的是一個(gè)小水坑，有的則很深。雖然DEEC_II機(jī)器人本體是按照IP67進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其本體可以在不超過(guò)1米的水下短時(shí)間工作，但機(jī)器人所攜帶的環(huán)境氣體探測(cè)器等設(shè)備卻由于必須與空氣接觸而需要暴露在外面，這些設(shè)備進(jìn)水將造成其不可修復(fù)性損壞。對(duì)積水深度的判斷是比較復(fù)雜的一件事，這在很大程度上需要借助操作員本人的經(jīng)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)判斷。對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)，較大面積的積水則由于其情況不明作為路徑規(guī)劃中具有潛在威脅的目標(biāo)來(lái)對(duì)待。

　　泥濘的路面環(huán)境在井下也是非常普遍的，履帶式移動(dòng)機(jī)器人對(duì)泥濘道路具有一定的適應(yīng)能力，但對(duì)于大面積過(guò)度飽和的泥濘路面，特別是具有一定深度的泥潭，將會(huì)使機(jī)器人深陷其中，從而無(wú)法繼續(xù)完成探測(cè)任務(wù)。因此，機(jī)器人同樣需要能夠檢測(cè)較為飽和的大面積泥濘路面，并作為一種有危害的特征在井下地圖中進(jìn)行標(biāo)注。

　　綜上所述，無(wú)論是用于對(duì)操作員的遠(yuǎn)程操作進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)地形和環(huán)境信息的支持，還是作為移動(dòng)機(jī)器人井下導(dǎo)航的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用于井下地形環(huán)境的地圖不僅要具有描述井下復(fù)雜的不平整路面的能力，還應(yīng)該能夠進(jìn)一步描述一些典型的景物特征，如鐵軌、階梯、巷道交叉口、大面積泥濘、積水等。

　　2移動(dòng)機(jī)器人常用地圖表達(dá)方式

　　移動(dòng)機(jī)器人環(huán)境空間的表示方法主要包括幾何地圖(GeometricalMap)和拓?fù)涞貓D(TopologicalMap)兩大類。其中，柵格地圖(Grid-basedMap)和特征地圖(LandmarkMap)是比較常見(jiàn)的幾何地圖表達(dá)形式。這些地圖表示方法分別具有其各自的特點(diǎn)，因而被應(yīng)用于不同的場(chǎng)合，或者通過(guò)不同類型地圖的組合實(shí)現(xiàn)其環(huán)境空間更為適當(dāng)?shù)谋磉_(dá)。

　　(l)柵格地圖

　　柵格地圖表示法最早由Moravec和Elfes于1985年提出，其原理是將環(huán)境分解成若干相同大小的柵格，每一單元代表環(huán)境的一部分，并包含一個(gè)表示該單元格被占據(jù)可能性的概率值。相比之下，柵格地圖易于創(chuàng)建、表示和維護(hù)，每個(gè)柵格單元的信息直接與環(huán)境對(duì)應(yīng)用于表示空閑或障礙物信息，因而方便聲納等低成本傳感器實(shí)現(xiàn)這種地圖的創(chuàng)建。借助于柵格地圖，機(jī)器人可以方便地完成自定位、路徑規(guī)劃等。柵格地圖是一種用于近似表達(dá)環(huán)境信息的地圖，它對(duì)特定感知系統(tǒng)的假設(shè)參數(shù)不敏感，因而具有較好的魯棒性。然而在大規(guī)模環(huán)境或環(huán)境復(fù)雜需要詳細(xì)劃分時(shí)，柵格數(shù)量將會(huì)增大，這就導(dǎo)致維護(hù)地圖所需的計(jì)算量增加從而導(dǎo)致地圖處理的實(shí)時(shí)性變差。然而從另一方面考慮，由于傳統(tǒng)的柵格地圖僅僅表達(dá)了相應(yīng)位置的“空閑”(可通過(guò)區(qū)域)或“占據(jù)”(障礙物區(qū)域)，因而更多的應(yīng)用于室內(nèi)或結(jié)構(gòu)化特征明顯的室外平整路面導(dǎo)航中，對(duì)于非平整路面或非結(jié)構(gòu)化特征很強(qiáng)的環(huán)境，傳統(tǒng)的柵格地圖就由于信息量不足而顯得無(wú)能為力了。

　　經(jīng)過(guò)眾多研究人員多年的努力，柵格地圖表示法也在不斷的發(fā)展和改進(jìn)當(dāng)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，逐漸形成了四叉樹(shù)等改進(jìn)的模型結(jié)構(gòu)。Burgard采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，然后映射到地圖中。Angelo提出基于反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的柵格概率計(jì)算方法，從而可以有效的減少傳感器鏡面反射、隨機(jī)性誤差等的影響。Ribo對(duì)Bayesian概率模型、D-S證據(jù)理論、模糊集三種算法更新柵格地圖模型的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了深入的分析。針對(duì)非平整路面機(jī)器人導(dǎo)航問(wèn)題，Moravec，Rankin等提出并應(yīng)用了多種形式的2.5D柵格地圖，進(jìn)而加強(qiáng)了柵格地圖的表達(dá)能力，解決了柵格地圖信息量不足的問(wèn)題。

　　(2)特征地圖

　　特征地圖又稱為幾何特征地圖，它是通過(guò)機(jī)器人從環(huán)境的感知信息中提取更為抽象的幾何特征，這些特征由若干包含環(huán)境位置信息的特征組成，例如線段、角點(diǎn)、目標(biāo)邊緣、規(guī)則曲線、平面等均可作為地圖特征，這些特征通過(guò)特定的表達(dá)形式存儲(chǔ)在地圖中，并且易于被機(jī)器人觀測(cè)到，方便用于位置估計(jì)和目標(biāo)識(shí)別。幾何特征地圖也有著較為廣泛的應(yīng)用，如Ayache通過(guò)視覺(jué)傳感器獲取環(huán)境中的直線段信息作為特征，Ip等人通過(guò)對(duì)原始聲納數(shù)據(jù)的處理獲得線段信息作為特征，Choset等采用ATM模型精確提取環(huán)境中的點(diǎn)特征。多傳感器信息融合是提高特征檢測(cè)能力的重要手段，Castellanos對(duì)激光和攝像機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征級(jí)數(shù)據(jù)融合以提高識(shí)別準(zhǔn)確度。特征地圖缺點(diǎn)是特征的提取需要對(duì)感知信息作額外的處理，需要一定數(shù)量的感知數(shù)據(jù)才能得到結(jié)果，而且特征地圖的更新比柵格地圖復(fù)雜很多。

　　(3)拓?fù)涞貓D

　　拓?fù)涞貓D，首先由Kuipers在1978年提出，是一種緊湊的環(huán)境表示方法，通常以圖(Graph)的結(jié)構(gòu)形式表現(xiàn)一個(gè)環(huán)境的連通性。拓?fù)涞貓D描述法是對(duì)真實(shí)世界的一種近似描述，它并沒(méi)有一個(gè)明顯的尺度概念，而是選用一些特定的地點(diǎn)來(lái)描述環(huán)境空間信息。一般來(lái)說(shuō)拓?fù)涞貓D把環(huán)境表示為帶節(jié)點(diǎn)和相關(guān)連接線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，其中節(jié)點(diǎn)表示環(huán)境中的重要位置，如墻角、門等有一定可檢測(cè)特征的結(jié)構(gòu)，拓?fù)涞貓D的邊表示節(jié)點(diǎn)之間的連接通道，如環(huán)境中的走廊、通道等。相對(duì)而言拓?fù)涞貓D非常便于實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃，適用于基于行為的導(dǎo)航；而更大的優(yōu)勢(shì)在于，拓?fù)涞貓D可以直接使用諸多成熟高效的圖形搜索和推理算法;這種地圖以描述環(huán)境的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為主要目標(biāo)，因而對(duì)環(huán)境沒(méi)有精確的位置要求；并且對(duì)存儲(chǔ)空間和計(jì)算資源要求相對(duì)較低，因此，基于拓?fù)涞貓D的計(jì)算效率較高。盡管拓?fù)涞貓D在很多方面具有優(yōu)勢(shì)，但它要求機(jī)器人可以準(zhǔn)確地觀測(cè)到拓?fù)涔?jié)點(diǎn)，對(duì)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)的定義是拓?fù)涞貓D創(chuàng)建的難點(diǎn)，在很多情況下往往會(huì)造成節(jié)點(diǎn)定義的失敗；特別是在相似性較強(qiáng)的環(huán)境中，很容易使系統(tǒng)陷入節(jié)點(diǎn)混淆的狀態(tài)。因此，拓?fù)涞貓D對(duì)于結(jié)構(gòu)化的環(huán)境，特別是對(duì)于不是很復(fù)雜的大尺寸結(jié)構(gòu)化環(huán)境，是一種高效的表示方法。然而，對(duì)于非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，節(jié)點(diǎn)的識(shí)別將變得非常復(fù)雜從而使地圖創(chuàng)建的難度增大。拓?fù)涞貓D的節(jié)點(diǎn)定義一般采用三種方式:第一種是人為預(yù)定節(jié)點(diǎn)標(biāo)志的方式，第二種是特定位置法，即根據(jù)特定位置的環(huán)境信息定義節(jié)點(diǎn)。Kuipers采用爬山法尋找局部唯一特征點(diǎn)，利用外部傳感器感知的信息定義節(jié)點(diǎn)，第三種是傳感器的觀測(cè)數(shù)據(jù)的相似性特征進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定義，Nehmzow直接根據(jù)柵格直方圖信息進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定義。

　　井下環(huán)境是一個(gè)大尺度的空間環(huán)境，并且具有一定的先驗(yàn)知識(shí)，這些先驗(yàn)知識(shí)可以較為容易的轉(zhuǎn)換為以巷道口、巷道交叉點(diǎn)、井下重要設(shè)備或場(chǎng)所為節(jié)點(diǎn)的拓?fù)涞貓D。以這個(gè)地圖作為全局路徑規(guī)劃的拓?fù)涞貓D，可以初步規(guī)劃出機(jī)器人在井下當(dāng)前位置通往目的點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)的全局路徑信息。但由于這些地圖僅僅提供了井下理想情況下的連通性信息，而實(shí)際的井下環(huán)境復(fù)雜多變，即使是很短的一段巷道的通行都需要一個(gè)包含有更加詳細(xì)信息的局部地圖進(jìn)行路徑規(guī)劃。對(duì)這樣復(fù)雜的地形環(huán)境，本文提出一種能夠存儲(chǔ)和表達(dá)更加詳細(xì)信息的2.5D柵格地圖，用于表示地形及附著在地形以上的各種物體，從而為移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃提供更加充分的地圖信息。

　　3基于雙目視覺(jué)的井下2.5維柵格地圖創(chuàng)建

　　3.1一種2.5D柵格地圖

　　面對(duì)復(fù)雜的井下環(huán)境，探測(cè)機(jī)器人要想成功的實(shí)現(xiàn)井下探測(cè)中的路徑規(guī)劃與導(dǎo)航，不僅需要對(duì)地形環(huán)境的可靠感知，更需要對(duì)各種地形環(huán)境的準(zhǔn)確而全面的表達(dá)。在井下探測(cè)過(guò)程中，一個(gè)可靠的地形表達(dá)形式對(duì)于探測(cè)機(jī)器人能夠規(guī)劃出一條安全的路徑，并最終順利到達(dá)預(yù)設(shè)的目標(biāo)點(diǎn)起著至關(guān)重要的作用。一般來(lái)說(shuō)，地形環(huán)境的表達(dá)主要依靠安裝于移動(dòng)機(jī)器人本體上的具有測(cè)距功能的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如激光掃描儀、毫米波雷達(dá)等設(shè)備，但這些設(shè)備或者體積較大或者價(jià)格昂貴；影像傳感器也是一種重要的感知器件，如可見(jiàn)光攝像機(jī)、多光譜攝像機(jī)、熱成像儀、偏振光相機(jī)等等，這些傳感器本身或它們的組合也可以較為方便的實(shí)現(xiàn)地形信息的獲取。

　　經(jīng)歷了近20年的發(fā)展，各種各樣的直角坐標(biāo)系柵格地圖被應(yīng)用在移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的研究當(dāng)中，到底采用2D,2.5D還是3D柵格地圖，取決于地形環(huán)境的復(fù)雜情況以及移動(dòng)機(jī)器人所需的運(yùn)算和動(dòng)作速度。如前所述，2D柵格地圖是一種典型的占有格形式，它主要存儲(chǔ)每個(gè)柵格區(qū)域的不可通過(guò)、可通過(guò)以及未知這幾種狀態(tài)，即當(dāng)一個(gè)障礙物被探測(cè)到位于其中一個(gè)占有格當(dāng)中的時(shí)候，該占有格則被設(shè)置為不可通過(guò)狀態(tài)。2D柵格地圖主要應(yīng)用于障礙物相對(duì)簡(jiǎn)單而分散，且地形環(huán)境不太復(fù)雜的情況下，因而多用于室內(nèi)或其他平坦地面環(huán)境下。對(duì)于更加復(fù)雜的環(huán)境，則需要更高維的柵格地圖來(lái)表達(dá)。2.5D柵格地圖的基本形式是一種數(shù)字高程地圖形式，它將相應(yīng)柵格的高程信息存儲(chǔ)在所表達(dá)的柵格數(shù)據(jù)當(dāng)中。對(duì)于工作在野外等非平整路面的移動(dòng)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，更加常用的2.5D柵格地圖是一種存儲(chǔ)有高程信息以及地形特征等信息的地形地圖。當(dāng)然，3D柵格地圖也是一種可選擇的方式，3D柵格地圖可以用來(lái)描述立體的空間信息，其主要應(yīng)用于空間、水下等機(jī)器人的三維路徑規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)。但相比較而言，對(duì)于地面移動(dòng)機(jī)器人來(lái)說(shuō)2.5D地圖在存儲(chǔ)效率和計(jì)算復(fù)雜度方面的優(yōu)勢(shì)都是比較明顯的。

　　本文提出一種方便井下機(jī)器人導(dǎo)航的2.5D柵格地圖結(jié)構(gòu)，該地圖是由一系列局部地圖與含有井下地形環(huán)境先驗(yàn)信息的全局地圖融合后形成，其中每一個(gè)局部地圖是立體視覺(jué)相機(jī)的一次采集的信息處理后形成的數(shù)據(jù)，有些研究人員把它稱作單幀地圖(SingleFrameMap)，這些地圖根據(jù)其位置和姿態(tài)被匹配到全局地圖當(dāng)中。每個(gè)地圖柵格由高度、地形分類、起伏度、可通過(guò)性代價(jià)以及可信度等元素組成?？紤]到機(jī)器人的外形尺寸、越障能力等因素，該地圖的水平柵格尺寸定為10cm，而高度分辨率根據(jù)立體視覺(jué)精度的平均值，定位2cm。由于機(jī)器人跨越陡直障礙物的能力為30cm，因此2cm的分辨率足以滿足障礙物翻越算法的要求。根據(jù)前述機(jī)器人基于視覺(jué)的定位于姿態(tài)估算算法，機(jī)器人的姿態(tài)在每次立體視覺(jué)采集后都需要重新計(jì)算一次，因此每個(gè)單幀地圖都需要根據(jù)機(jī)器人本身位姿的數(shù)據(jù)計(jì)算出地圖與全局地圖之間的位置和方向關(guān)系，從而保證其在全局地圖中位姿的正確性，這也是保證實(shí)現(xiàn)地圖融合的前提條件。

　　該結(jié)構(gòu)的每個(gè)地圖單元由4個(gè)字節(jié)組成，第1位到第9位用于柵格高度的存儲(chǔ)，其中第1位是符號(hào)位，后8位表示與機(jī)器人觀測(cè)點(diǎn)平面的絕對(duì)高度差；第9-11位用于表達(dá)該單元格的起伏度信息，用于描述該單元格內(nèi)部及其與相鄰單元格之間高度變化的平均幅度；第12-14位表達(dá)地形分類，表征該單元格屬于哪種特定的地形特征，如可通過(guò)地形、階梯、鐵軌、泥濘、積水、未知等等；15-16位表示可通過(guò)性代價(jià)，是通過(guò)起伏度、地形特征等數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)的可直接應(yīng)用于井下機(jī)器人路徑規(guī)劃及遠(yuǎn)程操作參考的數(shù)據(jù)，如圖1所示。

　　圖1地圖單元組成

　　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：

（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

　　3.3井下地形特征感知與描述

　　綜合查閱了關(guān)于非平整路面立體視覺(jué)重建的相關(guān)文獻(xiàn)，多名研究人員提到關(guān)于立體視覺(jué)匹配的不確定性對(duì)高程地圖創(chuàng)建的影響，這些不確定性主要來(lái)自標(biāo)定誤差，匹配誤差與量化誤差，以及柵格地圖造成的信息損失帶來(lái)的誤差。特別的，在匹配誤差和標(biāo)定誤差未知的情況下，重建誤差與場(chǎng)景離攝像機(jī)的距離有很大關(guān)系，文獻(xiàn)【161．Miura，J．，YNegishi，andYShirai．MobileRobotMapGenerationbyIntegratingOmni-directionalStereoandLaserRangeFinder．in1ROS,PP．250—255，2002．】指出，重建的高程誤差隨著離傳感器系統(tǒng)的距離成遞增趨勢(shì)。

　　經(jīng)過(guò)研究與分析，劉提出盡管運(yùn)動(dòng)在非平整路面的移動(dòng)機(jī)器人會(huì)由于顛簸會(huì)引起觀測(cè)當(dāng)中的絕對(duì)高程不一致，但在一定范圍內(nèi)的相對(duì)高程保持不變，且相對(duì)不確定度更小。重建后地形具有的這種性質(zhì)稱為地形的相對(duì)不變形，而基于高程地形某鄰域內(nèi)相對(duì)高程提取的環(huán)境特征稱為地形的相對(duì)不變特征。也就是說(shuō)，這類地形特征不隨著車體顛簸而改變。雖然在車體顛簸過(guò)程中，感知到的同一地形的絕對(duì)高程時(shí)時(shí)在變，但一定范圍內(nèi)的相對(duì)高程落差保持不變，地形具有這種相對(duì)不變性對(duì)于穩(wěn)定地確定不可通行區(qū)域具有重要意義。

　　3.3.1地形起伏度的檢測(cè)

　　地形的起伏度是反映指定區(qū)域內(nèi)某點(diǎn)鄰域內(nèi)的高程偏離該鄰域平均高程的幅度，起伏度的計(jì)算可以通過(guò)計(jì)算該鄰域內(nèi)方差的值來(lái)描述。以(xi,yi)為中心，△d為半徑的鄰域Φi,j內(nèi)，高程方差可以由下列公式表達(dá)：

　　首先計(jì)算指定點(diǎn)鄰域內(nèi)的高程均值，即：

　　3.3.2提取地形坡度

　　同一地形的起伏度具有相地面上某點(diǎn)的坡度表示地表面在該點(diǎn)傾斜程度的一個(gè)量，既有大小又有方向，是矢量。坡度矢量從數(shù)學(xué)上講，其模等于地表曲面函數(shù)在該點(diǎn)的切平面與水平面夾角的正切，其方向等于在該切平面上沿最大傾斜方向的某一矢量在水平面上的投影方向，即坡向。可證明：任一斜面的坡度等于它在該斜面上兩個(gè)互相垂直方向上的坡度分量的矢量和。在高程圖上，坡度反映了地形高程值在某個(gè)方向的變化率。GIS中，坡度的計(jì)算方法可歸納為五種：四塊法、空間矢量分析法、擬合平面法、擬合曲面法、直接解法。一般認(rèn)為，擬合曲面法是求解坡度較好的方法。位置(i,j)處的坡度數(shù)值計(jì)算方法采用曲面擬合的數(shù)值解法，一般采用二次曲面。

　　3.4井下重要地形目標(biāo)分類與描述

　　3.4.1階梯的識(shí)別

　　在井下的各種環(huán)境中也存在著階梯形式的地形——臺(tái)階，階梯地形的檢測(cè)也是非常重要的，在井下的通道內(nèi)，自主導(dǎo)航機(jī)器人如果遇到階梯地形時(shí)，由于階梯數(shù)太多而將其識(shí)別為不可翻越的障礙時(shí)，可能會(huì)錯(cuò)失一個(gè)較好的路徑，嚴(yán)重時(shí)（當(dāng)只能通過(guò)臺(tái)階繼續(xù)前進(jìn)時(shí)）會(huì)導(dǎo)致任務(wù)失敗，機(jī)器人停滯不前。

　　類似臺(tái)階的這類地形最為顯著的特征是具有一組相互平行的直線邊緣，因此最為直接的檢測(cè)方法就是邊緣檢測(cè)（提取出圖像中的直線特征）。由于井下環(huán)境與地面環(huán)境的不同，對(duì)臺(tái)階等類似地形的檢測(cè)也采用多傳感器融合的技術(shù)（立體視覺(jué)傳感器和熱外成像儀傳感器）。

　　由于視覺(jué)傳感器精度和范圍的限制，在機(jī)器人探索過(guò)程中，直接對(duì)遠(yuǎn)距離景物進(jìn)行直線特征的提取精確度不高，對(duì)臺(tái)階等檢測(cè)效果不明顯，但是可以預(yù)先進(jìn)行對(duì)景物的紋理檢測(cè)。本文采用了Gabor濾波器作為檢測(cè)算法來(lái)檢測(cè)圖像中是否存在臺(tái)階等類似景物的疑似物，并確定其在圖像中的位置。

　　Gabor濾波器的設(shè)計(jì)需要確定其頻率參數(shù)和方向角。由于階梯型景物是一種具有平行直線的特殊地形和Gabor濾波器的自身性質(zhì)可知，在存在階梯地形的區(qū)域，垂直方向上（90°）Gabor濾波器的產(chǎn)生的響應(yīng)最強(qiáng)，相反在水平方向上（0°）濾波器的產(chǎn)生的響應(yīng)最弱。根據(jù)這一特性，選用一系列不同的頻率對(duì)圖像（來(lái)自立體視覺(jué)的數(shù)據(jù)圖像）在水平和垂直方向?yàn)V波，得到Gabor濾波器的最佳頻率參數(shù)（使在水平方向上響應(yīng)最弱，在垂直方向上響應(yīng)最強(qiáng)），如圖4所示。

　　圖4（在8~36Hz不同頻率的響應(yīng)，步長(zhǎng)為4）

　　以確定頻率參數(shù)的Gabor濾波器就可以對(duì)遠(yuǎn)距離景物實(shí)施紋理檢測(cè)。但是由于在井下環(huán)境中，可能存在于階梯類似的紋理（例如，采礦時(shí)留下的規(guī)則痕跡等），會(huì)對(duì)階梯的檢測(cè)產(chǎn)生干擾。

　　當(dāng)機(jī)器人距離紋理檢測(cè)到的疑似階梯景物較近時(shí)，可以對(duì)其實(shí)施邊緣檢測(cè)，進(jìn)一步確定是否是階梯。由于井下惡劣的環(huán)境，機(jī)器人照明系統(tǒng)等因素，往往得到的邊緣是模糊的，間斷的，有一簇彼此相互連接的點(diǎn)集組成。本文采用了Canny邊緣檢測(cè)方法，如圖5所示。其有三大優(yōu)點(diǎn)：對(duì)弱邊緣也有較強(qiáng)的響應(yīng)，能夠保證良好的定位和確保每個(gè)邊緣只檢測(cè)一次?；谝陨蠝?zhǔn)則的canny邊緣檢測(cè)算法如下：

　　1)圖像使用帶有指定標(biāo)準(zhǔn)差σ的高斯濾波器平滑，以減少噪聲；

　　4)最后，將連接的弱邊緣像素集成到強(qiáng)像素，實(shí)現(xiàn)邊緣連接。

　　在Canny算法的實(shí)現(xiàn)上同樣面對(duì)參數(shù)選擇的問(wèn)題，這里要指定低閾值Tl、

　　高閾值T2以及高斯濾波器的標(biāo)準(zhǔn)差σ。其中，σ是一個(gè)尺度參數(shù)，指出在多大的距離內(nèi)兩條平行邊緣將重合成一條邊緣。

　?。╝）原始圖像（b）Canny邊緣檢測(cè)

　　圖5Canny邊緣檢測(cè)

　　在邊緣檢測(cè)的基礎(chǔ)上采用Hough變換，實(shí)施邊緣的提取，對(duì)邊緣連接。通過(guò)Canny邊緣檢測(cè)和Hough變換邊緣提取，進(jìn)一步提高了對(duì)階梯的檢測(cè)精度。如圖6所示。

　　　　圖6Canny邊緣檢測(cè)和Hough變換邊緣提取

　　在井下環(huán)境中，紅外熱像儀在各種地形的檢測(cè)中發(fā)揮著不可或缺的作用。當(dāng)井下環(huán)境中光照亮度不夠時(shí)或者視覺(jué)傳感器不能判別時(shí)，可以用紅外熱像儀傳感器采集到的圖像數(shù)據(jù)與視覺(jué)傳感器相融合，加強(qiáng)對(duì)地形的檢測(cè)。

　　圖7紅外熱像儀采集到的井下環(huán)境圖像

　　圖7為在井下環(huán)境中紅外熱像儀采集到的圖像。對(duì)此圖像采用紋理檢測(cè)和邊緣檢測(cè)，與視覺(jué)傳感器采集到的數(shù)據(jù)相互融合，增強(qiáng)了對(duì)井下階梯的檢測(cè)能力，為機(jī)器人尋找規(guī)劃最優(yōu)路徑提供了前提。

　　3.4.2較大面積水面識(shí)別

　　在越野地形下，對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航來(lái)說(shuō)，對(duì)積水的探測(cè)是一個(gè)重要的挑戰(zhàn)。對(duì)于水密性不好的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，穿越較深的水域會(huì)對(duì)機(jī)器人本體造成嚴(yán)重的后果，雖然DEEC_II機(jī)器人本體是基于IP67標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，但由于機(jī)器人攜帶有如氣體傳感器等需要與空氣密切接觸的設(shè)備，因此過(guò)深的積水仍然會(huì)對(duì)機(jī)器人的功能造成無(wú)法挽回的損壞。

　　近年來(lái)，應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的水體檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)有了一定的研究基礎(chǔ)和初步的發(fā)展。在2003年，Matthiesetal.通過(guò)記錄與分析能夠影響水體屬性的環(huán)境變量，采用多種傳感器研究了在各種不同環(huán)境條件下的水體檢測(cè)[[i]]。Iqbaletal.最近也在使用傳感器和相關(guān)的算法進(jìn)行探測(cè)水體的研究工作[[ii]]。多種不同的傳感器，包括被動(dòng)式傳感器（視覺(jué)，短波紅外，熱紅外，偏振，遙感）[[iii]]和主動(dòng)式傳感器（激光）在水體的檢測(cè)的研究中獲得了較為廣泛的應(yīng)用。

　　能夠表現(xiàn)水體存在的特征有好多，例如水體的顏色，水體的紋理，水體的起伏和水體的紅外輻射能等等。根據(jù)單一的特征去檢測(cè)僅僅對(duì)某一特定的水體有效。例如，時(shí)空變化分析對(duì)從固定的平臺(tái)去檢測(cè)流動(dòng)的水體是有效果的，但是靜止的水體效果不理想[[iv]]。也可以通過(guò)可見(jiàn)光相機(jī)采集的多種水體特征，通過(guò)信息融合的方法來(lái)檢測(cè)水體[[v]]，A.Rankin利用水體對(duì)天空或其他景物的反射等多種特征的融合用于于日間水體的檢測(cè)。Xie利用水體反射的偏振特性提出一種進(jìn)行水體特征檢測(cè)的算法[[vi]]。上述研究人員所提取的水體特征，如天空反射、景物反射以及偏振特性等，多數(shù)是在日間條件下進(jìn)行的，對(duì)于夜間水體檢測(cè)的研究目前未見(jiàn)有比較完善的方法，而Rankin提到，他們進(jìn)一步將要主要解決的問(wèn)題也是夜間水體檢測(cè)的問(wèn)題。

　　煤礦井下環(huán)境常年不見(jiàn)日光，在災(zāi)后絕大多數(shù)情況下井下都是處于斷電狀態(tài)，是不可能有外界照明的。因此，井下機(jī)器人對(duì)于水體的檢測(cè)只能依靠其自身照明系統(tǒng)或夜視系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，水體對(duì)于來(lái)自機(jī)器人照明系統(tǒng)燈光的反射由于入射角度的原因與自然光或外部燈光照射下的情況有很大的不同。這里我們熱成像儀和視覺(jué)傳感器相結(jié)合的方式檢測(cè)井下水體。通過(guò)不同傳感器對(duì)水體特征的檢測(cè)確定疑似水體目標(biāo)，接下來(lái)通過(guò)對(duì)這些特征數(shù)據(jù)的信息融合，篩選排除可能性較小的疑似水體目標(biāo)，最終獲得真實(shí)水體的位置和大小為機(jī)器人的自主導(dǎo)航規(guī)劃路徑提供可靠信息。

　　采用熱成像儀對(duì)水體進(jìn)行檢測(cè)

　　熱成像儀是一種用于檢測(cè)遠(yuǎn)紅外熱輻射的傳感器，我們采用的FLIRPHOTON320熱像儀其檢測(cè)波長(zhǎng)范圍為2-14μm。通過(guò)熱像儀可以有效地探測(cè)井下物體的紅外輻射信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為可以能夠進(jìn)行信息處理的圖像信號(hào)。

　　紅外成像技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)，即把紅外輻射分布轉(zhuǎn)換為可視圖像的技術(shù)。它將來(lái)自景物自身各部分紅外輻射的差異轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)圖像的細(xì)節(jié)，最終形成一幅紅外熱圖。與場(chǎng)景的可見(jiàn)光圖像不同，場(chǎng)景的紅外輻射并不能由人眼直接觀測(cè)，而需要借助紅外探測(cè)器將紅外輻射轉(zhuǎn)換為某種可被顯示設(shè)備顯示的信號(hào)(如電壓、電流等)。紅外成像技術(shù)的實(shí)現(xiàn)設(shè)備被稱為紅外成像系統(tǒng)(熱像儀是其中典型的一種)，主要由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)處理器和顯示設(shè)備等部件組成。

　　在井下環(huán)境中，礦石、軌道、支柱、機(jī)械、水體等等目標(biāo)，由于在物質(zhì)的內(nèi)部，電子、原子、分子都在不斷的運(yùn)動(dòng)著，在有外界的刺激或干擾的情況下，電子、原子、分子會(huì)改變運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，就會(huì)發(fā)生能量的釋放——熱輻射。在絕對(duì)零度(-273℃)以上的物體都不同程度的輻射紅外能量。每種物質(zhì)有其自己獨(dú)特的能量特征信息，因而不同物質(zhì)對(duì)應(yīng)的輻射能是不一樣的。利用這一區(qū)別，就可以檢測(cè)出井下環(huán)境中存在的水域，如圖8所示。

　　需要說(shuō)明如何進(jìn)行檢測(cè)，例如水的熱熔比比較高，以及蒸發(fā)等現(xiàn)象的存在，導(dǎo)致水體溫度往往地域周圍的溫度，這是檢測(cè)水體存在的一個(gè)重要特征。

　　圖8采用熱像儀檢測(cè)到水體圖像（灰度較深部分為水面）

　　視覺(jué)傳感器檢測(cè)水面

　　在自然環(huán)境中，水面一般是具有較高亮度(自然光或較高入射角的燈光環(huán)境)，弱紋理（基本無(wú)波紋和倒影）的區(qū)域。這一點(diǎn)在井下略有不同，機(jī)器人本體上攜帶的燈光相對(duì)來(lái)說(shuō)入射角度低，亮度較強(qiáng)，由于水面的起伏度和粗糙度相對(duì)于水面周圍環(huán)境來(lái)說(shuō)要小得多。因此，對(duì)于較低入射角來(lái)說(shuō)，水面會(huì)由于鏡面反射的原因，其表面成像區(qū)域的亮度相對(duì)較低；而水面周五的土壤、石塊、路面等由于存在漫反射的原因，其平均亮度相對(duì)較高。另外，一般情況下，相對(duì)于水面附近的地面，機(jī)械，墻壁等其起伏程度、高程都較低，在非結(jié)構(gòu)化路面條件下其高程差多數(shù)比較明顯。因此，利用立體視覺(jué)技術(shù)，將探測(cè)區(qū)域的亮度、紋理、起伏度和高程等多特征并進(jìn)行合理的融合，可以獲得較為準(zhǔn)確的井下水面檢測(cè)結(jié)果。

　　井下水面亮度特征的提取：

　　是否考慮使用K均值聚類的方法，這個(gè)需要衡量一下，另外，使用K均值聚類可以將多個(gè)因素，如亮度、紋理、高程等因素同時(shí)考慮實(shí)現(xiàn)分類。

　　聚類（Cluster）分析是由若干模式（Pattern）組成的，通常，模式是一個(gè)度量（Measurement）的向量，或者是多維空間中的一個(gè)點(diǎn)。聚類分析以相似性為基礎(chǔ)，在一個(gè)聚類中的模式之間比不在同一聚類中的模式之間具有更多的相似性。

　　由于井下環(huán)境相對(duì)于野外環(huán)境較為固定，為了更加準(zhǔn)確的提取井下水面的亮度特征，采用了自適應(yīng)的二值分割法。

　　首先，通過(guò)立體視覺(jué)傳感器采集到井下一般環(huán)境的（含水面）的多幅彩色圖像組成一個(gè)井下環(huán)境的圖庫(kù)。將采集到的彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像，并用人工的方式將水面與其他周圍的景物分割開(kāi)。從圖庫(kù)中統(tǒng)計(jì)出井下水面和周圍環(huán)境圖像的灰度值的范圍，確定這兩類環(huán)境的灰度值的中心值的范圍——經(jīng)驗(yàn)閾值。經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)，調(diào)整確定經(jīng)驗(yàn)閾值，這樣在根據(jù)亮度檢測(cè)水體時(shí)，能夠格更加精確地分類。經(jīng)過(guò)大量的井下實(shí)驗(yàn)，水面灰度大致是180左右，周圍景物(非水面)的灰度大致是40左右。統(tǒng)計(jì)得到了水面和非水面的中心值后，把經(jīng)驗(yàn)閾值設(shè)為水面和非水面的中心值，然后就可以進(jìn)行對(duì)井下環(huán)境聚類了。把要檢測(cè)的灰度圖中每一個(gè)像素點(diǎn)和中心值比較，根據(jù)最近鄰法把每個(gè)像素點(diǎn)都聚類，聚類完成后就得到了兩類；然后按照聚類的結(jié)果算出新的兩個(gè)類的中心點(diǎn)，重新進(jìn)行聚類；這樣就可以不停的把要檢測(cè)的圖片中像素聚類，不斷更新得到兩類的中心點(diǎn)，可以預(yù)見(jiàn)中心點(diǎn)的變化將趨于穩(wěn)定。當(dāng)?shù)玫降膬蓚€(gè)中心點(diǎn)前次和后次相當(dāng)接近的時(shí)候，就停止運(yùn)算(比如說(shuō)前后兩次運(yùn)算結(jié)果得到的中心點(diǎn)的值的比值大于0.999)。通過(guò)以上運(yùn)算，就可以按照亮度把待檢測(cè)圖分割為兩個(gè)類——水面和其周圍環(huán)境。

　　基于亮度特征的井下水面檢測(cè)存在著其固有的問(wèn)題，可能將其他高亮的物體（例如，光滑的單色物體，表面整齊的礦石等等）誤判為水體。

　　井下水面紋理特征的提?。?/p>

　　紋理，是對(duì)圖像的象素灰度級(jí)在空間上的分布模式的描述，反映物品的質(zhì)地，如粗糙度、光滑性、顆粒度、隨機(jī)性和規(guī)范性等。對(duì)紋理簡(jiǎn)單的理解可以是物體表面的平滑程度，一般來(lái)說(shuō)，水面相對(duì)于周圍的環(huán)境，應(yīng)該是比較光滑的弱紋理區(qū)域，所以通過(guò)尋找一幅圖片中的弱紋理區(qū)域可以提取出要檢測(cè)的水面。

　　描述一塊圖像區(qū)域的紋理有三種主要的方法，統(tǒng)計(jì)分析方法、結(jié)構(gòu)分析方法和頻譜分析方法。統(tǒng)計(jì)方法有自相關(guān)函數(shù)、紋理邊緣、結(jié)構(gòu)元素、灰度的空間共生概率(spatialgay-tonecooccurrenceprobabilities)、灰度行程和自回歸模型。統(tǒng)計(jì)方法將紋理描述為光滑、粗糙、粒狀等等。結(jié)構(gòu)方法研究基元及其空間關(guān)系，基元一般定義為具有某種屬性而彼此相連的單元的集合，屬性包括灰度、連通區(qū)域的形狀、局部一致性等。空間關(guān)系包括基元的相鄰性、在一定角度范圍內(nèi)的最近距離等等。根據(jù)基元間的空間聯(lián)系，紋理可以分為弱紋理或強(qiáng)紋理，進(jìn)一步細(xì)分，可以根據(jù)基元的空間共生頻率來(lái)劃分，也可以根據(jù)單位面積內(nèi)的邊緣數(shù)來(lái)區(qū)別，基元也可以定義為灰度行程。頻譜方法是根據(jù)傅立葉頻譜，根據(jù)峰值所占的能量比例將圖像分類。包括計(jì)算峰值處的面積、峰值處的相位、峰值與原點(diǎn)的距離平方、兩個(gè)峰值間的相角差等手段。

　　描述一幅水面圖片紋理的方法如下:算法開(kāi)始時(shí)先設(shè)置大小為N×N的滑動(dòng)窗口，按照從左向右，從上到下的順序滑動(dòng)。每次滑動(dòng)一個(gè)像素的距離，并計(jì)算窗口內(nèi)的象素灰度的相似度(公式如下)；

　　Ti為窗口內(nèi)像素灰度的相似度，可以認(rèn)為這是對(duì)紋理的描述，窗口內(nèi)灰度變化越大，則相似度越小，那么紋理就越強(qiáng)，反之紋理越弱，Xi為每個(gè)窗口內(nèi)的各個(gè)像素灰度值，而X為窗口內(nèi)像素灰度和的均值，N為窗口大小。在我們的實(shí)驗(yàn)中，窗口的大小是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的，窗口不能太小，太小了反映不出具體的紋理特征，太大了會(huì)造成劃分太粗，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為設(shè)置窗口大小N=9（沒(méi)有做過(guò)試驗(yàn)，需要驗(yàn)證）效果是最好的。通過(guò)以上計(jì)算，就得到一幅圖片中除去邊緣像素的每一個(gè)像素的紋理描述，進(jìn)而得到一張圖片的紋理描述圖。提取水面紋理特征通過(guò)將水圖庫(kù)中的所有圖片進(jìn)行處理，得到一個(gè)水面紋理庫(kù)，對(duì)這些水面和非水面的紋理統(tǒng)計(jì)，最終確定水面紋理值的范圍一般在5左右（有待試驗(yàn)），而周圍紋理較強(qiáng)的景物的紋理相似度則一般在7以上，有相對(duì)明顯的區(qū)分度，我們可以利用這個(gè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)合理的設(shè)置初始值。通過(guò)聚類的方法能很容易就找到一幅圖片中的弱紋理區(qū)域，這就是要找的水面。

　　井下水面的高程相對(duì)周圍環(huán)境較小，可以明顯的將水面和周圍環(huán)境分類。

　　為了更為精確地檢測(cè)到井下水體，本文采用了多傳感器圖像融合技術(shù)，將不同傳感器（熱像儀，立體視覺(jué)）獲得同一景物不同特征的圖像相融合，克服了單一傳感器獲取的圖像在幾何、光譜、分辨率等方面存在的局限性和差異性，提高了檢測(cè)井下環(huán)境中水體的精度。

　　3.4.3泥濘區(qū)域的檢測(cè)

　　在自主導(dǎo)航的機(jī)器人活動(dòng)的范圍內(nèi)有各種各樣的地形（例如，平整的路面，雜物，泥濘的路面，水體等等），泥濘的路面檢測(cè)在機(jī)器人自主導(dǎo)航中是一個(gè)相對(duì)較新的領(lǐng)域，檢測(cè)算法還不夠成熟。但是在農(nóng)業(yè)中，依靠估計(jì)土壤的水分含量（SMC）去檢測(cè)的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展幾十年了。土壤水分含量已經(jīng)可以通過(guò)直接與土壤接觸的設(shè)備或者遙感傳感器測(cè)量。[[vii]][[viii]]測(cè)量SMC的遙感傳感器設(shè)備可以安裝在衛(wèi)星上，可以安裝在無(wú)人機(jī)上，也可以安裝在車輛上。但是安裝在衛(wèi)星和無(wú)人機(jī)上不適合移動(dòng)機(jī)器人，因?yàn)閺母呖罩羞b感的土壤水分含量信息精度對(duì)地面自主導(dǎo)航機(jī)器人來(lái)說(shuō)不夠高；而直接安裝在移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)上時(shí)傳感器天線會(huì)很大，而且直接指向地面，這就要求移動(dòng)機(jī)器人要已經(jīng)活動(dòng)在泥濘的區(qū)域才能檢測(cè)到，給機(jī)器人帶來(lái)潛在的危險(xiǎn)。

　　泥濘路面的檢測(cè)對(duì)在井下工作的自主導(dǎo)航機(jī)器人也是一個(gè)具有十分重要挑戰(zhàn)。井下移動(dòng)機(jī)器人如果在執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候陷入泥濘的區(qū)域，不但需要執(zhí)行的任務(wù)不能順利的完成而且需要去對(duì)其救援。由于井下環(huán)境有其自身的特點(diǎn)：沒(méi)有陽(yáng)光，沒(méi)有植物，沒(méi)有天氣因素的影響(溫度變化不明顯，無(wú)風(fēng)，無(wú)冰雪等)，地質(zhì)構(gòu)成與地表不同等等，采用通常的檢測(cè)方法不能滿足井下泥濘地形的檢測(cè)。

　　本文中采用了多光譜傳感器和短波紅外傳感器相融合的方式檢測(cè)井下環(huán)境中泥濘的環(huán)境。

　　在遙感領(lǐng)域內(nèi)，當(dāng)采用近紅外光譜和紅色反射空間繪制光譜數(shù)據(jù)的時(shí)候，裸土的多光譜數(shù)據(jù)會(huì)落在一條線上面（簡(jiǎn)稱為土壤線）。裸土在土壤線上的位置由土壤的水分含量決定。濕的土壤在土壤線的一端，干的土壤在土壤線的另一端。為了測(cè)量土壤的水分含量，采用了鄧肯科技的MS2100多光普傳感器，其光譜掃描范圍為400-1000nm。這種傳感器是基于顏色分離棱鏡和三個(gè)成像通道，通過(guò)一個(gè)共同的孔徑可以獲得四種光譜帶（紅色，綠色，藍(lán)色，近紅外），如圖9所示。

　　圖9紅色反射空間

　　通過(guò)安裝固定在機(jī)器人上的多光譜傳感器，采集到了2組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。一組數(shù)據(jù)為裸土和地面雜物；另一組為一條較長(zhǎng)的路面。在這兩個(gè)測(cè)試地面上灑上一定的水，使地面變成泥濘的狀態(tài)。在圖10中顯示的是在第一種地形中的紅色和近紅外光譜。圖中也表示了紅光和近紅外光的反射率在像素表中的比率。紅色的小區(qū)域代表干燥的土壤，綠色的小區(qū)域代表泥濘的地方，而藍(lán)色的區(qū)域代表處于陰影中的干燥土壤。黃線是由最小二乘法得到的線條。從上面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，土壤線現(xiàn)象能夠基于地面上的傳感器獲得，在對(duì)地面干燥與泥濘分類上有一定的效果。

　　　　圖10紅色和近紅外光譜

　　在圖10中顯示了使用多光譜帶去分離出泥濘的區(qū)域。圖10(a)（b）分別是在紅光譜下和近紅外光譜下對(duì)測(cè)試環(huán)境的采集圖像，通過(guò)采集到的圖像很容易對(duì)雜物，路面和地面中的泥濘區(qū)域分類。分類結(jié)果如圖10(c)(d)所示。

　　為了對(duì)井下泥濘路面的檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確，使機(jī)器人在路徑規(guī)劃中選擇最優(yōu)的路徑，更好的完成人們給機(jī)器人下達(dá)的任務(wù)，本文中又采用另一種方法與多光譜分離方法相融合。

　　水對(duì)于短波紅外具有很強(qiáng)的吸收能力，因此泥濘的土壤也具有這樣的屬性。Lobell和Asner在2002年就已經(jīng)用光譜儀和一個(gè)校準(zhǔn)過(guò)的光源在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量了四種含水量等級(jí)不同的土壤對(duì)短波輻射（400-2500nm）的反射能力。他們的報(bào)告中說(shuō)，當(dāng)用可見(jiàn)光反射，土壤水分含量在20%時(shí)就達(dá)到飽和，而用短波紅外在土壤水分含量50%時(shí)才達(dá)到飽和。他們得出的結(jié)論是短波紅外比近紅外更適測(cè)量土壤的水分含量。研究結(jié)果表明了隨著土壤水分含量的增加，在短波紅外帶上土壤的反射系數(shù)的拐點(diǎn)是在1450nm附近。這也證明了短波紅外適合檢測(cè)泥濘的路面。

　　在井下移動(dòng)機(jī)器人上安裝了一個(gè)SU320M-1.7RT短波紅外傳感器也來(lái)檢測(cè)泥濘的井下路面。

　　圖11短波紅外傳感器和通用的攝像頭采集到的圖像對(duì)比

　　圖11顯示的是用短波紅外傳感器和通用的攝像頭采集到的圖像對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在圖11（下）中可以明顯的分辨出路面的干濕程度，用聚類的方法就可以將泥濘的區(qū)域分離出來(lái)。

　　通過(guò)以上兩種傳感器（多光譜傳感器和短波紅外傳感器）的相互融合，將大大提高對(duì)井下環(huán)境中泥濘路面的檢測(cè)精度，為井下移動(dòng)機(jī)器人任務(wù)的順利完成又增加了一層安全保障。

　　4路徑規(guī)劃

　　DEEC是一臺(tái)具有輔助臂的履帶式機(jī)器人，它的主要特點(diǎn)是對(duì)非平整路面環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)，因此對(duì)它的運(yùn)動(dòng)控制不同于其他工作于室內(nèi)結(jié)構(gòu)環(huán)境或室外具有平坦路面環(huán)境的移動(dòng)機(jī)器人。對(duì)于工作于平整路面的移動(dòng)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，其路徑規(guī)劃的主要目標(biāo)是從地圖中沒(méi)有被障礙物占據(jù)的自由空間集合中搜索可達(dá)規(guī)劃目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)路徑。例如在傳統(tǒng)的柵格地圖中，只需要判斷柵格是否被障礙物占用，如果被占用則采取壁障的策略，假若存在無(wú)法避開(kāi)的障礙物則會(huì)導(dǎo)致路徑規(guī)劃的失敗。而對(duì)于DEEC來(lái)說(shuō)，除了考慮到其自身安全性因素而盡量選取無(wú)障礙物通道之外，還可以選擇通過(guò)對(duì)障礙物的翻越或攀爬在更大的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)路徑的規(guī)劃任務(wù)，因此DEEC的路徑規(guī)劃需要一個(gè)具有高程信息的地圖來(lái)表達(dá)路面環(huán)境信息。

　　5結(jié)束語(yǔ)

　　本文從煤礦井下地圖創(chuàng)建的需求出發(fā)，采用雙目視覺(jué)方法創(chuàng)建井下2.5維柵格地圖，并對(duì)探測(cè)機(jī)器人路徑進(jìn)行了規(guī)劃。