摘 要

近年中国老龄化程度的逐渐加深,老人群体数量呈现稳步扩大的趋势,养老市场的需求日益旺盛。本文主要是为了满足社会上身体不便的老人群体的出行需求，以AGV小车为载体，设计一个户外智能导航传感器系统。

自动引导小车（AGV）具备高精度的自动导引功能以及良好的避障功能，能在无人操作的情况下进行工作。本课题使用matlab平台，基于视觉导引为AGV小车设计一个智能传感器以实现系统的定位功能，主要内容如下：

（1）稳定获取视频图像，基于点特征的匹配方法，将获取的视频图像进行校正，完成图像的消抖处理从而达到视频图像质量提高的目的。

（2）图像的畸变处理和预处理，畸变处理过程中分别对获取图像进行径向校正和切向校正；预处理主要是采用中值滤波的方法去除图像噪声。

（3）立体图像的校正，使用SURF特征匹配的方法并采用极线约束去除外点，将两张图像投射到一个共同的图像平面的方式，相应的点有相同的行坐标。即将二维立体的问题归结为一个一维性的问题。

（4）视觉里程计，基于SURF的特征点匹配的相机运动估计，是从一系列图片中估计相机的位姿变化，从而实现AGV小车的运动估计。

（5）提出进一步改进方案的方向，校准相机运动估计轨迹。由于视觉里程计的估计轨迹存在一定的误差，这种误差随时间累积可能导致后期产生漂移。因此进一步提出以道路中心线作为校准线，通过二值化处理图像，获取道路中心点位置，并测量与道路中心线的距离，加强对视觉里程计的估计轨迹的约束，减小估计误差。

本文完成了上述所有的设计工作，根据仿真结果分析，使用本文所设计的视觉里程计实现对AGV小车的运动估计，所得结果误差较小，基本能满足实际的工作要求。

关键词：自动导引；特征匹配；视觉里程计；图像矫正

Abstract

With the deepening of China‘s aging, the elderly population is expanding, and the demand of the pension market is increasing. In order to meet the travel needs of the elderly who are physically inconvenient in society, this paper designs an outdoor intelligent navigation sensor system based on AGV car.

Automatic Guidance Vehicle (AGV) has high precision automatic guidance function and good obstacle avoidance function, and can work without any operation. This topic uses Matlab platform and designs an intelligent sensor for AGV car based on visual guidance to realize the positioning function of the system. The main contents are as follows:

（1） Steady acquisition of video images, based on point feature matching method, the acquired video images will be corrected, and image shaking processing will be completed to achieve the purpose of improving the quality of video images.

（2） Image distortion processing and preprocessing, the distortion processing part mainly carries on the radial correction and the tangential correction to the acquired image; the preprocessing mainly uses the median filter to remove the noise.

（3） Stereo image correction, based on matching of SURF feature points, uses epipolar constraint to remove outliers, and projects two images onto a common image plane. The corresponding points have the same row coordinates. The problem of two-dimensional solid has be transformed into one-dimensional problem.

（4） Visual odometer, camera motion estimation based on SURF feature point matching, estimates camera pose change from a series of pictures, as to realize AGV car motion estimation.

（5） The direction of further improvement is proposed to calibrate the motion estimation trajectory of the camera. Due to the accumulation of errors in the estimation trajectory of visual odometer, drift may occur later. Therefore, we put forward that the road Centerline be used as the calibration line, the position of the road center point be obtained by binary image processing, and the distance between the camera and the road Centerline be measured to further restrict the estimated trajectory of the visual odometer and reduce the error.

In this paper, all the previous design work has been completed. According to the simulation results, the visual odometer designed has less error and meets the requirements of practical work.

Key Words：Automatic guidance; Feature matching; Visual odometry; Image rectificatio

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3研究内容说明 2

第2章 设计方案的选择及论证 4

2.1 AGV小车的导引方式 4

2.2 AGV小车的导引方案选择 5

2.3 AGV小车的导引方案论证 5

第3章 视觉里程计的设计原理 7

3.1图像预处理 7

3.1.1滤波算法比较 7

3.1.2中值滤波的实现效果 7

3.2 SURF特征匹配算法 8

3.2.1建立积分图像 9

3.2.2构建Hessian矩阵 9

3.2.3特征点的确定 10

3.2.4特征描述子和特征匹配 11

3.2.5 SURF特征的匹配效果 11

3.3数学模型的建立及求解 12

3.4相机运动估计的实现 14

第4章 软件设计实现 16

4.1视频帧的稳定获取 16

4.2图像畸变处理及立体图像校正 18

4.3视觉里程计的实现 19

4.4系统的改进 21

第5章 总结 22

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪论

1.1研究目的及意义

近年来，我国人口老龄化趋势非常明显，已经成为了世界上老年人口最多的国家。在现今中国社会老龄化日益严重的背景下，不难看出，中国以后的老年人口将持续增长。尤其是近年中国60岁以上的人口基数已十分巨大，于2017年甚至占比突破17％，达到2.409亿人 ^[1]。

根据我国老年人口的趋势分析，我们不难发现养老市场存在十分巨大的潜力。根据前瞻产业研究院发布的数据分析来看，近年来养老产业的规模迅速扩大，5 年内的增速平均约为27.0 ％。据分析，养老行业的市场规模在2017年约为2.5 万亿元且有望于2021年突破6.5 万亿，而2023年，市场规模会有望接近10 万亿。粗略估算，我国老年人的生活需求潜在市场有望在2020年达到高达4500 亿元的庞大规模^[1]。

然而，我国的养老产业目前任然没有一个真正成熟的模式，处于发展的初始阶段。并且养老产业作为一个非常庞大的服务市场，国内却没有一个上市公司以养老产业为主要经营方向，发展潜力十分巨大。为了满足我国目前日益旺盛的养老市场方面的需求，本设计为生活不便的老人设计了一种基于AGV小车的户外智能传感器系统，以满足老人的部分生活需求。具体来说，本设计的应用场景为协助看护人员，通过AGV小车的定位导航等功能帮助老人在户外完成遛弯散步等生活需求。

1.2国内外研究现状

AGV是Automated Guided Vehicle的缩写，翻译为中文即为“自动导引运输车”，一般主要动力来源是蓄电池，它能够在不同的导引方式的引导下沿上位机选择的导引路径行驶，是具备移载功能和无人操作功能的运输车。因此人们又把AGV 称作移动机器人，虽然AGV小车和机器人很多应用技术都类似，但是它具体外貌可以根据作业环境进行设计和制作。此外可以扩展AGV小车的功能，在车上添加一些等外设，比如大平台、滚筒、机械手等，从而更好完成不同的作业要求，实现小车的工作效率和性能的提高。由于 AGV 小车且具有智能化程度高、可靠性高等优点，所以能实现在无人操控的条件下完成任务，它已经在各大领域中大放异彩。