中文摘要：

本课题拟研究一种机器视觉技术与路标定位方法相结合的地下铲运机车快速定位技术，在巷道中布置一系列视觉特征明显并且带有地理位置信息的"路标"，通过车载摄像机在巷道中可视范围内实时捕获带有"路标"的图像，对这些图像加以分析，从中识别"路标"的地理位置信息，同时根据这些图像计算摄像机的标定参数，将多个识别到的地理位置信息及其对应"路标"的图像坐标与计算出的标定参数结合，估算出铲运机在巷道中所处的实际地理位置。考虑到一维条码在视觉上具有显著特征，并且可以用来表示数据信息，因此，课题拟采用带有主动光源和一维条码的柱体发光灯具作为"路标"，只要能够快速准确识别这些一维条码，且较为精确地计算出摄像机标定参数进而推算出铲运机与发光灯具之间的距离，即可实现对铲运机的实时定位。

结论摘要：

本项目针对实现地下铲运机无人驾驶或遥控驾驶需解决的精确定位问题，开展了机器视觉与路标定位方法结合的地下铲运机快速定位技术研究。这种定位技术的原理是，在巷道中布置一系列视觉特征明显并且带有地理位置信息的“路标”，通过车载摄像机在巷道中可视范围内实时捕获带有"路标"的图像，对这些图像加以分析，从中识别“路标”的地理位置信息，同时根据这些图像计算摄像机的标定参数，将多个识别到的地理位置信息及其对应“路标”的图像坐标与计算出的标定参数结合，估算出铲运机在巷道中所处的实际地理位置。在路标设计与识别方面，首先制定了一维条形码路标设计方案及其识别算法，算法在路标与摄像机保持1.5-10米距离、摄像机滚转角为任意角度情况下，识别正确率可达98.6%，识别效率大于5帧/秒；针对条形码路标所能携带信息量不足的问题，设计了一种双轨编码路标并提出了相应的识别算法。算法在路标与摄像机保持2-9米距离、摄像机滚转角在±25度范围内的情况下，识别正确率达到99.8%，识别效率大于10帧/秒。在视觉测距问题上，分别采用无标定和有标定两种方式进行测距。在无标定测距方法中，采用针孔成像模型，根据镜头焦距、路标的实际尺寸和成像尺寸等参数计算摄像机到路标的距离。在有标定的测距方法中，首先采用主动视觉标定算法计算摄像机内参数矩阵，在摄像机光轴与世界坐标系的夹角已知的前提下，通过光轴、像平面及标定平面之间的几何关系，求解出摄像机到标定平面的距离。此方法对测距设备的要求较低，简单易行且能保证测距精度。但该方法需要摄像机做特定的运动，且每组运动需处理四幅图像。针对这一缺陷提出一种基于路标伪运动的摄像机标定及测距方法，将图像中的不同路标视为发生“运动”的相同路标。通过路标特征点提取和关联匹配建立映射关系和成像模型，进而计算平面单应矩阵和摄像机的光学及几何参数。之后利用摄像机的内参数和平面单应矩阵求解摄像机的外参数矩阵，即可得到摄像机坐标系与路标之间的距离。铲运机的定位采用三角定位原理，根据摄像机到多个路标之间的距离即可求得。实验表明，在无标定测距方法中，定位精度达到纵向误差小于150毫米，横向误差小于110毫米。而采用有标定的测距方法，其定位精度与无标定方法相当，未见有显著提高。