蛇形机器人小型多摄像机系统的研制及广视角图像的显示外文翻译资料

 2022-03-22 08:03

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蛇形机器人小型多摄像机系统的研制及广视角图像的显示

作者：

Naoki Midorikawa，Tohoku University，6-6-01 Aramaki Aza Aoba，Aoba-ku， Sendai，Japan，midorikawa@rm.si.tohoku.ac.jp；

Kazunori Ohno，Tohoku University；

Satoshi Tadokoro，Tohoku University；

Hiroyuki Kuwahara，KUWAHARA-Electric；

  1. 介绍

科学界研制出各种救援机器人来搜寻受灾地区的遇难者。其中一款由东京工业大学，国际救援系统研究所（IRS），神户大学，东北大学和电气通信大学共同开发[1]的名为“IRS苍龙”（图1）的蛇形机器人是用来在狭窄的空间内的废墟中搜寻遇难者的救援机器人（如倒塌的房子，倒塌的高架桥，破火车等）。

IRS苍龙级分为三段箱型连接结构，每一段箱体都带有履带且第一段箱体带有两个车载摄像头。操作员可以通过远程操作系统操控救援机器人并观看车载摄像头所拍摄的画面。然而，车载摄像机的窄视角图像使得操作员无法获得足够的信息，导致操作员难以高效地控制机器人和搜索受害者。操作和搜索的实行需要足够的信息来展开，而广视角图像的相机系统可以有效保证这些信息的获取。基于以上原因，作者的目的是为“IRS苍龙”开发一款使用广视角图像的相机系统，以获得无盲点的视觉信息。

图1. IRS苍龙

常用于获取广视角图像的摄像装置有鱼眼摄像机或全景镜头照相机[3][4]。但由于IRS苍龙工作时需要进入废墟之间的狭小空间，撞碎的砖头可能损坏鱼眼摄像机或全景镜头照相机，因此这两种相机系统不适合IRS苍龙使用。还有一种常用的广视角相机系统是利用多摄像机[5][6]的图像制作复合图像。我们采用这项技术来获取并显示广视角图像。由于IRS苍龙的分段结构，它只能装配小型设备。在这项研究中，我们开发了小型多摄像机系统，使其能够装配在IRS苍龙上。本研究成功研制出适用于IRS苍龙使用的小型多摄像机系统。

在本文中，我们将介绍一个专为IRS苍龙设计的可以获得广视角图像和细节图像的设计思路（第二节），小型多摄像机系统的设计方案（第三节）以及该系统在IRS苍龙上的装配方案（第四节）。通过测验我们证明了该系统在IRS苍龙的探索过程中有优秀的工作能力，测验的过程及其结果记载在本文第五节中。

图2.测试IRS 苍龙在狭窄地形的工作能力

  1. 研究目的

我们的研究目标是开发小型多摄像机系统，并使用多摄像机系统显示广视角图像和细节图像。在控制蛇形机器人（IRS苍龙）在狭窄的瓦砾空间寻找受害者（图2）时，操作员需要着重关注以下三类信息：

  1. 环境对蛇形机器人工作过程的干扰；
  2. 地面和履带之间的接触情况，以及箱体之间的关节连接；
  3. 受害者周边环境；

1.和2.是控制机器人必需具备的重要信息，3.是为了搜救受害者所需的重要信息。1.类信息和2.类信息的获取方法有所不同。

要想获取1.类信息，广视角图像中需要能够明确分辨机器人躯体和环境之间的相对距离。另一方面，机器人周边的详细图像是确认2.类信息所必须的。要想获得这些图像，摄像机必须设置在机器人躯体上一些狭窄的部分（如连接部分的周围和箱体的底部），这些地方通常无法使用普通的摄像机，这时就需要小型摄像机设备。而3.类信息需要受害者周边广视角且详细的图像。为了满足这些要求，作者提出了具有44个小摄像机的多摄像机系统来获取这些视觉图像信息。

图3标明了小型多摄像机系统设计方案中的44台摄像机在IRS苍龙上的安装方案。要获取1.类信息所需要广视角图像由分布于机器人表面（图3中a、b）和低位鸟瞰点（图3中c）的38个摄像机组成。这38个摄像机的具体分布如下：第一段箱体的前端和最后一段箱体的后端各有4个摄像机；每一段箱体的上下左右及低位鸟瞰点各有2个摄像机。机器人周边环境的图像可以通过低位鸟瞰点摄像机来观察。所有摄像机必须由柔性杆来固定否则会影响到机器人的工作活动。

要获取2.类信息可通过分布于箱体连接处的6个摄像机（图3中d、e）来观察。而要获取3.类信息所需的广视角图像由几乎全部的摄像机（图3中a、b、c、d）组成。

这种装配方案适用于在狭窄空间进行搜索工作的蛇形机器人。

图3.小型多摄像机系统的安装方案

  1. 多摄像机系统的构建
  2. 多摄像机系统的特点

我们构建了一个多摄像机系统在满足以下要求的前提下为IRS苍龙安装44个摄像头：

  1. 多摄像机系统的小型化；
  2. 通过非集中处理方式高效采集与传输图像；
  3. 减少用于连接控制中心和IRS苍龙的电缆的数目；
  4. 利用长电缆获取摄像机图像；

图4展示了我们提出的多摄像机系统的组成方式，该系统由一些具有四个小型CMOS摄像机的多摄像机模块组成。多摄像机模块结构如图5所示，通过连接数个多摄像机模块我们可以很容易地增加系统中摄像机的数量。

若要使用DMA和MMAP来获取和传输图像，需要保证每个模块都能够有效采集摄像头的图像。要想满足图3中摄像机的工作要求，需要使用由四台小型CMOS相机（Asahi E. L. p01030 DS）和小型CPU板（Ted，SUZAKU-V）组成的多摄像机模块。

由于该机器人常常需要拖动50米以上的连接电缆进行探索工作，因此减少电缆的数量是非常重要的一件事，使用以太网可以保证高速传输图片数据的前提下减少连接电缆的数量。因此，使用局域网技术（100Mbps）来保持机器人与控制中心的数据联络。

图4小型多摄像机系统的结构

图5.小型多摄像机模块

  1. 多摄像机模块结构

图5介绍了我们开发的多摄像机模块（尺寸为72times;47times;30mm）。该模块由4个小型的CMOS摄像头组成，摄像头和小型CPU板（SUZAKU-V）的接口电路板如图6所示。要保证在狭小空间中的工作能力，就必须重点实现多摄像机模块的薄型化、轻量化、柔性化。考虑到这些要求，我们采用了FPC（柔性印刷电路）电缆来传输图像数据。用来捕获摄像头图像的线路由 SUZAKU-V 上的FPGA构造组成。

图7展示了核心模块中逻辑电路的框图。几乎全部逻辑电路（如图像采集核心、总线主机、DMA）都由FPGA组成。核心模块利用HDL语言开发电路，使硬件得以维护和重复利用，通过使用FPGA来缩小电路和并行高速处理。

所谓的DMA，就是图像直接存储在内存而不使用CPU的技术，这些存储的图像传输使用MMAP函数。为了实现DMA功能，我们利用FPGA构建了以下三个电路：

  1. 图像采集的核心线路
  2. DMA总线主控单元线路
  3. I2C通信线路

每一个小型多摄像机模块装配有4个图像采集核心。图像采集核心同步于时标信号对CMOS摄像头传出的图像流进行捕获。图8展示了图像采集核心的详细构建，图像采集核心是由图像捕获机和DMA总线主控单元等组成，其中图像捕获机直接从摄像机捕获图像数据，而DMA总线主控单元直接将该图像数据传送到存储器。I2C通信用于设置摄像机参数，这种通信方式是基于通用IO（GPIO）和软件库建立起来的。

图6相机接口电路板

图7小型多摄像机模块逻辑电路结构图

此外，通过使用双缓冲技术和MMAP可以提高图像采集速度。使用双缓冲技术，系统可以在捕获下一个数据的同时通过以太网将捕获的图像传输到内存区。使用MMAP技术可以使系统能够直接将缓存数据从内核空间复制到用户空间。

  1. 多摄像机模块评价

我们对多摄像机模块进行了性能评估。图9展示了摄像机数量和以太网（100Mbps）帧频数之间的关系。在这次评估中，我们通过以下途径（SBCopy， SBplusmn;MMAP， DBplusmn;Copy， DBplusmn;MMAP (SB: 单缓冲技术； DB: 双缓冲技术；Copy: 不适用 MMAP；MMAP: 使用 MMAP). ）将图像数据（尺寸：QVGA（320times;240），格式：YUV422）从SUZAKU-V传输到PC主机，在模拟测试中DBplusmn;MMAP 表现出最佳的性能。其帧数与摄像机数量的对比为：1台摄像机时fps为24.1；2台摄像机时fps为12.5；3台摄像机时fps为8.6；4台摄像机时fps为6.6。

当我们使用1或2个照相机时，使用双缓冲技术的帧数是单缓冲时的两倍。

因此我们使用双缓冲技术来采集大量图像。MMAP在使用双缓冲技术时比使用单缓冲技术时更有效。使用MMAP时相比不使用MMAP最多可以提高8fps。

因此我们使用MMAP，来增加帧数。

图8图像采集核心结构图

图9摄像机数目与帧频的关系图

  1. 小型摄像机的安装
  2. 概念

IRS苍龙的工作条件要求其需要具有防水、防尘功能的相机系统。此外，相机需要固定在机器人上。然而，由于小型摄像机没有螺钉孔，很难用螺钉直接固定。因此，我们在摄像机上制作了具有防水防尘功能的摄像机固定罩。

图10展示了摄像机固定罩的结构，小型CMOS相机设置在摄像机固定罩中。

摄像机固定罩通过使用螺丝固定在IRS苍龙之上，机器人以这种方式达成了装配小型摄像机的目的。只要将摄像机固定罩盖紧，就可以达到防水防尘的要求。

这种安装方法使小型摄像机的安装变得容易。

当我们不能在我们想要的机器上安装摄像机时，我们会为他们安装特殊的结构来安装摄像机。

  1. 摄像机固定罩

图10展示了用于安装摄像机的摄像机固定罩。摄像机固定罩设计成盒形，尺寸是40times;20times;8 [毫米]。因为这种结构可以完全覆盖相机以达到防水和防尘的目的，且很容易用螺丝钉固定在机器人上。图11示出了小型CMOS摄像机的形状。它的位置和俯仰和偏航角可以用摄像机固定罩来确定，其横滚角可以通过它的两个支架脚来确定。设计在摄像机固定罩内的插座就是用来安装小型CMOS摄像机的。

镜头的位置打了个洞换成透明的镜片来实现拍摄。电缆通过的空间使用橡胶覆盖。摄像机固定罩是由聚酯制造的，是坚固和易处理的。

图10摄像机固定罩

  1. 摄像机的安装

图1中的IRS苍龙配有32个摄像机。这32个摄像机的安装方法如下：在机器人的前后分别安装4个摄像机，左右分别安装6个摄像机，上下分别安装4个摄像机，机器人的前、后地位鸟瞰点分别安装2个摄像机。

当我们在图3的零件a、b和c上固定摄像机时，我们使用铝为材料做了一个附件。具体地说，我们在图3中a部分的左边和右边做了一个前置摄像头，它围绕着偏航角以45度旋转。

在原计划中，图3中b部分的附件被设计为围绕偏航角和俯仰角进行15度旋转。然而，这项计划因技术问题无法实现。我们制作了一个附件，它只围绕俯仰角进行15度旋转。

在原计划中，图3中c部分的附件是由柔性材料制成的。然而，因为无法找到合适的材料。作为代替，我们把这6个摄像机固定在铝杆上。

图3中的d和e部分还未安装任何摄像机。在今后的工作中，我们将安装剩下的12台尚未安装的摄像机。

图11小尺寸的CMOS摄像头（Asahi E. L.，p01030 DS）

  1. 实验
  2. 控制IRS苍龙并搜寻受害者

我们使用一台装配了32个摄像机的IRS苍龙来进行搜寻受害者的实验，结果表明操作员可以在机器人不进行额外行动的前提下发现受害者，并且操作员也能够从广视角图像中找到下一片足够开阔的空间来继续前进。

图12和图13分别展示了IRS苍龙的工作过程和32个摄像机拍摄的图像，图12中机器人按照（a）、（b）、（c）、（d）的顺序移动，当机器人处于图12中的（a）处时，32个摄像机拍摄的图像被图像采集核心采集（图13（A））。图13（B）显示了32个摄像机和图像的对应关系。图

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