專利名稱：用于室內(nèi)移動機器人的快速精確定位系統(tǒng)及其工作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于室內(nèi)移動機器人的快速精確定位系統(tǒng)及其工作方法，屬于檢測技木、圖像處理及機器人導航領域。
背景技術：
室內(nèi)定位，是在室內(nèi)環(huán)境下，根據(jù)先驗環(huán)境地圖信息、物體位姿的當前估計以及傳感器的觀測數(shù)據(jù)等輸入信息，經(jīng)過一定的分析和計算，得到更為準確的物體位姿的估計。對于工作在家庭、醫(yī)院和辦公場所等室內(nèi)環(huán)境下的智能服務機器人，其準確的定位是機器人導航的前提，是完成服務任務的重要保證。室內(nèi)定位傳感器按照所使用的定位技術,可分為絕對定位傳感器和相對定位傳感器。絕對定位主要采用導航信標、主動或被動標識等技術進行定位；相對定位是測量物體相對于初始位置的距離和方向來確定物體的當前位置，也稱為航位推算法。目前室內(nèi)機器人定位所采用的方法主要有基于RFID的方法、基于無線傳感網(wǎng)絡的方法和基于里程計和慣導模塊的方法等等?；赗FID的方法，一般是先讀取RFID數(shù)據(jù)后粗略定位，再利用超聲傳感器進行距離測量，從而獲得定位信息。該方法要求在放置RFID標簽吋，要充分考慮各種可能性，使用不便，精度較低，適合環(huán)境簡單，且對精度要求不高場合下的定位?；跓o線傳感網(wǎng)絡的方法，如Wi-Fi技木，Zibgee技術等，利用信號強度進行定位，該方法需要架設無線傳感網(wǎng)絡，成本高，且無線信號易受干擾，精度較差?；趹T導模塊的方法利用陀螺儀、加速度計、磁力計等慣性導航模塊，再結合里程計，對物體的航向、速度和加速度進行實時記錄，累積里程，通過計算得到物體相對于初始位置的坐標。該方法存在累積誤差和漂移，時間ー長或路況不佳時，精度難以保證。專利號為201110260388. 5的發(fā)明專利，使用紅外發(fā)射ニ極管制作點陣路標，并貼附于室內(nèi)天花板上，廣角紅外攝像機固定在移動機器人身上，向上拍攝紅外路標，通過機器人身上的計算機進行圖像分析、實時計算出機器人的位姿。這種方法具有一定的局限性，其點陣路標屬于有源標簽，每ー個標簽都是ー塊電路板，并需要電源供電，成本高，安裝、使用不方便。其次，其圖像處理使用機載エ控計算機，體積較大，成本較高，對不配置エ控計算機的中小型機器人根本無法使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為解決上述問題，提供一種用于室內(nèi)移動機器人的快速精確定位系統(tǒng)及其工作方法，該系統(tǒng)由安裝在機器人上的定位傳感器和粘貼在工作區(qū)域天花板上的多個反射紅外線的無源標簽組成，系統(tǒng)利用傳感器紅外發(fā)射模塊發(fā)出紅外線，照射天花板上的標簽，傳感器上的微型CMOS攝像頭采集標簽光斑圖像，TMS320DM642DSP芯片對圖像進行處理，獲得傳感器相對于標簽的X坐標值、Y坐標值、航向角及高度等位置信息，實現(xiàn)準確定位。采用紅外線的目的是為了有效避免可見光對傳感器的影響，提高定位的精度和魯棒性。為實 現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案—種用于室內(nèi)移動機器人的快速精確定位系統(tǒng)，它包括安裝在機器人上的定位傳感器和粘貼在工作區(qū)域天花板上的多個反射紅外線的無源標簽；其中，定位傳感器包括圖像處理芯片，圖像處理芯片分別與存儲模塊、COMS攝像機、數(shù)據(jù)接ロ、電源以及紅外發(fā)射模塊連接，紅外發(fā)射模塊包括多個紅外管，它們圍繞在COMS攝像頭周圍并分為幾組；無源標簽為標識標簽，在標簽上共有15個標志點位置可供粘貼反射紅外線材料，標志點被分為兩類，第一類為方向點，即來確定坐標軸的方向，為了卩隹ー確定方向，標簽的四個角中只能有任意三個角的位置有方向標志點，余下ー個頂點不能粘貼反射紅外線材料，姆個標簽上都必須含有這三個方向點；第二類為編碼點，即剩余的各標志點，每個編碼點都表示ニ進制的一位，可以通過編碼點的組合來確定該標簽的ID編號；在方向點上粘有反射紅外線材料，在其余編碼點上根據(jù)編碼需要選擇全部或部分粘貼反射紅外線材料。 所述數(shù)據(jù)接ロ為UART接ロ，所述存儲模塊為SDRAM、FLASH、EEPR0M。所述紅外管有12個，每4個分為ー組，共3組；開始進行測量時3組全部打開，測得結果后隨即關閉ー組，再進行測量，如果測量精度沒有影響，則再關閉ー組，目的是保證精度不受影響且使用的紅外管數(shù)量最少，達到節(jié)省能源，減少發(fā)熱量的目的。該定位系統(tǒng)的工作步驟為I)根據(jù)需要，在機器人工作區(qū)域的天花板上粘貼適當數(shù)量的標簽，標簽之間的距離需大于I. 5米，定位傳感器與標簽之間的距離范圍為I米到2. 5米；2)將定位傳感器安裝在機器人上，上電并初始化；3 )讀取存儲模塊完成配置；4)判斷是否開始檢測，若否，則繼續(xù)等待檢測命令；若是，則轉入步驟5)；5) COMS攝像頭接收標簽反射回來的紅外光斑圖像，對圖像進行預處理，然后檢測視野內(nèi)是否存在有效標簽，若沒有則轉到7)，如果視野中有效標簽的數(shù)量多于ー個，則應從中選擇最優(yōu)的標簽進行反光點識別；從而確定標簽中三個方向點及標簽坐標系X0Y，從而確定機器人在該標簽坐標系下的X、Y坐標信息和航向角信息，并確定定位傳感器與粘貼標簽天花板之間的高度信息，同時確定標簽的ID信息；6)將處理結果上傳到機器人的上位機進行顯示和控制；7)由上位機決定是否停止檢測，若否，則返回步驟5);若是，則結束本次檢測過程。所述步驟2)中，在定位傳感器投入使用之前必須對微型CMOS攝像機進行標定，來獲得內(nèi)參數(shù)和畸變參數(shù)標定時采用基于2D平面標定板的標定算法，在標定過程中假設攝像機內(nèi)部參數(shù)始終不變，即無論攝像機從任何角度拍攝平面模板，攝像機內(nèi)部參數(shù)都是常數(shù)，只有外部參數(shù)發(fā)生變化，基本步驟為(I)打印一張標準的國際象棋盤作為標定板，并將其貼在ー個剛性的平面上；(2)從不同角度拍攝多張標定板圖像，數(shù)量多可使標定更準確；(3)檢測標定板上的特征點，并確定圖像坐標和實際坐標；(4)利用線性模型計算出攝像機的內(nèi)部參數(shù)；(5)利用畸變模型，對攝像機內(nèi)參數(shù)進行優(yōu)化，求出所有參數(shù)，確定內(nèi)參數(shù)后對圖像進行矯正，從而為后續(xù)計算做好準備。所述步驟5)中，在紅外圖像中確定有效標簽和最優(yōu)標簽的過程為對獲取的紅外圖像進行預處理，首先對紅外圖像進行高斯平滑濾波，之后選取合適的閾值進行ニ值化處理獲得ニ值化圖像，提取ニ值圖像中的輪廓，去除較大和較小的輪廓以減小噪聲的干擾。定位傳感器采用對上面獲取的ニ值圖像進行水平投影和垂直投影相結合的方法來定位標簽在紅外圖像中的位置，使用最近鄰的法則來確定當前的最優(yōu)標簽。給定一條直線，用垂直該直線的ー簇等間距直線將ニ值圖像分割成若干部分，統(tǒng)計每一部分中像素值為I的像素個數(shù)為ニ值圖像在給定直線上的該部分的投影；當給定直線為水平或垂直直線時，計算ニ值圖像每一列或每一行上像素值為I的像素數(shù)量，就得到了ニ值圖像的水平和垂直投影，在某些應用中投影可以作為物體識別的一個特征，

圖14a表示了處理后得到的ニ值圖像，圖14b和圖14c分別表示了ニ值圖像的垂直投影和水平投影，具體的分類可見如下步驟 (I)對獲取的垂直投影圖像由左向右逐次遍歷得到其相鄰投影像素簇的間隔距離Cl1,も…も，同樣對水平投影圖像采取由上向下逐次遍歷可得相鄰投影像素簇的間隔距離d/ pd' n，由于標簽放置時間隔較遠，因而不同標簽間的投影像素簇也會間隔較遠的距離，可以以間隔距離作為區(qū)分標簽的依據(jù)。(2)確定投影圖像上標簽對應的投影區(qū)域，取上述垂直投影圖像像素簇間隔距離的最小值d和水平投影圖像像素簇間隔距離的最小值d'的七倍，即7d和7d'作為閾值進行近鄰分類，具體分類方法對于垂直投影圖像由左向右遍歷，找到第一個投影像素簇，統(tǒng)計其余投影像素簇到該像素簇的距離，若是小于7d，則屬于同一個標簽的投影區(qū)域，然后以下一個大于7d的投影像素簇為基準，繼續(xù)向右遍歷，仍是小于7d的為第二個標簽所在的投影區(qū)域，依次向下遍歷可得到不同的標簽在垂直投影圖像中的不同區(qū)域，對于水平投影圖像，由上向下進行遍歷，以7d,為距離基準，采用上述方法可以得到標簽在水平投影圖像上的對應區(qū)域。如圖14b和14c所示，可以得到A、B、C、D四個投影區(qū)域。(3)找到原圖像上的標簽區(qū)域，以(2)中確定的每個投影區(qū)域的邊緣做直線，垂直投影區(qū)域的直線和水平投影區(qū)域的直線在原圖像上可以相交得到不同的矩形區(qū)域，該矩形區(qū)域則為標簽可能存在的區(qū)域，圖14d表示了有相交直線所獲取的四個矩形區(qū)域，其中有不合理的區(qū)域，即有兩個矩形區(qū)域不存在標簽，下一歩將介紹如何去除不合理區(qū)域，得到有效標簽。(4)去除不合理的區(qū)域，得到有效標簽，經(jīng)過步驟(3)可以得到標簽可能所在的區(qū)域，但是需要去除無效區(qū)域已得到有效的標簽所在區(qū)域，主要是排除兩方面的干擾ー種是排除相交矩形區(qū)域內(nèi)沒有標簽的情況，一種是排除標簽在圖像邊緣以至于沒有得到完整標簽的情況。(5)在(3)中已獲得可能的投影區(qū)域，且通過投影邊緣區(qū)域的邊緣直線可以確定圖像中標簽可能所在區(qū)域的坐標范圍，通過檢測區(qū)域內(nèi)有無反光點即可判斷該區(qū)域內(nèi)是否存在標簽，若有反光點則存在標簽，若無則不存在。由于在圖像邊緣處誤檢測的概率較大，所以，當標簽靠近邊緣時需要舍棄，通過區(qū)域的坐標可以很簡單的判斷出該標簽是否是在圖像邊緣。排除掉干擾后剩下的即為有效標簽。(6)若圖像中有效標簽的數(shù)量多于ー個，需要選擇最優(yōu)標簽。圖14d表示了獲取了標簽所在的圖像區(qū) 域。求解兩個矩形區(qū)域中心坐標a(xa，ya)和b(xb，yb)，圖像中心點坐標
O(x0, y。)，計算得出oa和ob距離
權利要求
1.一種用于室內(nèi)移動機器人的快速精確定位系統(tǒng)，其特征是，它包括安裝在機器人上的定位傳感器和粘貼在工作區(qū)域天花板上的多個反射紅外線的無源標簽；其中，定位傳感器包括圖像處理芯片，圖像處理芯片分別與存儲模塊、COMS攝像機、數(shù)據(jù)接ロ、電源以及紅外發(fā)射模塊連接，紅外發(fā)射模塊包括多個紅外管，它們圍繞在COMS攝像頭周圍并分為幾組；無源標簽為標識標簽，在標識標簽上有多個標志點，標志點被分為兩類，第一類為方向點，即來確定坐標軸的方向，為了唯一確定方向，標識標簽的四個角中只能有任意三個角的位置有方向標志點；第二類為編碼點，即剩余的各標志點，通過剩余各標志點的組合來確定該標簽的ID編號；在方向點上粘有反射紅外線材料，在其余編碼點上根據(jù)編碼需要選擇全部或部分粘貼反射紅外線材料。
2.如權利要求I所述的用于室內(nèi)移動機器人的快速精確定位系統(tǒng)，其特征是，所述紅外管有12個，每4個分為一組，共3組；開始進行測量時3組全部打開，測得結果后隨即關閉一組，再進行測量，如果測量精度沒有影響，則再關閉一組。
3.ー種采用權利要求I所述的用于室內(nèi)移動機器人的快速精確定位系統(tǒng)的定位方法，其特征是，工作步驟為 1)根據(jù)需要，在機器人工作區(qū)域的天花板上粘貼適當數(shù)量的標簽，標簽之間的距離需大于I. 5米，定位傳感器與標簽之間的距離范圍為I米到2. 5米； 2)將定位傳感器安裝在機器人上，上電并初始化； 3)讀取存儲模塊完成配置； 4)判斷是否開始檢測，若否，則繼續(xù)等待檢測命令；若是，則轉入步驟5); 5)COMS攝像頭接收標簽反射回來的紅外光斑圖像，對圖像進行預處理，然后檢測視野內(nèi)是否存在有效標簽，若沒有則轉到7)，如果視野中有效標簽的數(shù)量多于ー個，則應從中選擇最優(yōu)的標簽進行反光點識別；從而確定標簽中三個方向點及標簽坐標系X0Y，從而確定機器人在該標簽坐標系下的X、Y坐標信息和航向角信息，并確定定位傳感器與粘貼標簽天花板之間的高度信息，同時確定標簽的ID信息； 6)將處理結果上傳到機器人的上位機進行顯示和控制； 7)由上位機決定是否停止檢測，若否，則返回步驟5);若是，則結束本次檢測過程。
4.如權利要求3所述的定位方法，其特征是，所述步驟2)中，在定位傳感器投入使用之如必須對微型CMOS攝像機進彳T標定，基本步驟為 (1)打印一張標準的國際象棋盤作為標定板，并將其貼在ー個剛性的平面上； (2)從不同角度拍攝多張標定板圖像，數(shù)量多可使標定更準確； (3)檢測標定板上的特征點，并確定圖像坐標和實際坐標； (4)利用線性模型計算出攝像機的內(nèi)部參數(shù)； (5)利用畸變模型，對攝像機內(nèi)參數(shù)進行優(yōu)化，求出所有參數(shù)，確定內(nèi)參數(shù)后對圖像進行矯正，從而為后續(xù)計算做好準備。
5.如權利要求3所述的定位方法，其特征是，所述步驟5)中，在紅外圖像中確定最優(yōu)標簽的過程如下對獲取的紅外圖像進行預處理，選取合適的閾值進行ニ值化處理獲得ニ值化圖像，定位傳感器對獲取的ニ值圖像進行水平投影和垂直投影相結合的方法來定位標簽在紅外圖像中的位置，排除干擾確定有效標簽，使用最近鄰的法則來確定當前的最優(yōu)標簽。
6.如權利要求3所述的定位方法，其特征是，所述步驟5)中，所述標簽反光點識別過程為 (1)首先定義ー個梯度規(guī)定ー個像素沿某方向的梯度為該像素與該方向下一個像素的灰度值之差，自上而下自左向右捜索，若在某一像素點，右梯度大于設定閾值e 1，則認為該點是標志區(qū)域內(nèi)一點； (2)以該點為起始點，捜索其八鄰域內(nèi)最大灰度值，最終找到標志區(qū)域內(nèi)最大灰度值點； (3)以中心點為起始點，向上、下、左、右四個方向捜索，當某點像素灰度值小于設定值并且梯度小于設定閾值吋，則認為該點為標志區(qū)域的邊界點； (4)分別以中心對角線相連的點為起始點開始水平和垂直捜索，直到找到標志區(qū)域邊界點，其他捜索以此類推； (5)檢測出的區(qū)域并不一定都是標志區(qū)域，還需要去掉干擾區(qū)域，首先計算標志區(qū)域內(nèi)所有像素的平均值，平均值過低則排除，然后計算標志區(qū)域的尺寸和邊界長度，不符合閾值的排除； 經(jīng)過以上步驟確定所有標簽反光點，采用建立灰度直方圖的方法，選取標志區(qū)域和背景區(qū)域灰度的峰值間的谷底做為閾值，然后用圖像各點灰度值減去該閾值，獲得一幅新的圖像；確定中心點時，選用灰度加權質(zhì)心法，所謂灰度加權質(zhì)心是指，以灰度值為權重，計算圖像內(nèi)所有標志點象素坐標的平均值，公式如下
7.如權利要求3所述的定位方法，其特征是，所述步驟5)中，確定標簽中三個方向點的過程為計算標簽中任意兩兩標志點之間的連線長度，選取其中最長者，并且提取最長連線所對應的兩個標志點，將這兩個標志點分別標記為A和B，計算A和B連線的中點，然后分別計算標簽中除A和B點外其他所有點到該中點的距離，選取其中最長的，并提取該最長距離所對應的標志點，將其標記為0，則A、O、B三點為三個方向點。
8.如權利要求3所述的定位方法，其特征是，所述步驟5)中，位置信息的確定過程為在定位傳感器獲取的圖像中，R點為定位傳感器在圖像中的投影位置，該位置是圖像中心；在圖像中按照確定標簽坐標系的規(guī)則建立AOB坐標系，其中OA為X軸方向，OB為Y軸方向；求解定位傳感器在該標簽下的坐標時，使用兩次仿射變換的方法，仿射變換是兩個平面坐標系之間的轉換； 首先是AOB坐標系與圖像坐標系的轉換，由提取到的標志點的中心點可以確定圖像坐標系中AOB三點的坐標值，同時根據(jù)各點之間的距離也能確定AOB坐標系中三點的坐標值，將三個坐標帶入仿射變換公式中即確定仿射變換矩陣和平移矩陣；假設求得的仿射矩陣為
9.如權利要求3所述的定位方法，其特征是，所述步驟5)中，確定定位傳感器與粘貼標簽天花板之間的高度信息的過程為根據(jù)相機的投影原理，L為實際物體的長度，經(jīng)過投影后，在圖像平面上投影后為1，f為焦距，Z為物體與相機的距離，則有
10.如權利要求3所述的定位方法，其特征是，所述步驟5)中，對標簽的ID號進行識別過程為在一張標簽在圖像坐標系下的任意分布，圖像坐標系X' 0/ V的坐標原點0'為圖像的左上角像素點，X軸水平向右，Y軸垂直向下，以O、A、B、三點構成了標簽在圖像中的坐標系A0B，對應像素坐標分別為(X。，y。)(xa, ya)和(xb，yb)，其中0為標簽坐標系原點，OA指向X軸，OB指向y軸，M點和N點是A點和C點之間的兩個等分點，N點用虛圈標出表示在該標簽上該點處并沒有感光材料，除了方向點之外的其他反光點為標簽的編碼點，用來確定標簽的ID信息，采用下面的步驟來確定標簽編碼點的位置； (1)確定直線OB上的編碼點的位置 確定向量
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于室內(nèi)移動機器人的快速精確定位系統(tǒng)及其工作方法，它包括設置在機器人上的定位傳感器和安裝在工作區(qū)域天花板上的多個反射紅外線的無源標簽；定位傳感器包括圖像處理芯片，它與存儲模塊、COMS攝像頭、數(shù)據(jù)接口、電源以及紅外發(fā)射模塊連接，紅外發(fā)射模塊包括多個紅外管，它們圍繞在COMS攝像頭周圍并分為幾組；無源標簽為標簽，其上有多個標志點，標志點分為兩類，第一類為方向點，以確定坐標軸的方向，為唯一確定方向，標簽的四個角中只能有三個角的位置有方向標志點，第二類為編碼點，即剩余的標志點，用來確定該標簽的ID編號；在方向用標志點上粘有反射紅外線材料，在其余編碼用標志點上根據(jù)編碼需要粘貼反射紅外線材料。
文檔編號B25J13/00GK102773862SQ201210269218
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月31日 優(yōu)先權日2012年7月31日
發(fā)明者周風余, 段朋, 王然, 田國會, 袁憲鋒, 趙文斐, 閆云章 申請人:山東大學