專利名稱：基于手繪輪廓語義地圖的移動機器人視覺導航方法
技術領域：
本發(fā)明屬于智能機器人導航技術領域，特別是一種基于手繪輪廓語義地圖的移動機器人視覺導航方法。
背景技術：
隨著越來越多的家庭機器人走進人類家庭，當機器人面對新環(huán)境，即具有個性化、 差異化室內(nèi)裝修的家居環(huán)境，“腦?！?一片空白，也就是說，機器人面向一個未知家居環(huán)境， 由于室內(nèi)的物品的擺放也不是固定不變的，或者室內(nèi)人員的任意走動，導致該環(huán)境也是動態(tài)的。對于非機器人專家，或者一般的家庭成員(機器人使用新手)來說，想輕松地操作機器人學習周圍的環(huán)境，傳統(tǒng)作法依靠精確地圖的繪制指導機器人導航，由于機器人定位精度的固有局限性，隨著環(huán)境的復雜程度的提高，越來越顯得力不從心。在這種情況下，探索一種直接簡單的交互導航方式非常關鍵。自從上個世紀60年代以來，移動機器人的導航研究一直是各國學者研究的重要領域。隨著計算機處理水平的不斷提高，視覺導航方法由于其自主性、廉價性和可靠性成為導航策略領域的研究熱點，逐步成為機器人導航過程中的一種重要的傳感器。對于移動機器人的視覺導航石if究，DeSouza"Vision for mobilerobot navigation :a survey"(DeSouza G. N. , Kak, A. C. IEEE Trans. PatternAnal. Mach. Intell. ,2002,24(2) :237-267)禾口 Bonin-Font " VisualNavi gat ion for Mobile Robots :A Survey" (Bonin-Font F. , Ortiz A.，andOliver G. J. Intell. Robotics Syst. 2008,53, (3) :263-296.)等文章對過去幾十年來的發(fā)展狀況進行了總結導航的目的是使機器人到達指定的地點，因而大多數(shù)導航過程都需要相應的環(huán)境地圖來引導機器人。目前，米制地圖、拓撲地圖以及混合地圖是應用最為廣泛的地圖表示方式。對于米制地圖，它表示環(huán)境的精確坐標信息，因而當環(huán)境比較大時對于計算機的存儲能力以及環(huán)境的測量過程都是一個考驗；對于拓撲地圖，它表示環(huán)境中關鍵點的連通信息，對于環(huán)境的實際大小沒有明確的表示，因而對于環(huán)境的描述并不是很完善；而將米制地圖和拓撲地圖綜合起來而得到的混合地圖則能夠將環(huán)境在整體上用拓撲地圖表示，在感興趣的局部地區(qū)構建米制地圖，從而豐富了環(huán)境信息，然而真正在導航過程中，機器人在拓撲節(jié)點之間的運行卻很容易受到外界干擾的影響。假想這樣一種情形，當別人向我們問路時，我們通常會這樣說沿著某條路往前走，走大概多遠或到達某個目標前，轉向某個方向，繼續(xù)往某個地方走，繞過某個目標， 再走多遠就到達了目的地，從開始到目的地的距離大概有多少等等。這就是人類在陌生環(huán)境下的問路導航方式。Tversky 等人"How Space StructuresLanguage，in Spatial Cognition :An Interdisciplinary Approach toRepresenting and Processing Spatial Knowledge，，(B· Tversky，and P. Lee, in Proceedings of the Spatial Cognition :An Interdisciplinary Approachto Representing and Processing Spatial Knowledge, Berlin,1998 :157-176.),"What do Sketches Say about Thinking ？ "(in Proceedingsof the AAAI Spring Symposium, Sketch Understanding Workshop, StanfordUniversity,2002 :148-151.)從人類認知學的角度出發(fā)，分析了手繪地圖在人類導航過程中的作用，并指出路線圖和路線方向對人類導航的關鍵作用，以及手繪地圖與實際地圖的偏差程度對導航結果帶來的影響。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的針對上述現(xiàn)有存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種直接簡單的基于手繪輪廓語義地圖的移動機器人視覺導航方法，實現(xiàn)了在不知道環(huán)境目標實際圖像信息的前提下，依靠這些目標與路徑信息指導機器人進行導航。技術方案為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術方案為一種基于手繪輪廓語義地圖的移動機器人視覺導航方法，包括如下步驟1)先繪制手繪輪廓語義地圖①根據(jù)參考目標在實際環(huán)境中所處的大體位置，在繪圖面板中對應的大致位置手繪參考目標的輪廓，并標注該輪廓的語義信息，這里的語義信息是指該輪廓所代表的物體名稱，比如餐盤，抱枕等；②根據(jù)機器人在實際地圖中的概略位置和方向，繪制機器人的大致位姿信息和運行路徑的起點，然后繪制運行路徑和目標點； 再選出對應的子數(shù)據(jù)庫計算手繪輪廓包圍的區(qū)域的特征向量和語義輪廓數(shù)據(jù)庫中同類目標的輪廓圖像的特征向量，依次比較兩個特征向量的歐氏距離，將歐氏距離小于2的輪廓圖像作為該區(qū)域對應的子數(shù)據(jù)庫；同時，先設計與識別標簽將導航環(huán)境中可能的參考目標貼上統(tǒng)一的標簽，標簽大小，外觀必須一致，且至少包含顏色A和顏色B兩種不同顏色，利用HSI顏色空間的色調(diào)信息H和飽和度信息S對標簽進行識別，其中顏色A和顏色B滿足 IHa-Hb彡40且S彡40，式中，Ha表示顏色A的色調(diào)，Hb表示顏色B的色調(diào)；再進行目標分割將標簽的中心位置設置為種子點，而后檢查該種子點的8鄰域，將與種子點的色調(diào)和飽和度都相差不小于20的像素點擴展為該種子的區(qū)域，接著繼續(xù)檢查該種子區(qū)域的8鄰域， 直至該種子區(qū)域的8鄰域不再存在滿足上述條件的點，就得到了該標簽對應參考目標的分割區(qū)域。2)將步驟1)中子數(shù)據(jù)庫包括的圖像和分割區(qū)域進行匹配對子數(shù)據(jù)庫中的圖像計算其特征向量均值F和和協(xié)方差矩陣S，計算分割區(qū)域的特征向量V，并計算ν與F的馬氏距尚dM
權利要求
1. 一種基于手繪輪廓語義地圖的移動機器人視覺導航方法，其特征在于，包括如下步驟1)先繪制手繪輪廓語義地圖①根據(jù)參考目標在實際環(huán)境中所處的大體位置，在繪圖面板中對應的大致位置手繪參考目標的輪廓，并標注該輪廓的語義信息；②根據(jù)機器人在實際地圖中的概略位置和方向，繪制機器人的大致位姿信息和運行路徑的起點，然后繪制運行路徑和目標點；再選出對應的子數(shù)據(jù)庫計算手繪輪廓包圍的區(qū)域的特征向量和語義輪廓數(shù)據(jù)庫中同類目標的輪廓圖像的特征向量，依次比較兩個特征向量的歐氏距離，將歐氏距離小于2的輪廓圖像作為該區(qū)域對應的子數(shù)據(jù)庫；同時，先設計與識別標簽將導航環(huán)境中可能的參考目標貼上統(tǒng)一的標簽，該標簽至少包含顏色A和顏色B兩種不同顏色，利用HSI顏色空間的色調(diào)信息H和飽和度信息S對標簽進行識別，其中顏色A和顏色B滿足 IHa-Hb彡40且S彡40，式中，Ha表示顏色A的色調(diào)，Hb表示顏色B的色調(diào)；再進行目標分割將標簽的中心位置設置為種子點，而后檢查該種子點的8鄰域，將與種子點的色調(diào)和飽和度都相差不小于20的像素點擴展為該種子的區(qū)域，接著繼續(xù)檢查該種子區(qū)域的8鄰域， 直至該種子區(qū)域的8鄰域不再存在滿足上述條件的點，就得到了該標簽對應參考目標的分割區(qū)域。2)將步驟1)中子數(shù)據(jù)庫包括的圖像和分割區(qū)域進行匹配對子數(shù)據(jù)庫中的圖像計算其特征向量均值F和和協(xié)方差矩陣S，計算分割區(qū)域的特征向量V，并計算V與F的馬氏距離
2.根據(jù)權利要求1所述一種基于手繪輪廓語義地圖的移動機器人視覺導航方法，其特征在于所述步驟1)中，將所述路徑分成幾段，每段都有一個關鍵引導點，將機器人引導到關鍵引導點附近，然后向著下一個關鍵引導點運行。
3.根據(jù)權利要求2所述一種基于手繪輪廓語義地圖的移動機器人視覺導航方法，其特征在于所述關鍵引導點間的運行方式為直線運行。
4.根據(jù)權利要求1所述一種基于手繪輪廓語義地圖的移動機器人視覺導航方法，其特征在于所述標簽包括外圍藍色邊框和里面交錯設置的紅色和綠色小矩形框各兩個，將H、 S分量線性擴展到
中Hi.'J35<//< 125 5>4ι 在對標簽的識別過程中，首先找到外圍的藍色邊框，若存在藍色邊框，則對其內(nèi)部小矩形框進行分析，若滿足下式之一，則認為標簽識別成功
5.根據(jù)權利要求1所述一種基于手繪輪廓語義地圖的移動機器人視覺導航方法，其特征在于所述步驟1)和步驟2、中特征向量的計算方法為 Pseudo-Zernike矩的離散形式為
6.根據(jù)權利要求1所述一種基于手繪輪廓語義地圖的移動機器人視覺導航方法，其特征在于還包括步驟4)基于預測估計的機器人導航(1)預測估計方法兩個黑色節(jié)點表示此時的關鍵引導點和下一個關鍵引導點，設機器人Robot已經(jīng)處在關鍵引導點^lis并且朝向兩關鍵引導點^lis和Nnext之間連線^C 的方向，關鍵引導點Nthis和Nnrart線段之間的兩個灰色節(jié)點Na5和Na75分別表示在矢量方向上與關鍵引導點 Nthis 相距在 0. 5Dist (Nthis,Nnext)和 0. 75Dist (Nthis,Nnext)的位置，其中Dist (Nthis, Nnext)表示兩點Nthis和Nnext之間的距離；目標1至目標4是點Nnext周圍與其相距在一定攝像機視野范圍內(nèi)的環(huán)境中的目標，Cl1至d4以及α工至α 4分別表示各個目標與點Nnrart的距離以及各個目標與機器人運行方向^C的夾角，提出了兩個約束函 0d<0.5D
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于手繪輪廓語義地圖的移動機器人視覺導航方法，包括如下步驟繪制手繪輪廓語義地圖；選擇對應的子數(shù)據(jù)庫；標簽的設計與識別；目標分割；將子數(shù)據(jù)庫包括的圖像和分割區(qū)域進行匹配；機器人粗定位；機器人導航。本發(fā)明通過在復雜環(huán)境中的可能參考目標上貼統(tǒng)一的標簽，根據(jù)手繪輪廓語義地圖的指導，利用機器人自帶的單目攝像機作為主要的傳感器來引導機器人運行，利用聲納來輔助機器人進行避障，并融合里程計信息來粗略定位，最終在它們的相互協(xié)作下完成導航任務。機器人利用本發(fā)明的方法，不需要精確環(huán)境地圖及精確運行路徑就能順利導航，并能實時有效地避開動態(tài)障礙物。
文檔編號G01C21/32GK102313547SQ20111013763
公開日2012年1月11日 申請日期2011年5月26日 優(yōu)先權日2011年5月26日
發(fā)明者吳雪建, 張秀龍, 李新德, 金曉彬 申請人:東南大學