本發(fā)明屬于室內(nèi)定位
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種基于信標(biāo)的室內(nèi)定位系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
：室內(nèi)定位是室內(nèi)機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前主要靠GPS、有源信標(biāo)等方法進(jìn)行定位。在室內(nèi)GPS因受到房屋的屏蔽，導(dǎo)致定位精度大大降低；有源信標(biāo)，如藍(lán)牙，WLAN等，安裝較為不方便，而且定位精度在人多或環(huán)境變化的時(shí)候精度會(huì)降低。圖像處理也應(yīng)用到該領(lǐng)域，通過攝像頭觀察周圍信息，進(jìn)行幀間特征點(diǎn)匹配，進(jìn)而進(jìn)行室內(nèi)定位，不過其計(jì)算量較大，實(shí)時(shí)性差，同時(shí)也易受到環(huán)境變化的干擾。專利一種室內(nèi)視覺定位系統(tǒng)及方法(申請(qǐng)?zhí)枮?01410504875.5)，公開了一種室內(nèi)視覺定位系統(tǒng)及方法，包括電源模塊、傳感器組、信息處理模塊，還包括前置面板、無線通信模塊，并在前置面板上設(shè)置了定位燈組。室內(nèi)視覺定位裝置的兩個(gè)攝像機(jī)可以靈活部署于墻壁和移動(dòng)載體上，具有雙目視覺和單目視覺兩種工作模式?；谠撗b置的定位方法，首先，利用攝像機(jī)的前置面板信息，標(biāo)定雙目視覺系統(tǒng)外參數(shù)；其次，利用雙目視覺測量準(zhǔn)確信息構(gòu)建地圖，為后續(xù)單目視覺定位模式提供先驗(yàn)知識(shí)；最后，運(yùn)用地圖中蘊(yùn)含的點(diǎn)、線、面、距離等知識(shí)，啟動(dòng)單目視覺定位模式，實(shí)現(xiàn)高效快速定位。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)視覺定位方法不能兼顧精度、速度的問題，提高了定位系統(tǒng)的靈活性和自動(dòng)但是仍然存在計(jì)算量較大，實(shí)時(shí)性差，容易受到環(huán)境變化的干擾的問題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種基于信標(biāo)的室內(nèi)定位系統(tǒng)和方法，通過自動(dòng)學(xué)習(xí)，將天花板信標(biāo)的信標(biāo)庫建立出來，并根據(jù)信標(biāo)庫對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定位，處理速度快，抗干擾能力強(qiáng)。本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案：一種基于信標(biāo)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，包括：機(jī)器人、天花板、和若干信標(biāo)；所述機(jī)器人頂部設(shè)有圖像采集模塊，機(jī)器人內(nèi)部設(shè)有圖像處理模塊、建庫模塊和定位模塊；所述信標(biāo)分散設(shè)置于所述天花板上；每一個(gè)信標(biāo)具有獨(dú)特的ID信息、方向信息以及實(shí)際位置信息，所述ID信息由信標(biāo)的形狀、內(nèi)部孔洞位置和數(shù)量決定，所述方向信息由信標(biāo)上的缺口方向決定，所述實(shí)際位置信息由信標(biāo)的特征點(diǎn)在天花板中的坐標(biāo)決定；所述圖像采集模塊隨著所述機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，拍攝、采集天花板及信標(biāo)的圖像；所述圖像處理模塊，采集所述位置信號(hào)獲取裝置得到的天花板及信標(biāo)的圖像并進(jìn)行處理，得到信標(biāo)的圖像信息，包括信標(biāo)的ID信息，信標(biāo)特征點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，以及信標(biāo)在圖像坐標(biāo)系中的方向信息；所述建庫模塊，在第一次檢測到信標(biāo)時(shí)確立世界坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系，使其坐標(biāo)原點(diǎn)重合，坐標(biāo)方向與信標(biāo)的方向一致，坐標(biāo)原點(diǎn)為信標(biāo)的特征點(diǎn)，然后將該信標(biāo)以(0,0)坐標(biāo)信息和0°方向信息存入信標(biāo)庫中；之后檢測計(jì)算出世界坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系的比例關(guān)系，通過比較新檢測到的信標(biāo)和在同一圖像中的庫中信標(biāo)在該圖像中的相對(duì)位置關(guān)系，推斷出該信標(biāo)在圖像坐標(biāo)系中的位置和方向，并結(jié)合其ID信息將其存儲(chǔ)到信標(biāo)庫中,為定位模塊提供定位所需的信標(biāo)庫，相同的環(huán)境只建庫一次；所述定位模塊，通過對(duì)圖像處理模塊處理得到的機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置對(duì)應(yīng)的天花板及信標(biāo)的圖像信息，與建庫模塊中存儲(chǔ)的信標(biāo)信息進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合所述建庫模塊得到的世界坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系的比例關(guān)系，獲得機(jī)器人實(shí)時(shí)位置信息。優(yōu)選的，所述圖像采集模塊為攝像頭，所述攝像頭豎直向上設(shè)于所述機(jī)器人頂部；優(yōu)選的，所述信標(biāo)為帶有一個(gè)缺角的正方形，所述ID信息由在其上布置的孔洞位置和數(shù)量表示；所述特征點(diǎn)為信標(biāo)的中心點(diǎn)rc，所述實(shí)際位置信息是由所述信標(biāo)的中心點(diǎn)rc在天花板中的坐標(biāo)表示；所述缺角使信標(biāo)具有方向性，所述方向信息是由中心點(diǎn)rc指向正方形缺角的方向v表示。一種基于信標(biāo)的室內(nèi)定位方法，其步驟包括：一、設(shè)置信標(biāo)：在天花板上設(shè)置若干信標(biāo)，并分別賦予信標(biāo)不同的ID信息(由信標(biāo)的形狀、內(nèi)部孔洞位置和數(shù)量決定)、方向信息(由信標(biāo)上的缺角方向決定，使得信標(biāo)能且只能表征唯一的方向)及實(shí)際位置信息(由信標(biāo)的特征點(diǎn)在天花板中的實(shí)際坐標(biāo)決定)；信標(biāo)布置的位置沒有精度要求，間隔距離合適即可，但要保證機(jī)器人在學(xué)習(xí)過程中，在一個(gè)新信標(biāo)建庫時(shí)要至少已有另一個(gè)庫中的信標(biāo)存在于拍攝的圖像中。二、獲取天花板及信標(biāo)圖像；機(jī)器人啟動(dòng)，開始在地面移動(dòng)，所述圖像采集模塊拍攝、采集天花板及信標(biāo)圖像。三、圖像處理：所述圖像處理模塊對(duì)所述位置信號(hào)獲取裝置拍攝得到的天花板及信標(biāo)圖像進(jìn)行處理，得到信標(biāo)的圖像信息，包括所述信標(biāo)的ID信息，信標(biāo)特征點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，以及信標(biāo)在圖像坐標(biāo)系中的方向信息。四、信標(biāo)庫建庫：首先確定世界坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系，使得世界坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，方向相同；其次把拍攝到的第一個(gè)信標(biāo)的圖像信息(包括所述信標(biāo)的ID信息，信標(biāo)特征點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，以及信標(biāo)在圖像坐標(biāo)系中的方向信息)進(jìn)行存庫；然后檢測該信標(biāo)在圖像中的面積，與實(shí)際面積對(duì)比，獲得世界坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系的比例關(guān)系，用于后期定位過程中；在下一個(gè)新的信標(biāo)出現(xiàn)在拍攝的圖像中時(shí)，要有已存庫的信標(biāo)存在于相同的圖像中，這樣通過兩個(gè)信標(biāo)在圖像中的相對(duì)位置關(guān)系，推斷出在圖像坐標(biāo)系中的相對(duì)位置關(guān)系并存儲(chǔ)到庫中；最終處理、存儲(chǔ)所有信標(biāo)的圖像信息，得到完整的信標(biāo)庫。優(yōu)選的，信標(biāo)特征點(diǎn)為其中心點(diǎn)，經(jīng)圖像處理模塊處理后得到信標(biāo)的圖像信息為信標(biāo)的ID信息、信標(biāo)中心點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(xc,yc)以及信標(biāo)在圖像坐標(biāo)系中的方向θ；在第一次識(shí)別到一個(gè)信標(biāo)時(shí)，將該信標(biāo)的實(shí)際中心點(diǎn)rc作為世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)，該信標(biāo)的方向(中心點(diǎn)rc指向正方形缺角的方向v)作為世界坐標(biāo)系的方向，其坐標(biāo)信息為(0,0)，角度為0，連同其ID信息存入至信標(biāo)庫；以同樣的原點(diǎn)和方向建立圖像坐標(biāo)系，這樣世界坐標(biāo)系和全局圖像坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，方向相同，但尺度有一定的比例關(guān)系，其比例值k通過識(shí)別到的第一個(gè)信標(biāo)的面積p_area與實(shí)際的面積r_area計(jì)算得到,k＝p_area/r_area。五、實(shí)時(shí)定位：機(jī)器人任意在具有信標(biāo)的位置移動(dòng)，機(jī)器人本身的坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系一致，在運(yùn)動(dòng)的過程中拍攝天花板及信標(biāo)的圖像；定位模塊通過對(duì)圖像處理模塊獲取的機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置對(duì)應(yīng)的天花板及信標(biāo)的圖像信息，與建庫模塊中存儲(chǔ)的信標(biāo)庫進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合所述建庫模塊中確定的世界坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系的比例關(guān)系，判斷該圖像在圖像坐標(biāo)系的位置和方向，從而獲得機(jī)器人在世界坐標(biāo)系中的實(shí)時(shí)位置和方向，完成定位。所述定位模塊的具體定位方法為：信標(biāo)在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)與在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：kukv1=cosφ-sinφPxsinφcosφPy001xwyw1]]>其中，(u，v)表示信標(biāo)在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，（Px，Py)表示世界坐標(biāo)系相對(duì)于圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo),(xw，yw)表示天花板上的信標(biāo)的特征點(diǎn)Pi在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，表示機(jī)器人的方向角信標(biāo)庫中存儲(chǔ)的信標(biāo)圖像信息關(guān)系如下：kuikvi1=cosφi-sinφiPxisinφicosφiPyi001xwiywi1---(1)]]>實(shí)際定位時(shí)，位置信號(hào)獲取裝置所得到的圖像信標(biāo)信息和信標(biāo)實(shí)際位置坐標(biāo)的關(guān)系如下kui+1kvi+11=cosφi+1-sinφi+1Pxi+1sinφi+1cosφi+1Pyi+1001xwi+1ywi+11]]>(2)]]>其中xwi＝xwi+1，ywi＝y(tǒng)wi+1，(1)(2)兩式結(jié)合消去天花板上信標(biāo)特征點(diǎn)Pi在世界坐標(biāo)系坐標(biāo)(xwi，ywi)，(xwi+1，ywi+1)，得：ΔPx＝Pxi+1-Pxi＝c1cosφi+c2sinφiΔPy＝Pyi+1-Pyi＝-c1sinφi+c2cosφi式中，c1＝k(ui+1-uicosΔφi+visinΔφi)+PxicosΔφi-PyisinΔφi-Pxic2＝k(vi+1-uisinΔφi-vicosΔφi)+PxisinΔφi-PyicosΔφi-Pyi其中，ΔPx和ΔPy表示圖像坐標(biāo)系中，世界坐標(biāo)系相對(duì)于兩組不同的圖像坐標(biāo)系的位置關(guān)系，通過坐標(biāo)變換可以得到機(jī)器人待定位位置與相應(yīng)的信標(biāo)庫中的位置的關(guān)系，從而計(jì)算出機(jī)器人待定位位置。本發(fā)明的有益效果是：通過豎直向上的圖像采集模塊拍攝天花板及信標(biāo)圖像，圖像處理模塊、建庫模塊、定位模塊分析處理獲得機(jī)器人的當(dāng)前位置，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)實(shí)時(shí)絕對(duì)定位，該方法處理速度快，抗干擾能力強(qiáng)。附圖說明附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中：圖1是本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明信標(biāo)實(shí)施例示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例工作流程圖。具體實(shí)施方式實(shí)施例如下，如圖1所示，一種基于信標(biāo)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，包括機(jī)器人1和天花板3，機(jī)器人1的頂部設(shè)有豎直向上的攝像頭2，天花板3上布置若干信標(biāo)4。所述信標(biāo)如圖2所示，信標(biāo)形狀為帶有一個(gè)缺角的正方形，缺角使信標(biāo)具有方向性。通過在其上布置的孔洞位置和數(shù)量的不同表示信標(biāo)中不同的ID信息。為了表示方便，我們用中心點(diǎn)rc和一個(gè)向量v的方向來表征信標(biāo)的位置和方向。rc是正方形信標(biāo)的中心，v是由中心點(diǎn)rc指向正方形缺口的方向。信標(biāo)布置的位置沒有精度要求，間隔距離合適即可，但要保證機(jī)器人在學(xué)習(xí)過程中，在新信標(biāo)入庫時(shí)要至少有另一個(gè)庫中的信標(biāo)存在于拍攝的圖像中。工作流程圖如圖3所示，機(jī)器人啟動(dòng)，開始在地面移動(dòng)，攝像頭豎直向上，拍攝采集天花板及信標(biāo)圖像，通過圖像處理模塊獲取信標(biāo)的ID信息、信標(biāo)中心點(diǎn)在當(dāng)前圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(xc,yc)，以及信標(biāo)在當(dāng)前圖像坐標(biāo)系中的方向信息(θ)。在第一次識(shí)別到一個(gè)信標(biāo)時(shí)，將該信標(biāo)的實(shí)際中心點(diǎn)作為世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)，該信標(biāo)向量v的方向作為世界坐標(biāo)系的方向，建立圖像坐標(biāo)系，以第一個(gè)識(shí)別到的信標(biāo)的中心點(diǎn)作為圖像坐標(biāo)系原點(diǎn)，該信標(biāo)的方向作為圖像坐標(biāo)系的方向，這樣，世界坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，方向相同，但尺度有一定的比例關(guān)系值k，表示圖像中1個(gè)像素代表的實(shí)際長度，該值通過識(shí)別到的第一個(gè)信標(biāo)的面積p_area與實(shí)際的面積r_area計(jì)算得到,k＝p_area/r_area。在學(xué)習(xí)過程中，信標(biāo)庫被建立，信標(biāo)庫存儲(chǔ)了信標(biāo)的ID信息，信標(biāo)在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，以及在圖像坐標(biāo)系中的方向信息。識(shí)別到第一個(gè)信標(biāo)后，其坐標(biāo)信息為(0,0)，角度為0，連同其ID信息存入至信標(biāo)庫。在識(shí)別到新的信標(biāo)時(shí)，首先獲取在當(dāng)前圖像中其與已經(jīng)存庫的信標(biāo)的相對(duì)位置關(guān)系，結(jié)合庫中所存的信息，獲得該新信標(biāo)在圖像坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)和方向，并將其存入庫中，用這種方法將所有的信標(biāo)都存入信標(biāo)庫中，并完成圖像坐標(biāo)系的建立。為了保證上述工作的順利完成，要求信標(biāo)的布置要滿足在一張圖像中同時(shí)可以看到至少兩個(gè)信標(biāo)的要求。機(jī)器人本身的坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系一致，在運(yùn)動(dòng)的過程中拍攝圖像，通過庫中信標(biāo)在當(dāng)前圖像中的位置和方向，判斷該圖像在圖像坐標(biāo)系的位置，從而通過比例關(guān)系k獲得機(jī)器人在世界坐標(biāo)系中的位置和方向，完成實(shí)時(shí)定位的目的。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3