本發(fā)明涉及移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域，尤其是涉及了一種基于交互方式限制移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間的方法。

背景技術(shù)：

移動(dòng)機(jī)器人常用于服務(wù)、倉(cāng)儲(chǔ)物流、制造業(yè)等領(lǐng)域，代替或部分代替人類(lèi)進(jìn)行相應(yīng)工作。具體地，目前活躍在服務(wù)領(lǐng)域的移動(dòng)機(jī)器人主要通過(guò)裝載攝像頭，托餐盤(pán)、智能觸屏界面等可實(shí)現(xiàn)迎賓取號(hào)、咨詢(xún)接待、信息查詢(xún)、業(yè)務(wù)引導(dǎo)、物品運(yùn)送等業(yè)務(wù)。在制造業(yè)領(lǐng)域主要應(yīng)用于生產(chǎn)線上下料的搬運(yùn)，車(chē)間與倉(cāng)庫(kù)間的轉(zhuǎn)運(yùn)出入庫(kù)以及作為生產(chǎn)線上的移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行裝配工作。在倉(cāng)儲(chǔ)物流領(lǐng)域主要應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)中心貨物的智能揀選、位移，立體車(chē)庫(kù)的小車(chē)出入庫(kù)以及港口碼頭機(jī)場(chǎng)的貨柜轉(zhuǎn)運(yùn)。雖然移動(dòng)機(jī)器人的工作空間受到建筑物或家具的限制，但是由于隱私問(wèn)題或根據(jù)具體情況，人們不希望移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)到某些其他的特定區(qū)域，所以進(jìn)一步限制機(jī)器人的工作空間顯得尤為必要。

本發(fā)明提出了一種基于交互方式限制移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間的方法，引入虛擬邊界來(lái)精確和靈活地定義移動(dòng)機(jī)器人的工作空間。搭建了一個(gè)向二維平面運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人教授虛擬邊界的框架，利用交互式的方法，可適用于多種不同的人機(jī)接口，利用基于視覺(jué)標(biāo)記的方法，通過(guò)標(biāo)記的切換實(shí)現(xiàn)在初始化、記錄、保留三種狀態(tài)下指定一個(gè)自定義的虛擬邊界，從而限制移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間。本發(fā)明突破了現(xiàn)有方法需要專(zhuān)業(yè)人士才可自定義機(jī)器人工作空間的局限，允許非專(zhuān)業(yè)用戶(hù)無(wú)需編程技能即可對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的工作空間進(jìn)行自定義，并且可以很容易適應(yīng)不同的人機(jī)接口，如手勢(shì)等，同時(shí)保證了其高精確度，為移動(dòng)機(jī)器人的普及提供了有利的基礎(chǔ)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有方法需要專(zhuān)業(yè)人士才可自定義移動(dòng)機(jī)器人工作空間的局限，提出了一種交互式教學(xué)框架，允許非專(zhuān)業(yè)用戶(hù)無(wú)需編程技能即可對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的工作空間進(jìn)行自定義，并且可以很容易適應(yīng)不同的人機(jī)接口，如手勢(shì)等，同時(shí)保證了其高精確度，為移動(dòng)機(jī)器人的普及提供了有利的基礎(chǔ)。

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于交互方式限制移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間的方法，其主要內(nèi)容包括：

(一)虛擬邊界教學(xué)的框架；

(二)基于視覺(jué)標(biāo)記的邊界教學(xué)方法。

其中，所述的虛擬邊界教學(xué)的框架，學(xué)習(xí)框架基于影像技術(shù)，令移動(dòng)機(jī)器人遵循空間位置并記錄其姿態(tài)歷史，位置數(shù)據(jù)還將進(jìn)一步用于定義虛擬邊界多邊形，框架基于事件由表述教學(xué)過(guò)程狀態(tài)的三個(gè)狀態(tài)組成，為了使用這個(gè)框架，一個(gè)具體的實(shí)現(xiàn)只需要以適當(dāng)?shù)姆绞蕉x事件，同時(shí)狀態(tài)的執(zhí)行在不同應(yīng)用之間可以保持不變，可適應(yīng)其他人機(jī)接口，如人類(lèi)手勢(shì)或遠(yuǎn)程控制，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換基于由用戶(hù)交互式觸發(fā)的事件。

進(jìn)一步地，所述的姿態(tài)，一個(gè)二維移動(dòng)機(jī)器人的姿態(tài)被定義為包括機(jī)器人位置(x,y)和相對(duì)于地圖坐標(biāo)系的方向θ的三元組(x,y,θ)，在移動(dòng)環(huán)境的同時(shí)，記錄移動(dòng)機(jī)器人的姿態(tài)直到一定時(shí)間k，記為x0:k，兩個(gè)連續(xù)姿勢(shì)xk-1和xk之間的變換由控制向量uk描述。

進(jìn)一步地，所述的三個(gè)狀態(tài)，用于表述教學(xué)過(guò)程的三個(gè)狀態(tài)如下所述：

(1)初始化：首先讓移動(dòng)機(jī)器人遵循一個(gè)地平面上由用戶(hù)在教學(xué)過(guò)程中指出的位置，可以使用手勢(shì)或一個(gè)調(diào)解器來(lái)提供位置被機(jī)器人跟隨，不局限于具體的人機(jī)交互接口；

(2)記錄：記錄移動(dòng)機(jī)器人在地平面上移動(dòng)的位置，并記錄其姿態(tài)歷史xa:b，機(jī)器人在時(shí)間a進(jìn)入狀態(tài)，并在時(shí)間b離開(kāi)狀態(tài)；

(3)保留：保留移動(dòng)機(jī)器人停止位置，記錄其姿勢(shì)歷史xa:b，從機(jī)器人的姿勢(shì)歷史中提取出虛擬邊界多邊形b，此外，定義移動(dòng)機(jī)器人的保留區(qū)域。

進(jìn)一步地，所述的保留區(qū)域，保留區(qū)域包含兩種可能性：其一是邊界多邊形b的內(nèi)部區(qū)域被設(shè)置為被占用，則機(jī)器人應(yīng)遠(yuǎn)離多邊形的內(nèi)部區(qū)域，有利于將區(qū)域從機(jī)器人的工作空間中排除；另一種可能性是將多邊形的內(nèi)部區(qū)域聲明為空閑，其余部分為被占用，由此定義機(jī)器人的工作區(qū)域，保留區(qū)域由用戶(hù)提供的最后一個(gè)已知位置定義，最后，將虛擬邊界及其保留區(qū)域集成到先前的地圖中，從而產(chǎn)生由實(shí)際和虛擬組成的后驗(yàn)地圖邊界。

進(jìn)一步地，所述的虛擬邊界，將虛擬邊界定義為多邊形p：＝(p1,p2,…,pn)，由n個(gè)點(diǎn)組成，其中為建立地圖mposterior，需給定先驗(yàn)地圖mprior和虛擬邊界地圖mvirtual，先驗(yàn)地圖mprior由普通映射算法構(gòu)成，或者采用過(guò)去教學(xué)過(guò)程的結(jié)果，而虛擬邊界地圖mvirtual是在交互式教學(xué)過(guò)程中構(gòu)建而成的，由邊界多邊形和保留區(qū)域定義，所得到的后驗(yàn)地圖mposterior將包含實(shí)際和虛擬的邊界，它可以作為代價(jià)地圖的基礎(chǔ)用于未來(lái)的導(dǎo)航任務(wù)中。

其中，所述的基于視覺(jué)標(biāo)記的邊界教學(xué)方法，在教學(xué)過(guò)程中使用三種不同的標(biāo)記，標(biāo)記的改變對(duì)應(yīng)兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，最初有一個(gè)初始的環(huán)境地圖，移動(dòng)機(jī)器人只能通過(guò)房間的物理邊界限制在其工作空間，用戶(hù)在機(jī)器人攝像機(jī)的視野內(nèi)放置綠色標(biāo)記，機(jī)器人則開(kāi)始跟隨標(biāo)記，綠色標(biāo)記用于將機(jī)器人引導(dǎo)到起始位置，通過(guò)更改標(biāo)記id為藍(lán)色，機(jī)器人繼續(xù)跟隨標(biāo)記并開(kāi)始記錄其姿態(tài)歷史xa:b，從時(shí)間a開(kāi)始記錄，在時(shí)間b結(jié)束，即離開(kāi)狀態(tài)時(shí)，隨后，用紅色標(biāo)記表示邊界學(xué)習(xí)程序的結(jié)束，機(jī)器人的位置數(shù)據(jù)作為機(jī)器人姿態(tài)歷史xa:b的一部分，被提取出來(lái)以定義虛擬邊界，最后，必須定義保留區(qū)域，由于機(jī)器人不必穿過(guò)地毯，通過(guò)將標(biāo)記放置在多邊形的內(nèi)部來(lái)調(diào)整機(jī)器人的最終旋轉(zhuǎn)，在相對(duì)保留區(qū)域定義工作區(qū)域的情況下，最終的機(jī)器人旋轉(zhuǎn)必須指向多邊形，如果機(jī)器人在時(shí)間t內(nèi)保持不動(dòng)，當(dāng)前設(shè)置為t＝10秒，則教學(xué)過(guò)程成功完成，此外，只要切換標(biāo)記id為綠色，教學(xué)可以在任何其他狀態(tài)下取消。

進(jìn)一步地，所述的教學(xué)方法，需要滿(mǎn)足以下要求：

(1)繪圖：必須提供環(huán)境的先驗(yàn)地圖表示，存儲(chǔ)為占有率網(wǎng)格圖，其概率范圍從[0,1]，未知區(qū)域標(biāo)記為-1，在當(dāng)前實(shí)現(xiàn)中，使用一個(gè)激光掃描器，并基于粒子濾波算法以解決即時(shí)定位與地圖構(gòu)建(slam)問(wèn)題，該地圖進(jìn)一步參考環(huán)境的先驗(yàn)地圖mprior，mprior也可以是先前教學(xué)過(guò)程的結(jié)果地圖；

(2)定位：機(jī)器人需要相對(duì)于地圖的坐標(biāo)系進(jìn)行定位，在當(dāng)前實(shí)現(xiàn)中，選擇使用自適應(yīng)蒙特卡羅定位；

(3)傳感器：機(jī)器人需要單色相機(jī)來(lái)獲取灰度輸入圖像，它必須安裝在機(jī)器人指向機(jī)器人的x軸(前向)上，需要知道相機(jī)的固有參數(shù)，以獲得相對(duì)于相機(jī)框架的標(biāo)記的3d位置。

進(jìn)一步地，所述的視覺(jué)標(biāo)記，虛擬邊界教學(xué)通過(guò)以下視覺(jué)標(biāo)記進(jìn)行，為此，創(chuàng)建了一個(gè)10cm×10cm×10cm的標(biāo)記立方體，立方體上的每個(gè)網(wǎng)點(diǎn)均具有一個(gè)標(biāo)記，生成三種不同的id，為用戶(hù)使用，每個(gè)標(biāo)記大小固定，提供二維圖像特征，并由其四個(gè)角點(diǎn)表示，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)庫(kù)(aruco)執(zhí)行標(biāo)記檢測(cè)和識(shí)別，以從輸入圖像中獲取標(biāo)記，如果固有的相機(jī)參數(shù)被另外給出，則可以估計(jì)標(biāo)記相對(duì)于相機(jī)的姿態(tài)，即可使用單個(gè)相機(jī)獲得標(biāo)記位置的深度信息，這些標(biāo)記位置用于引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行朝向標(biāo)記，標(biāo)記的距離信息作為停止條件并控制機(jī)器人的速度。

進(jìn)一步地，所述的教學(xué)過(guò)程，機(jī)器人的位置r及其相機(jī)位置c描述為藍(lán)色圓柱體，b表示虛擬邊界多邊形，p表示最后一個(gè)已知的標(biāo)記位置，當(dāng)跟隨藍(lán)色標(biāo)記時(shí)，機(jī)器人記錄其姿態(tài)，通過(guò)車(chē)輪測(cè)距法獲取運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)uk，并通過(guò)將uk應(yīng)用于機(jī)器人的先前姿態(tài)xk-1以更新機(jī)器人的新姿態(tài)xk，將姿態(tài)從機(jī)器人的距離坐標(biāo)系變換到地圖的坐標(biāo)系中，當(dāng)標(biāo)記id從藍(lán)色變?yōu)榧t色時(shí)，用戶(hù)可以圍繞其z軸旋轉(zhuǎn)機(jī)器人以指示保留區(qū)域，如果機(jī)器人指向多邊形的內(nèi)部，則將內(nèi)部區(qū)域視為被占用，否則為空閑，基于最后一個(gè)標(biāo)記的位置p，由于機(jī)器人繞其z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從機(jī)器人的當(dāng)前位置指向標(biāo)記的轉(zhuǎn)動(dòng)向量由機(jī)器人的方位θ描述，該向量定義如下：

通過(guò)利用固有的相機(jī)參數(shù)和標(biāo)記的已知尺寸來(lái)確定相機(jī)和標(biāo)記之間的距離隨后，計(jì)算標(biāo)記p的位置：

點(diǎn)p＝(px,py)用于標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)包容測(cè)試φ(px,py,b)∈{t,f}，其中t為真，f為假，虛擬邊界多邊形b定義保留區(qū)域，如果點(diǎn)(px,py)位于多邊形b的內(nèi)部，則該測(cè)試返回真，最后，包含虛擬邊界的地圖mvirtual可以定義如下：

創(chuàng)建虛擬邊界地圖mvirtual后，將其集成到先驗(yàn)地圖mprior環(huán)境中得到后驗(yàn)地圖mposterior：

mposterior(x,y)＝max(mprior(x,y),mvirtual(x,y))(4)

通過(guò)作為2d代價(jià)地圖的基礎(chǔ)來(lái)在未來(lái)導(dǎo)航任務(wù)中限制移動(dòng)機(jī)器人的工作空間是必要的，整個(gè)系統(tǒng)被實(shí)現(xiàn)為ros包，并且可以部署在具有前置單色相機(jī)的任何移動(dòng)機(jī)器人上以感知標(biāo)記立方體，另外，必須滿(mǎn)足上述有關(guān)地圖建立和定位的要求。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種基于交互方式限制移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間的方法的系統(tǒng)框架圖。

圖2是本發(fā)明一種基于交互方式限制移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間的方法的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系圖。

圖3是本發(fā)明一種基于交互方式限制移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間的方法的狀態(tài)圖。

圖4是本發(fā)明一種基于交互方式限制移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間的方法的保留區(qū)域的幾何圖示。

具體實(shí)施方式

需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互結(jié)合，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

圖1是本發(fā)明一種基于交互方式限制移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間的方法的系統(tǒng)框架圖。主要包括虛擬邊界教學(xué)的框架、基于視覺(jué)標(biāo)記的邊界教學(xué)方法。

其中，所述的虛擬邊界教學(xué)的框架，學(xué)習(xí)框架基于影像技術(shù)，令移動(dòng)機(jī)器人遵循空間位置并記錄其姿態(tài)歷史，位置數(shù)據(jù)還將進(jìn)一步用于定義虛擬邊界多邊形，框架基于事件由表述教學(xué)過(guò)程狀態(tài)的三個(gè)狀態(tài)組成，為了使用這個(gè)框架，一個(gè)具體的實(shí)現(xiàn)只需要以適當(dāng)?shù)姆绞蕉x事件，同時(shí)狀態(tài)的執(zhí)行在不同應(yīng)用之間可以保持不變，可適應(yīng)其他人機(jī)接口，如人類(lèi)手勢(shì)或遠(yuǎn)程控制，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換基于由用戶(hù)交互式觸發(fā)的事件。

進(jìn)一步地，所述的姿態(tài)，一個(gè)二維移動(dòng)機(jī)器人的姿態(tài)被定義為包括機(jī)器人位置(x,y)和相對(duì)于地圖坐標(biāo)系的方向θ的三元組(x,y,θ)，在移動(dòng)環(huán)境的同時(shí)，記錄移動(dòng)機(jī)器人的姿態(tài)直到一定時(shí)間k，記為x0:k，兩個(gè)連續(xù)姿勢(shì)xk-1和xk之間的變換由控制向量uk描述。

進(jìn)一步地，所述的三個(gè)狀態(tài)，用于表述教學(xué)過(guò)程的三個(gè)狀態(tài)如下所述：

(1)初始化：首先讓移動(dòng)機(jī)器人遵循一個(gè)地平面上由用戶(hù)在教學(xué)過(guò)程中指出的位置，可以使用手勢(shì)或一個(gè)調(diào)解器來(lái)提供位置被機(jī)器人跟隨，不局限于具體的人機(jī)交互接口；

(2)記錄：記錄移動(dòng)機(jī)器人在地平面上移動(dòng)的位置，并記錄其姿態(tài)歷史xa:b，機(jī)器人在時(shí)間a進(jìn)入狀態(tài)，并在時(shí)間b離開(kāi)狀態(tài)；

(3)保留：保留移動(dòng)機(jī)器人停止位置，記錄其姿勢(shì)歷史xa:b，從機(jī)器人的姿勢(shì)歷史中提取出虛擬邊界多邊形b，此外，定義移動(dòng)機(jī)器人的保留區(qū)域。

進(jìn)一步地，所述的保留區(qū)域，保留區(qū)域包含兩種可能性：其一是邊界多邊形b的內(nèi)部區(qū)域被設(shè)置為被占用，則機(jī)器人應(yīng)遠(yuǎn)離多邊形的內(nèi)部區(qū)域，有利于將區(qū)域從機(jī)器人的工作空間中排除；另一種可能性是將多邊形的內(nèi)部區(qū)域聲明為空閑，其余部分為被占用，由此定義機(jī)器人的工作區(qū)域，保留區(qū)域由用戶(hù)提供的最后一個(gè)已知位置定義，最后，將虛擬邊界及其保留區(qū)域集成到先前的地圖中，從而產(chǎn)生由實(shí)際和虛擬組成的后驗(yàn)地圖邊界。

進(jìn)一步地，所述的虛擬邊界，將虛擬邊界定義為多邊形p：＝(p1,p2,…,pn)，由n個(gè)點(diǎn)組成，其中為建立地圖mposterior，需給定先驗(yàn)地圖mprior和虛擬邊界地圖mvirtual，先驗(yàn)地圖mprior由普通映射算法構(gòu)成，或者采用過(guò)去教學(xué)過(guò)程的結(jié)果，而虛擬邊界地圖mvirtual是在交互式教學(xué)過(guò)程中構(gòu)建而成的，由邊界多邊形和保留區(qū)域定義，所得到的后驗(yàn)地圖mposterior將包含實(shí)際和虛擬的邊界，它可以作為代價(jià)地圖的基礎(chǔ)用于未來(lái)的導(dǎo)航任務(wù)中。

其中，所述的基于視覺(jué)標(biāo)記的邊界教學(xué)方法，在教學(xué)過(guò)程中使用三種不同的標(biāo)記，標(biāo)記的改變對(duì)應(yīng)兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，最初有一個(gè)初始的環(huán)境地圖，移動(dòng)機(jī)器人只能通過(guò)房間的物理邊界限制在其工作空間，用戶(hù)在機(jī)器人攝像機(jī)的視野內(nèi)放置綠色標(biāo)記，機(jī)器人則開(kāi)始跟隨標(biāo)記，綠色標(biāo)記用于將機(jī)器人引導(dǎo)到起始位置，通過(guò)更改標(biāo)記id為藍(lán)色，機(jī)器人繼續(xù)跟隨標(biāo)記并開(kāi)始記錄其姿態(tài)歷史xa:b，從時(shí)間a開(kāi)始記錄，在時(shí)間b結(jié)束，即離開(kāi)狀態(tài)時(shí)，隨后，用紅色標(biāo)記表示邊界學(xué)習(xí)程序的結(jié)束，機(jī)器人的位置數(shù)據(jù)作為機(jī)器人姿態(tài)歷史xa:b的一部分，被提取出來(lái)以定義虛擬邊界，最后，必須定義保留區(qū)域，由于機(jī)器人不必穿過(guò)地毯，通過(guò)將標(biāo)記放置在多邊形的內(nèi)部來(lái)調(diào)整機(jī)器人的最終旋轉(zhuǎn)，在相對(duì)保留區(qū)域定義工作區(qū)域的情況下，最終的機(jī)器人旋轉(zhuǎn)必須指向多邊形，如果機(jī)器人在時(shí)間t內(nèi)保持不動(dòng)，當(dāng)前設(shè)置為t＝10秒，則教學(xué)過(guò)程成功完成，此外，只要切換標(biāo)記id為綠色，教學(xué)可以在任何其他狀態(tài)下取消。

進(jìn)一步地，所述的教學(xué)方法，需要滿(mǎn)足以下要求：

(1)繪圖：必須提供環(huán)境的先驗(yàn)地圖表示，存儲(chǔ)為占有率網(wǎng)格圖，其概率范圍從[0,1]，未知區(qū)域標(biāo)記為-1，在當(dāng)前實(shí)現(xiàn)中，使用一個(gè)激光掃描器，并基于粒子濾波算法以解決即時(shí)定位與地圖構(gòu)建(slam)問(wèn)題，該地圖進(jìn)一步參考環(huán)境的先驗(yàn)地圖mprior，mprior也可以是先前教學(xué)過(guò)程的結(jié)果地圖；

(2)定位：機(jī)器人需要相對(duì)于地圖的坐標(biāo)系進(jìn)行定位，在當(dāng)前實(shí)現(xiàn)中，選擇使用自適應(yīng)蒙特卡羅定位；

(3)傳感器：機(jī)器人需要單色相機(jī)來(lái)獲取灰度輸入圖像，它必須安裝在機(jī)器人指向機(jī)器人的x軸(前向)上，需要知道相機(jī)的固有參數(shù)，以獲得相對(duì)于相機(jī)框架的標(biāo)記的3d位置。

進(jìn)一步地，所述的視覺(jué)標(biāo)記，虛擬邊界教學(xué)通過(guò)以下視覺(jué)標(biāo)記進(jìn)行，為此，創(chuàng)建了一個(gè)10cm×10cm×10cm的標(biāo)記立方體，立方體上的每個(gè)網(wǎng)點(diǎn)均具有一個(gè)標(biāo)記，生成三種不同的id，為用戶(hù)使用，每個(gè)標(biāo)記大小固定，提供二維圖像特征，并由其四個(gè)角點(diǎn)表示，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)庫(kù)(aruco)執(zhí)行標(biāo)記檢測(cè)和識(shí)別，以從輸入圖像中獲取標(biāo)記，如果固有的相機(jī)參數(shù)被另外給出，則可以估計(jì)標(biāo)記相對(duì)于相機(jī)的姿態(tài)，即可使用單個(gè)相機(jī)獲得標(biāo)記位置的深度信息，這些標(biāo)記位置用于引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行朝向標(biāo)記，標(biāo)記的距離信息作為停止條件并控制機(jī)器人的速度。

進(jìn)一步地，所述的教學(xué)過(guò)程，機(jī)器人的位置r及其相機(jī)位置c描述為藍(lán)色圓柱體，b表示虛擬邊界多邊形，p表示最后一個(gè)已知的標(biāo)記位置，當(dāng)跟隨藍(lán)色標(biāo)記時(shí)，機(jī)器人記錄其姿態(tài)，通過(guò)車(chē)輪測(cè)距法獲取運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)uk，并通過(guò)將uk應(yīng)用于機(jī)器人的先前姿態(tài)xk-1以更新機(jī)器人的新姿態(tài)xk，將姿態(tài)從機(jī)器人的距離坐標(biāo)系變換到地圖的坐標(biāo)系中，當(dāng)標(biāo)記id從藍(lán)色變?yōu)榧t色時(shí)，用戶(hù)可以圍繞其z軸旋轉(zhuǎn)機(jī)器人以指示保留區(qū)域，如果機(jī)器人指向多邊形的內(nèi)部，則將內(nèi)部區(qū)域視為被占用，否則為空閑，基于最后一個(gè)標(biāo)記的位置p，由于機(jī)器人繞其z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從機(jī)器人的當(dāng)前位置指向標(biāo)記的轉(zhuǎn)動(dòng)向量由機(jī)器人的方位θ描述，該向量定義如下：

通過(guò)利用固有的相機(jī)參數(shù)和標(biāo)記的已知尺寸來(lái)確定相機(jī)和標(biāo)記之間的距離隨后，計(jì)算標(biāo)記p的位置：

點(diǎn)p＝(px,py)用于標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)包容測(cè)試φ(px,py,b)∈{t,f}，其中t為真，f為假，虛擬邊界多邊形b定義保留區(qū)域，如果點(diǎn)(px,py)位于多邊形b的內(nèi)部，則該測(cè)試返回真，最后，包含虛擬邊界的地圖mvirtual可以定義如下：

創(chuàng)建虛擬邊界地圖mvirtual后，將其集成到先驗(yàn)地圖mprior環(huán)境中得到后驗(yàn)地圖mposterior：

mposterior(x,y)＝max(mprior(x,y),mvirtual(x,y))(4)

通過(guò)作為2d代價(jià)地圖的基礎(chǔ)來(lái)在未來(lái)導(dǎo)航任務(wù)中限制移動(dòng)機(jī)器人的工作空間是必要的，整個(gè)系統(tǒng)被實(shí)現(xiàn)為ros包，并且可以部署在具有前置單色相機(jī)的任何移動(dòng)機(jī)器人上以感知標(biāo)記立方體，另外，必須滿(mǎn)足上述有關(guān)地圖建立和定位的要求。

圖2是本發(fā)明一種基于交互方式限制移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間的方法的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系圖。包含三個(gè)狀態(tài)及其相互之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，框架基于影像技術(shù)，令移動(dòng)機(jī)器人遵循空間位置并記錄其姿態(tài)歷史，位置數(shù)據(jù)還將進(jìn)一步用于定義虛擬邊界多邊形，框架基于事件由表述教學(xué)過(guò)程狀態(tài)的三個(gè)狀態(tài)組成，為了使用這個(gè)框架，一個(gè)具體的實(shí)現(xiàn)只需要以適當(dāng)?shù)姆绞蕉x事件，同時(shí)狀態(tài)的執(zhí)行在不同應(yīng)用之間可以保持不變，可適應(yīng)其他人機(jī)接口，如人類(lèi)手勢(shì)或遠(yuǎn)程控制，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換基于由用戶(hù)交互式觸發(fā)的事件。三個(gè)狀態(tài)如下所述：

(1)初始化：首先讓移動(dòng)機(jī)器人遵循一個(gè)地平面上由用戶(hù)在教學(xué)過(guò)程中指出的位置，可以使用手勢(shì)或一個(gè)調(diào)解器來(lái)提供位置被機(jī)器人跟隨，不局限于具體的人機(jī)交互接口；

(2)記錄：記錄移動(dòng)機(jī)器人在地平面上移動(dòng)的位置，并記錄其姿態(tài)歷史xa:b，機(jī)器人在時(shí)間a進(jìn)入狀態(tài)，并在時(shí)間b離開(kāi)狀態(tài)；

(3)保留：保留移動(dòng)機(jī)器人停止位置，記錄其姿勢(shì)歷史xa:b，從機(jī)器人的姿勢(shì)歷史中提取出虛擬邊界多邊形b，此外，定義移動(dòng)機(jī)器人的保留區(qū)域。

圖3是本發(fā)明一種基于交互方式限制移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間的方法的狀態(tài)圖。圖中所示為基于標(biāo)記的教學(xué)方法的三種狀態(tài)，(a)指導(dǎo)機(jī)器人關(guān)于邊界學(xué)習(xí)過(guò)程的起始位置；(b)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行虛擬邊界的教學(xué)，并記錄自身運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；(c)利用標(biāo)記和自運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的最終位置定義出虛擬邊界。

圖4是本發(fā)明一種基于交互方式限制移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間的方法的保留區(qū)域的幾何圖示。當(dāng)前機(jī)器人的位置r及其相機(jī)位置c描述為藍(lán)色圓柱體，b表示虛擬邊界多邊形，p表示最后一個(gè)已知的標(biāo)記位置，當(dāng)跟隨藍(lán)色標(biāo)記時(shí)，機(jī)器人記錄其姿態(tài)，通過(guò)車(chē)輪測(cè)距法獲取運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)uk，并通過(guò)將uk應(yīng)用于機(jī)器人的先前姿態(tài)xk-1以更新機(jī)器人的新姿態(tài)xk，將姿態(tài)從機(jī)器人的距離坐標(biāo)系變換到地圖的坐標(biāo)系中，當(dāng)標(biāo)記id從藍(lán)色變?yōu)榧t色時(shí)，用戶(hù)可以圍繞其z軸旋轉(zhuǎn)機(jī)器人以指示保留區(qū)域，如果機(jī)器人指向多邊形的內(nèi)部，則將內(nèi)部區(qū)域視為被占用，否則為空閑，基于最后一個(gè)標(biāo)記的位置p，由于機(jī)器人繞其z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從機(jī)器人的當(dāng)前位置指向標(biāo)記的轉(zhuǎn)動(dòng)向量(rp)^→由機(jī)器人的方位θ描述。

對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員，本發(fā)明不限制于上述實(shí)施例的細(xì)節(jié)，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，能夠以其他具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。此外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實(shí)施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。