本發(fā)明涉及一種條形碼技術(shù)，具體為是一種立體條碼、識(shí)別方法及室內(nèi)輔助地圖構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

條形碼(barcode)是將寬度不等的多個(gè)黑條和空白，按照一定的編碼規(guī)則排列，用以表達(dá)一組信息的圖形標(biāo)識(shí)符。常見(jiàn)的條形碼是由反射率相差很大的黑條(簡(jiǎn)稱(chēng)條)和白條(簡(jiǎn)稱(chēng)空)排成的平行線(xiàn)圖案。條形碼可以標(biāo)出物品的生產(chǎn)國(guó)、制造廠(chǎng)家、商品名稱(chēng)、生產(chǎn)日期、圖書(shū)分類(lèi)號(hào)、郵件起止地點(diǎn)、類(lèi)別、日期等許多信息，因而在商品流通、圖書(shū)管理、郵政管理、銀行系統(tǒng)等許多領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。但是現(xiàn)今條碼都采用黑白兩色來(lái)儲(chǔ)存信息，這恰恰也使其只能應(yīng)用于特定的場(chǎng)合。

室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)是近些年來(lái)新興起的一個(gè)熱門(mén)技術(shù)，它在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中都有非常重要的用途。隨著近年來(lái)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展以及制造成本的降低，小型化的家用機(jī)器人開(kāi)始走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)。據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)，全球服務(wù)機(jī)器人2013年總銷(xiāo)售量為4021萬(wàn)臺(tái)，總銷(xiāo)售額為527億美元，其中個(gè)人/家居服務(wù)機(jī)器人銷(xiāo)量約為400萬(wàn)臺(tái)。家用型服務(wù)機(jī)器人的核心問(wèn)題之一是室內(nèi)地圖構(gòu)建問(wèn)題，這是一項(xiàng)極其復(fù)雜并且極具難度的工作，若能將條碼技術(shù)應(yīng)用的導(dǎo)航及地圖構(gòu)建中，為機(jī)器人提供額外的信息便可以降低這項(xiàng)工作的難度。但因?yàn)槭覂?nèi)環(huán)境復(fù)雜以及機(jī)器人往往不具有專(zhuān)用的條碼識(shí)別設(shè)備，光學(xué)條碼在這種場(chǎng)合下很難得到有效的應(yīng)用。

隨著工藝的進(jìn)步，成本的降低，低成本激光雷達(dá)傳感器開(kāi)始被應(yīng)用于室內(nèi)導(dǎo)航及地圖構(gòu)建，其兼具穩(wěn)定性及精度?，F(xiàn)已成為室內(nèi)自主機(jī)器人的主要傳感器之一。而激光雷達(dá)采集到的數(shù)據(jù)只包含深度信息，不包含色彩信息，并不能用來(lái)識(shí)別傳統(tǒng)的黑白條碼，

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中條形碼只包含色彩信息、不能被激光雷達(dá)采集到數(shù)據(jù)等不足，本發(fā)明要解決的問(wèn)題是提供一種可被激光雷達(dá)識(shí)別的立體條碼、識(shí)別方法及室內(nèi)輔助地圖構(gòu)建方法。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明一種立體條碼，具有由多個(gè)單位寬度的“凹”部分和“凸”部分按所要包含的信息排列組成的平行條狀結(jié)構(gòu)，在“凹”部分內(nèi)部覆蓋吸光材料。

2.按權(quán)利要求1所述的立體條碼，其特征在于：“凹”部分的深度為：

“凹”部分或“凸”部分的寬度為：

δw≈l×δθ

其中δw為橫向分辨能力，l為與目標(biāo)的相對(duì)距離，δθ為激光雷達(dá)的角度分辨率,γ為墻體法向與雷達(dá)正向夾角，d為深度。

“凹”部分和“凸”部分相鄰處為具有棱角的直角面連接或斜面連接。

依次包括起始標(biāo)識(shí)、條碼長(zhǎng)度、條碼數(shù)據(jù)、校驗(yàn)數(shù)據(jù)以及結(jié)束標(biāo)識(shí)，其中條碼長(zhǎng)度為起始標(biāo)識(shí)與結(jié)束標(biāo)識(shí)之間的距離，條碼數(shù)據(jù)為目標(biāo)對(duì)象的編號(hào)，校驗(yàn)數(shù)據(jù)為異或校驗(yàn)，起始標(biāo)識(shí)與結(jié)束標(biāo)識(shí)均為“凹”部分和“凸”部分生成的二值數(shù)據(jù)。

本發(fā)明一種立體條碼識(shí)別方法，包括以下步驟：

立體條碼的“凹”部分和“凸”部分分別代表二進(jìn)制中的二值數(shù)據(jù)；

激光雷達(dá)向目標(biāo)條碼發(fā)射探測(cè)信號(hào)；

將接收到的從目標(biāo)條碼反射回來(lái)的信號(hào)即目標(biāo)回波與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較，通過(guò)測(cè)量信號(hào)的傳播時(shí)間來(lái)確定掃描儀與對(duì)象的相對(duì)距離，從而得到二值數(shù)據(jù)；

對(duì)二值數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，獲得立體條碼信息。

當(dāng)激光雷達(dá)向目標(biāo)條碼發(fā)射探測(cè)信號(hào)為連續(xù)模式時(shí)，接收裝置通過(guò)比較接收波形與發(fā)射波形確定相位差從而獲得傳播時(shí)間：

其中，t為周期，φ為相位差，n為傳播過(guò)程中的整波數(shù)；

傳播時(shí)間與距離的關(guān)系為：

其中，tl為信號(hào)傳播時(shí)間，s為激光雷達(dá)與目標(biāo)相對(duì)距離，c為光速。

本發(fā)明一種室內(nèi)輔助地圖構(gòu)建方法，包括以下步驟：

1)在室內(nèi)選擇地點(diǎn)放置攜帶地點(diǎn)信息的立體條碼；

2)機(jī)器人通過(guò)激光雷達(dá)進(jìn)行掃碼；

3)利用激光雷達(dá)所測(cè)數(shù)據(jù)換算成與目標(biāo)的相對(duì)距離，識(shí)別環(huán)境信息；

4)利用上述環(huán)境信息構(gòu)建室內(nèi)輔助地圖。

本發(fā)明還包括以下步驟：

當(dāng)機(jī)器人的激光雷達(dá)與墻面成夾角時(shí)，條碼形狀檢測(cè)出現(xiàn)畸變，采用如下方法進(jìn)行矯正：

以雷達(dá)為原點(diǎn)建立平面直角坐標(biāo)系；

根據(jù)激光雷達(dá)所返回?cái)?shù)據(jù)(ρ,θ)，計(jì)算直角坐標(biāo)下數(shù)據(jù)(x,y)

x＝ρ×cos(θ)

y＝ρ×sin(θ)

利用最小二乘法取得雷達(dá)坐標(biāo)系下的墻面直線(xiàn)方程

計(jì)算直線(xiàn)與雷達(dá)自然坐標(biāo)系的橫軸夾角α：

α＝arctan(a)

建立新坐標(biāo)系，其原點(diǎn)與原坐標(biāo)系重合，橫軸與墻面平行，所得的數(shù)據(jù)及墻面方程轉(zhuǎn)換到新坐標(biāo)系下

其中，x,y為旋轉(zhuǎn)前坐標(biāo)數(shù)據(jù)，x′y′為旋轉(zhuǎn)后坐標(biāo)數(shù)據(jù)；

將墻面直線(xiàn)與數(shù)據(jù)做差，選取合適閾值進(jìn)行二值化，得到凹槽的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明提出一種立體條碼、識(shí)別方法及室內(nèi)輔助地圖構(gòu)建方法，將立體條碼應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境，構(gòu)建室內(nèi)輔助地圖，利用識(shí)別方法識(shí)別立體條碼的深度信息，滿(mǎn)足了激光雷達(dá)采集數(shù)據(jù)只包含深度信息、不包含色彩信息這一特點(diǎn)，為激光雷達(dá)的應(yīng)用提供新的思路，益于室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展。

2.應(yīng)用本發(fā)明中方法，可在一定范圍內(nèi)矯正因雷達(dá)組條碼位置變化產(chǎn)生的數(shù)據(jù)畸變。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明中以雷達(dá)的幾何中心為原點(diǎn)建立的機(jī)構(gòu)人坐標(biāo)圖示；

圖2a為本發(fā)明中擬合并旋轉(zhuǎn)后結(jié)果圖示；

圖2b為本發(fā)明中消去偏置后凹槽的相對(duì)深度圖示；

圖2c為本發(fā)明中二值化后得到的2進(jìn)制數(shù)據(jù)圖示；

圖3為本發(fā)明中建立的新坐標(biāo)系o’圖示。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。

本發(fā)明一種立體條碼，具有由多個(gè)單位寬度的“凹”部分和“凸”部分按所要包含的信息排列組成的平行條狀結(jié)構(gòu)，在“凹”部分內(nèi)部覆蓋吸光材料。

“凹”部分或“凸”部分的寬度為：

δw≈l×δθ

“凹”部分的深度為:

其中δw為橫向分辨能力，l為與目標(biāo)的相對(duì)距離，δθ為激光雷達(dá)的角度分辨率,γ為墻體法向與雷達(dá)正向夾角,d為深度。

如果立體條碼的整體寬度在l到l*n之間，l為單個(gè)“凹”部分(設(shè)其二值數(shù)為0)占的寬度，則n是連續(xù)出現(xiàn)0的個(gè)數(shù)，l大于2中橫向分辨能力δw。具體數(shù)量由需要攜帶的信息量決定。

激光雷達(dá)urg-04lx為例，該激光雷達(dá)的角度分辨率為0.36°,假設(shè)標(biāo)記條碼位于2m遠(yuǎn)處，則激光雷達(dá)所能分辨的最小距離約為12mm，故凹凸條紋的寬度應(yīng)該大于12mm。

“凹”部分和“凸”部分相鄰處為具有棱角的直角面連接或斜面連接。

立體條碼依次包括起始標(biāo)識(shí)、條碼長(zhǎng)度、條碼數(shù)據(jù)、校驗(yàn)數(shù)據(jù)以及結(jié)束標(biāo)識(shí)，其中條碼長(zhǎng)度為起始標(biāo)識(shí)與結(jié)束標(biāo)識(shí)之間的距離，條碼數(shù)據(jù)為目標(biāo)對(duì)象的編號(hào)，校驗(yàn)數(shù)據(jù)為異或校驗(yàn)，起始標(biāo)識(shí)與結(jié)束標(biāo)識(shí)均為“凹”部分和“凸”部分生成的二值數(shù)據(jù)。

本發(fā)明立體條碼識(shí)別方法包括以下步驟：

立體條碼的“凹”部分和“凸”部分分別代表二進(jìn)制中的二值數(shù)據(jù)；

激光雷達(dá)向目標(biāo)條碼發(fā)射探測(cè)信號(hào)；

將接收到的從目標(biāo)條碼反射回來(lái)的信號(hào)即目標(biāo)回波與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較，通過(guò)測(cè)量信號(hào)的傳播時(shí)間來(lái)確定掃描儀與對(duì)象的相對(duì)距離，從而得到二值數(shù)據(jù)；

對(duì)二值數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，獲得立體條碼信息。

本實(shí)施例中，將立體條碼應(yīng)用于激光雷達(dá)，用物體的凹凸(深度信息)而非黑白色彩來(lái)存儲(chǔ)信息。

本發(fā)明例如“凹”和“凸”分別代表“0”和“1”，這是激光雷達(dá)能夠識(shí)別的深度信息。

為了降低對(duì)激光雷達(dá)精度的要求，提高條碼的識(shí)別率將“凹”的部分識(shí)別出來(lái)，條碼“凹”的部分內(nèi)部覆蓋吸光材料，使得激光雷達(dá)掃描到凹的部分時(shí)會(huì)返回較為明顯的數(shù)據(jù)。

吸光性材料是指光線(xiàn)照射在事物之上，于照明之外并無(wú)透射，也不產(chǎn)生映射和大塊的耀斑和反光。

如果在條碼的“凹”部分覆蓋針對(duì)所用激光雷達(dá)波長(zhǎng)的吸光材料，此部分對(duì)激光雷達(dá)的雷達(dá)信號(hào)的反射就會(huì)削弱很多，“凹”的部分就會(huì)被判斷為距離極遠(yuǎn)。當(dāng)掃描到該部分區(qū)域時(shí)，計(jì)算出的相對(duì)距離數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)劇烈跳變，基于這個(gè)原理，只要給條碼加上特殊的起始標(biāo)識(shí)與結(jié)束標(biāo)識(shí)，便可以很容易的將該區(qū)域與其它環(huán)境信息區(qū)分開(kāi)來(lái)。

激光雷達(dá)是以發(fā)射微光束探測(cè)目標(biāo)信息的雷達(dá)系統(tǒng)，向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)(激光束)，然后將接收到的從目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)(目標(biāo)回波)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較，通過(guò)測(cè)量信號(hào)的傳播時(shí)間來(lái)確定掃描儀與對(duì)象的相對(duì)距離。時(shí)間測(cè)量方式有兩種，分別是連續(xù)模式和脈沖模式。

在脈沖模式下，激光雷達(dá)直接測(cè)得信號(hào)傳播時(shí)間。

在連續(xù)波模式下，發(fā)射裝置產(chǎn)生的激光信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制形成有一定波形的連續(xù)信號(hào)，接收裝置通過(guò)比較接收波形與發(fā)射波形確定相位差從而獲得傳播時(shí)間:

其中，t為周期，φ為相位差，n-為傳播過(guò)程中的整波數(shù)；

傳播時(shí)間與距離的關(guān)系為：

其中，tl為信號(hào)傳播時(shí)間，s為激光雷達(dá)與目標(biāo)相對(duì)距離，c為光速。

本實(shí)施例以“0101”作為起始，以“1010”作為結(jié)束(0代表“凹”，1代表“凸”)，條碼的正方向規(guī)定為從左到右。雷達(dá)從左向右掃描，一旦發(fā)現(xiàn)0，繼續(xù)向右掃描，若識(shí)別到“101”則認(rèn)為接下來(lái)是條碼數(shù)據(jù)，直到掃描到“1010”這個(gè)標(biāo)志性數(shù)據(jù)，認(rèn)為條碼數(shù)據(jù)結(jié)束。由于使用吸光材料覆蓋“凹”的部分，在掃描到0時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生極為劇烈的跳變，又因?yàn)槠鹗紭?biāo)識(shí)被設(shè)計(jì)為“0101”，兩個(gè)0之間的距離便可以被檢測(cè)出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同寬度條碼的適應(yīng)。在條碼數(shù)據(jù)開(kāi)始之前加入條碼長(zhǎng)度的信息，就可以在讀取條碼信息之前用起始標(biāo)識(shí)與結(jié)束標(biāo)識(shí)之間的距離以及條碼位數(shù)可以計(jì)算更為精確的條碼信息中每個(gè)比特的位置，在讀取信息時(shí)只讀取每個(gè)比特所占位置正中央的信息，從而提高魯棒性，降低誤碼率。

而在實(shí)際中無(wú)論使用哪種方法讀取條碼信息都難免會(huì)出現(xiàn)誤碼，故在編碼時(shí)應(yīng)選取擁有校驗(yàn)或者糾錯(cuò)能力的編碼方式，在不同的應(yīng)用環(huán)境中可以使用不同編碼方式，本設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)單的異或校驗(yàn)為例，故整個(gè)條碼以如下方式構(gòu)成：

起始標(biāo)識(shí)+條碼長(zhǎng)度+條碼數(shù)據(jù)+校驗(yàn)+結(jié)束標(biāo)識(shí)

條碼數(shù)據(jù)為目標(biāo)對(duì)象的編號(hào)，假設(shè)樓梯的編號(hào)為十進(jìn)制42,取條碼長(zhǎng)度為8位，異或校驗(yàn)中不包含起始以及結(jié)束標(biāo)識(shí)，則編碼后：

起始標(biāo)識(shí)：0x5

條碼長(zhǎng)度部分：0x08

條碼數(shù)據(jù)部分：0x2a

校驗(yàn)部分：0x22

結(jié)束標(biāo)識(shí)：0xa

故最終的編碼為：0x5082a22a將此編碼按照0即“凹”，1即“凸”的方法制成標(biāo)記條碼用以輔助地圖構(gòu)建。

本發(fā)明室內(nèi)輔助地圖構(gòu)建方法包括以下步驟：

1)在室內(nèi)選擇地點(diǎn)放置攜帶地點(diǎn)信息的立體條碼；

2)機(jī)器人通過(guò)激光雷達(dá)進(jìn)行掃碼，

3)利用激光雷達(dá)所測(cè)數(shù)據(jù)換算成與目標(biāo)的相對(duì)距離，識(shí)別環(huán)境信息；

4)利用上述環(huán)境信息構(gòu)建室內(nèi)輔助地圖。

故室內(nèi)地圖構(gòu)建是利用激光雷達(dá)所測(cè)數(shù)據(jù)換算成與目標(biāo)的相對(duì)距離進(jìn)行的，并且一旦雷達(dá)沒(méi)有接收到返回信號(hào)，就會(huì)被判斷為與目標(biāo)相對(duì)距離無(wú)限遠(yuǎn)(實(shí)際中會(huì)體現(xiàn)為一個(gè)極大的數(shù)據(jù))。

在實(shí)際情況下機(jī)器人不可能隨時(shí)保證正對(duì)目標(biāo)，當(dāng)機(jī)器人的正向與墻面法向成一定夾角時(shí)，以雷達(dá)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)如圖1所示，會(huì)出現(xiàn)如圖中p2點(diǎn)所示條碼形狀檢測(cè)出現(xiàn)畸變的情況。

采用如下方法進(jìn)行矯正：

1)根據(jù)激光雷達(dá)所返回?cái)?shù)據(jù)(ρ,θ)，計(jì)算直角坐標(biāo)下數(shù)據(jù)(x,y)

x＝ρ×cos(θ)

y＝ρ×sin(θ)

其中，ρ為激光雷達(dá)返回的距離，θ為θ為激光雷達(dá)返回的角度，圖1中γ墻體法向與雷達(dá)正向夾角。

2)利用最小二乘法取得雷達(dá)坐標(biāo)系下的墻面直線(xiàn)方程

3)計(jì)算直線(xiàn)與雷達(dá)自然坐標(biāo)系的橫軸夾角α

α＝arctan(a)

4)建立新坐標(biāo)系o’，其原點(diǎn)與原坐標(biāo)系重合，橫軸與墻面平行，如圖3所示，將雷達(dá)所得的數(shù)據(jù)及墻面方程轉(zhuǎn)換到新坐標(biāo)系下

其中，x,y為旋轉(zhuǎn)前坐標(biāo)數(shù)據(jù)，x′y′為旋轉(zhuǎn)后坐標(biāo)數(shù)據(jù)；α為直線(xiàn)與雷達(dá)自然坐標(biāo)系的橫軸夾角，小于180度；

5)將墻面直線(xiàn)與數(shù)據(jù)做差，選取合適閾值進(jìn)行二值化，得到凹槽的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。matlab仿真三個(gè)凹槽，如圖2a所示，為擬合并旋轉(zhuǎn)后結(jié)果，圖2b為消去偏置后凹槽的相對(duì)深度，圖2c為二值化后得到的2進(jìn)制數(shù)據(jù)，可見(jiàn)該方法能夠在一定程度上解決側(cè)對(duì)標(biāo)識(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)畸變問(wèn)題。

本發(fā)明在室內(nèi)特殊地點(diǎn)附近(如樓梯口或轉(zhuǎn)角)放置一種攜帶地點(diǎn)信息的特殊條碼來(lái)輔助激光雷達(dá)進(jìn)行室內(nèi)地圖構(gòu)建，條碼采用立體形式便于激光雷達(dá)識(shí)別，在標(biāo)記物表面制作凹凸交替的凸起，以“凸”代表1，以“凹”代表0，凹凸的寬度及深度根據(jù)所采用激光雷達(dá)的精度而定；在“凹”的部分內(nèi)覆蓋針對(duì)所用激光雷達(dá)波長(zhǎng)的吸光材料；按照編碼方式生成目標(biāo)信息的二進(jìn)制編碼，同時(shí)計(jì)算校驗(yàn)位，并加上起始標(biāo)識(shí)和結(jié)束標(biāo)識(shí)。將具有上述結(jié)構(gòu)特征的立體條碼應(yīng)用于室內(nèi)，通過(guò)機(jī)器人進(jìn)行激光雷達(dá)掃描，掃描到條碼后，對(duì)側(cè)面觀察時(shí)條碼地標(biāo)數(shù)據(jù)畸變進(jìn)行修正，首先采用最小二乘法找出墻面的方程，將墻面方程轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系下，剃掉偏離直線(xiàn)距離遠(yuǎn)的點(diǎn)，根據(jù)偏離點(diǎn)的分布，計(jì)算凹槽分布，矯正數(shù)據(jù)，如果凹槽分布能通過(guò)校驗(yàn)，就可以識(shí)別條碼數(shù)據(jù)。

本發(fā)明簡(jiǎn)單易行，施工成本低，方便改造和維護(hù)。