一种基于ArUco码的移动机器人视觉定位与导航方法技术

本发明专利技术公开了一种基于ArUco码的移动机器人视觉定位与导航方法，属于计算机视觉定位、移动机器人导航领域，包括如下步骤：创建地图；创建路径；定位与导航。本发明专利技术方法不仅克服了传统视觉导航方式对辅助物理条件依赖性强、对环境要求高、不灵活等缺陷，而且将传统仅适用于地面移动机器人的视觉导航方法拓展到了三维空间，对空中无人机的定位与导航亦非常适用；具有精度高、灵活性强、应用范围广等诸多优势，可用于室内环境下移动机器人、无人机等智能移动设备的自主定位与导航，拓宽了应用场景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于ArUco码的移动机器人视觉定位与导航方法
本专利技术属于计算机视觉定位、移动机器人导航领域，具体涉及一种基于ArUco码的移动机器人视觉定位与导航方法。
技术介绍
目前，移动机器人技术在计算机、传感器等相关技术的推动下，得到了飞速发展，并且在医疗、军事、工业和太空等领域得到了广泛地应用。移动机器人的首要任务是根据自身的传感器实现灵活的自主定位与导航，但是，各种传感器受限于不同的空间环境，要完成自主定位与导航任务，需要在不同的环境下应用不同的方案。由于移动机器人的应用环境不同，有些环境下需要较高的定位和导航精度，比如工厂车间、室内等情况，其定位精度通常需要达到厘米甚至毫米级别。GPS(全球卫星定位系统)在信号良好的条件下，定位精度一般在米级，不符合应用要求。利用惯性导航元件可以测量相对位移，但缺点是惯导元件测量数据存在漂移，需要配合其他传感器以提高精度，算法复杂。利用激光雷达可以进行精准测距定位，完成导航任务，但是需要布置反光板以提供导航信息，而且激光雷达价格昂贵。机器人通过电磁、寻迹的方式可以满足精度要求，但是需要布置轨道或路标，当机器人的任务发生变化时，需要重新布置路径，灵活性差，成本高。此外，出现了利用色带和条形码、QR码等基于二维码的视觉导航方法，这种方法通常用地面铺设的彩带做引导、用二维码中包含的位置信息做定位实现机器人导航，但地面上的彩带和二维码容易污损，且当任务路径发生变化时，需要重新粘贴色带和二维码，灵活性差、对环境要求高。另外，这种方法往往要求摄像头光轴方向与二维码铺设平面成垂直关系，且要求摄像头与二维码铺设平面距离非常接近，否则机器人将不能很好地识别，有较大的局限性。在专利CN106969766A中公开了一种基于单目视觉和二维码路标的室内自主导航方法，该方法克服了不能有效识别二维码的局限性，且当机器人执行任务的内容发生改变时不需要对路径进行重新布置，但依然不够灵活。其不足之处在于，需要根据机器人的行驶路径提前布置二维码，且二维码的布局需要严格按照一定的规律(一般网格状)，必须经过精确地测量以确定二维码之间的位姿关系；机器人行进路线受二维码布局和二维码导航信息的制约，行走方式单一，不能完成复杂的曲线行驶。而且，此方法依然使用在地面铺设二维码的方式，不能获得机器人的三维空间坐标，只能局限于规划平面路径，无法规划无人机等空间中运行的机器人的三维路径，应用场景有限。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述技术问题，本专利技术提出了一种基于ArUco(AugmentedRealitylibraryfromtheUniversityofCordoba，科尔多瓦大学的增强现实库)码的移动机器人视觉定位与导航方法，使得机器人视觉导航更加方便灵活，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于ArUco码的移动机器人视觉定位与导航方法，包括如下步骤：步骤1：创建地图；利用相机对环境中随机分布的ArUco码进行视觉建图，获得ArUco码分布地图；步骤2：创建路径；在计算机中生成导航路径的坐标点，获得由一系列三维坐标点组成的导航路径文件；步骤3：定位与导航；根据步骤1和步骤2创建的ArUco码分布地图和导航路径文件，利用相机实现移动机器人在三维空间中的视觉定位与导航。优选地，在步骤1中，具体包括如下步骤：步骤1.1：将打印好的ArUco码随机地粘贴在包括墙面、门面、地面、天花板或立柱在内的光照条件良好的平整位置；步骤1.2：用相机对室内随机分布的ArUco码进行视觉建图，确定一个参考世界坐标系，并获得所有ArUco码的ID信息及其对应四个角点在世界坐标系下的三维坐标。优选地，在步骤1.2中，用相机对室内随机分布的ArUco码进行视觉建图，具体包括如下步骤：步骤1.2.1：用棋盘格预先标定出相机的内参数；步骤1.2.2：打开ArUco建图工具，传入相机内参，并指定环境中的一个ArUco码作为参考，程序开始运行；步骤1.2.3：手持或机载相机缓慢移动，使相机能遍历所有ArUco码；步骤1.2.4：建图程序运行结束，得到ArUco码的分布地图，分布地图中包含环境中所有ArUco码的ID信息及其对应四个角点的三维坐标信息，另外包括一个分布点云。优选地，在步骤2中，具体包括如下步骤：步骤2.1：根据周围环境和移动机器人的任务规划机器人的行走路线；步骤2.2：将移动机器人的行走路线在世界坐标系下用数学方程标出；步骤2.3：根据导航路径的起止点坐标，在计算机中将用数学方程表示的行走路线离散化为一系列三维坐标点，所有点的坐标按顺序保存在一个文本文档里，得到导航路径文件。优选地，在步骤3中，具体包括如下步骤：步骤3.1：加载ArUco码分布地图和导航路径文件，并将ArUco码的分布点云以及导航路径显示到可视化界面中；步骤3.2：根据图像中每个ArUco码角点的像素坐标和其对应的三维世界坐标，利用PnP迭代算法估计相机的位姿，从而实时地获取机器人在世界坐标系下的三维空间坐标和姿态；步骤3.3：判断机器人是否到达目标位置；若：判断结果是机器人到达目标位置，则结束；或判断结果是机器人没有到达目标位置，则计算出与机器人当前位置距离最近的路径点，并确定下一个参考路径点的位置；步骤3.4：计算机器人当前位置与下一个参考路径点之间的方向向量V′，并计算机器人当前姿态向量V与方向向量V′之间的夹角α；步骤3.5：机器人跟据偏航角α调整自身的姿态，以速度v沿着导航路径前进，然后执行步骤3.2。优选地，在步骤3.2中，具体包括如下子步骤：步骤3.2.1：相机采集一帧图像，对图像进行包括灰度转换、二值化和轮廓提取在内的预处理操作，然后对每个轮廓进行筛选、透视变换、内部编码提取；步骤3.2.2：判断检测图像中是否出现至少一个ArUco码；若：判断结果是检测图像中出现至少一个ArUco码，则根据识别出的所有ArUco码的ID信息，确定每个ArUco码的角点像素坐标和与之相对应的三维空间坐标，利用PnP迭代算法估计相机在世界坐标系中的位置和姿态；或判断结果是检测图像中没有出现ArUco码，则执行步骤3.2.1；步骤3.2.3：根据相机与机器人本体的相对位姿关系和相机在世界坐标系中的位姿进行坐标变换，计算出机器人在世界坐标系下的位置P和姿态向量V。本专利技术所带来的有益技术效果：本专利技术通过相机观察环境中随机分布的ArUco码实时获取机器人在世界坐标系下的三维坐标和姿态，利用精确的位姿信息进行视觉导航，方法中用到的ArUco码布置方便灵活，导航路径可以根据机器人的任务路线随时更改，且不需要对环境做任何改变，大大提高了移动机器人导航的灵活性，同时降低了对环境的要求；另外，由于本专利技术提供的定位方法可以实时获取机器人的三维坐标和姿态，该方法不仅可以用于地面移动机器人的导航，对于空中飞行的无人机同样适用。本专利技术方法不仅克服了传统视觉导航方式对辅助物理条件依赖性强、对环境要求高、不灵活等缺陷，而且将传统仅适用于地面移动机器人的视觉导航方法拓展到了三维空间，对空中无人机的定位与导航亦非常适用；具有精度高、灵活性强、应用范围广等诸多优势，可用于室内环境下移动机器人、无人机等智能移动设备的自主定位与导航，拓宽了本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于ArUco码的移动机器人视觉定位与导航方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：创建地图；利用相机对环境中随机分布的ArUco码进行视觉建图，获得ArUco码分布地图；步骤2：创建路径；在计算机中生成导航路径的坐标点，获得由一系列三维坐标点组成的导航路径文件；步骤3：定位与导航；根据步骤1和步骤2创建的ArUco码分布地图和导航路径文件，利用相机实现移动机器人在三维空间中的视觉定位与导航。

【技术特征摘要】
1.一种基于ArUco码的移动机器人视觉定位与导航方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：创建地图；利用相机对环境中随机分布的ArUco码进行视觉建图，获得ArUco码分布地图；步骤2：创建路径；在计算机中生成导航路径的坐标点，获得由一系列三维坐标点组成的导航路径文件；步骤3：定位与导航；根据步骤1和步骤2创建的ArUco码分布地图和导航路径文件，利用相机实现移动机器人在三维空间中的视觉定位与导航。2.根据权利要求1所述的基于ArUco码的移动机器人视觉定位与导航方法，其特征在于：在步骤1中，具体包括如下步骤：步骤1.1：将打印好的ArUco码随机地粘贴在包括墙面、门面、地面、天花板或立柱在内的光照条件良好的平整位置；步骤1.2：用相机对室内随机分布的ArUco码进行视觉建图，确定一个参考世界坐标系，并获得所有ArUco码的ID信息及其对应四个角点在世界坐标系下的三维坐标。3.根据权利要求2所述的基于ArUco码的移动机器人视觉定位与导航方法，其特征在于：在步骤1.2中，用相机对室内随机分布的ArUco码进行视觉建图，具体包括如下步骤：步骤1.2.1：用棋盘格预先标定出相机的内参数；步骤1.2.2：打开ArUco建图工具，传入相机内参，并指定环境中的一个ArUco码作为参考，程序开始运行；步骤1.2.3：手持或机载相机缓慢移动，使相机能遍历所有ArUco码；步骤1.2.4：建图程序运行结束，得到ArUco码的分布地图，分布地图中包含环境中所有ArUco码的ID信息及其对应四个角点的三维坐标信息，另外包括一个分布点云。4.根据权利要求1所述的基于ArUco码的移动机器人视觉定位与导航方法，其特征在于：在步骤2中，具体包括如下步骤：步骤2.1：根据周围环境和移动机器人的任务规划机器人的行走路线；步骤2.2：将移动机器人的行走路线在世界坐标系下用数学方程标出；步骤2.3：根据导航路径的起止点坐标，在计算机中将用...

【专利技术属性】
技术研发人员：张治国，李旭杰，李宝祥，王海霞，卢晓，盛春阳，崔玮，李玉霞，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37