一种基于单目视觉和二维码路标的室内自主导航方法技术

本发明专利技术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，包括如下步骤：S1，获取机器人的初始位置，根据机器人的初始位置和目标位置设置二维码路线；S2，机器人的单目摄像头实时检测二维码，根据单目摄像头的内外参数，计算出机器人与所述二维码之间的相对位置关系，确定机器人当前导航信息；S3，根据机器人的当前导航信息进行运动，判断到达的目的地址是否是目标位置，如果是，则导航结束；否则，按照二维码的导航方向调整角度，转向步骤S2。该方法不仅可以解决双目摄像头计算复杂的问题，而且可以满足室内自主导航的精确度要求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于单目视觉和二维码路标的室内自主导航方法
本专利技术涉及一种室内自主导航方法，尤其涉及一种基于单目视觉和二维码路标的室内自主导航方法，属于室内导航

技术介绍
目前，很多自主导航技术或装置都基于GPS(全球卫星定位系统)技术，通过接收GPS信号进行室外导航。但是，在室内环境中，GPS信号强度衰减非常严重，甚至GPS信号会被完全阻断，此时将造成导航结果变差，甚至完全不可用。因此在室内环境中，必须采用其它的适用于室内环境的导航技术。室内导航技术大致来说可分为两类方法，一类是相对位置测量方法，一类是绝对位置测量方法。相对位置测量方法一般指的是测程法或基于惯性模块的估计方法，这类方法的优点是成本较低，计算简单，但缺点是往往只能在很短的移动距离或很短的时间内给出可用的位置与方向定位精度，当需要长时间观测且移动距离比较长时，往往无法解决因长时间统计误差所造成的估计距离与方向发散问题。绝对位置测量方法中，有一类方法在巡检机器人中普遍采用。该方式需要在机器人活动区域内预先埋设电缆线或磁力线，机器人沿着预先设置的路线行进。通过在路线两侧布置一些颜色块或条形码等路标来确定机器人的位置。这种方式的不足之处在于，一旦机器人执行任务的内容发生改变，就需要对路径进行重新布置，灵活性差。且铺设电缆线与磁力线的成本比较高，对室内环境会造成永久性的破坏与改变，不能很好地满足室内自主导航的需求。为了解决上述问题，现有技术出现了一些基于视觉技术和利用二维码作为路标的方法。但这类方法，往往要求摄像头光轴方向与二维码铺设平面成垂直关系，有的方法还要求摄像头与二维码铺设平面距离非常接近(<10cm)，如果不满足上述2个条件，将无法有效估计出机器人所在位置与二维码位置之间的关系。要求摄像头光轴与二维码平面成垂直关系，会导致摄像头捕捉图像的视野变小，制约了机器人的最高运行速度，不利于机器人以较高速度行驶时的自主导航。要求摄像头与二维码铺设平面距离非常接近，除了也存在上述的视野小的问题外，还存在以下问题：一般二维码都是铺设在地面上的，因此，当摄像头和地面非常接近时，就对地面的清洁程度提出了较高的要求，一旦有尘土、油渍等溅起粘在镜头上将大大影响二维码路标的识别率和导航精度，不能很好地满足室内导航的需求。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种基于单目视觉和二维码路标的室内自主导航方法。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用下述的技术方案：一种基于单目视觉和二维码路标的室内自主导航方法，包括如下步骤：S1，获取机器人的初始位置，根据机器人的初始位置和目标位置设置二维码路线；S2，机器人的单目摄像头实时检测二维码，根据单目摄像头的内外参数，计算出机器人与所述二维码之间的相对位置关系，确定机器人当前导航信息；S3，根据机器人的当前导航信息进行运动，判断到达的目的地址是否是目标位置，如果是，则导航结束；否则，按照二维码的导航方向调整角度，转向步骤S2。其中较优地，在步骤S1中，获取机器人的初始位置包括如下步骤：S11，启动机器人的单目摄像头，识别当前二维码；S12，根据所述二维码包含的信息，计算出机器人与所述二维码之间的相对位置关系；S13，根据二维码在自主导航区域的坐标位置以及机器人与所述二维码之间的相对位置关系，计算出机器人在自主导航区域内的绝对位置，即得到起始位置。其中较优地，在步骤S12中，机器人与所述二维码之间的相对位置关系，用机器人中心坐标与所述二维码的中心点之间的夹角以及距离进行表示。其中较优地，在步骤S2中，所述根据单目摄像头的内外参数，计算出机器人与所述二维码之间的相对位置关系，确定机器人当前导航信息，包括如下步骤：S21，根据单目摄像头的内外参数，建立像平面坐标系中的点与世界坐标系中的点之间的变换关系；S22，单目摄像头检测二维码，获取二维码中心点在像平面坐标系中的坐标以及二维码信息；S23，根据二维码中心点在像平面坐标系中的坐标，以及像平面坐标系与世界坐标系之间的变换关系，确定二维码路标中心点在世界坐标系的坐标；S24，计算机器人在当前行驶方向下与二维码路标中心点之间的夹角，以及机器人与二维码路标中心点之间的距离，确定机器人当前导航信息。其中较优地，在步骤S2中，获取单目摄像头的内外参数包括如下步骤：S211，制作单目摄像头标定板；S212，分别设立像平面坐标系、相机坐标系和世界坐标系，并采用单目摄像头的内外参数确定像平面坐标系与相机坐标系之间的转换关系；S213，通过旋转矩阵和平移矩阵得到从相机坐标系到世界坐标系的变换关系；其中，所述旋转矩阵和实时平移矩阵为单目摄像头的外参数矩阵；S214，将像平面坐标系与相机坐标系之间的转换关系以及相机坐标系到世界坐标系的变换关系联立方程，得到像平面坐标系与世界坐标系之间的变换关系；S215，采集标定板在不同位姿的图像，根据步骤S214的变换关系建立方程组，通过求解方程组得到单目摄像头的内外参数。其中较优地，在步骤S2中，当机器人的单目摄像头检测的当前的二维码不能扫描时，扫描单目摄像头视野范围内的另一二维码。其中较优地，所述的基于单目视觉和二维码路标的室内自主导航方法，还包括如下步骤：当机器人运行轨迹不在设置二维码路线中时，计算机器人的当前位置，重新设置二维码路线。其中较优地，所述当机器人运行轨迹不在设置二维码路线中时，计算机器人的当前位置，重新设置二维码路线，包括如下步骤：使用单目摄像头采集二维码信息，根据二维码信息得到二维码在自主导航区域的坐标位置；根据所述二维码包含的信息，计算出机器人与所述二维码之间的相对位置关系；根据所述二维码在自主导航区域的坐标位置以及机器人与二维码路标的相对位置关系，计算出机器人在自主导航区域内的绝对位置，即得到当下位置信息；根据当下位置信息和目标位置重新设置二维码路线。其中较优地，所述二维码路标采用油墨印刷、油墨打印、紫外油墨印刷或者荧光油墨印刷中的一种；当在导航过程中需要二维码路标肉眼不可见时，采用紫外油墨印刷或者荧光油墨印刷，并采用紫外或者荧光摄像头进行识读。本专利技术所提供的基于单目视觉和二维码路标的室内自主导航方法，根据机器人的初始位置和目标位置设置二维码路线。然后，通过机器人的单目摄像头从二维码路标组成的图像中实时的检测与识别二维码，根据单目摄像头的内外参数，计算出机器人当前行驶方向和位置与检测到的二维码路标位置之间的角度与距离关系，确定机器人当前导航信息；根据机器人的当前导航信息进行运动，直至到达目的地。该方法不仅可以解决双目摄像头计算复杂的问题，而且可以有效地满足室内自主导航的精确度要求。附图说明图1为本专利技术所提供的基于单目视觉和二维码路标的室内自主导航方法的流程图；图2为本专利技术所提供的一个实施例中，二维码路标的结构示意图；图3为本专利技术所提供的一个实施例中，标定板的结构示意图；图4为本专利技术所提供的一个实施例中，二维码路标导航信息所指示方向的结构示意图；图5为本专利技术所提供的一个实施例中，二维码路标导航示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术的
技术实现思路
进行详细具体的说明。如图1所示，本专利技术所提供的基于单目视觉和二维码路标的室内自主导航方法，包括如下步骤：首先，获取机器人的初始位置，根据机器人的初始位置和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于单目视觉和二维码路标的室内自主导航方法，其特征在于包括如下步骤：S1，获取机器人的初始位置，根据机器人的初始位置和目标位置设置二维码路线；S2，机器人的单目摄像头实时检测二维码，根据单目摄像头的内外参数，计算出机器人与所述二维码之间的相对位置关系，确定机器人当前导航信息；S3，根据机器人的当前导航信息进行运动，判断到达的目的地址是否是目标位置，如果是，则导航结束；否则，按照二维码的导航方向调整角度，转向步骤S2。

【技术特征摘要】
1.一种基于单目视觉和二维码路标的室内自主导航方法，其特征在于包括如下步骤：S1，获取机器人的初始位置，根据机器人的初始位置和目标位置设置二维码路线；S2，机器人的单目摄像头实时检测二维码，根据单目摄像头的内外参数，计算出机器人与所述二维码之间的相对位置关系，确定机器人当前导航信息；S3，根据机器人的当前导航信息进行运动，判断到达的目的地址是否是目标位置，如果是，则导航结束；否则，按照二维码的导航方向调整角度，转向步骤S2。2.如权利要求1所述的基于单目视觉和二维码路标的室内自主导航方法，其特征在于在步骤S1中，获取机器人的初始位置包括如下步骤：S11，启动机器人的单目摄像头，识别当前二维码；S12，根据所述二维码包含的信息，计算出机器人与所述二维码之间的相对位置关系；S13，根据二维码在自主导航区域的坐标位置以及机器人与所述二维码之间的相对位置关系，计算出机器人在自主导航区域内的绝对位置，即得到起始位置。3.如权利要求2所述的基于单目视觉和二维码路标的室内自主导航方法，其特征在于：在步骤S12中，机器人与所述二维码之间的相对位置关系，用机器人中心坐标与所述二维码的中心点之间的夹角以及距离进行表示。4.如权利要求1所述的基于单目视觉和二维码路标的室内自主导航方法，其特征在于在步骤S2中，所述根据单目摄像头的内外参数，计算出机器人与所述二维码之间的相对位置关系，确定机器人当前导航信息，包括如下步骤：S21，根据单目摄像头的内外参数，建立像平面坐标系中的点与世界坐标系中的点之间的变换关系；S22，单目摄像头检测二维码，获取二维码中心点在像平面坐标系中的坐标以及二维码信息；S23，根据二维码中心点在像平面坐标系中的坐标，以及像平面坐标系与世界坐标系之间的变换关系，确定二维码路标中心点在世界坐标系的坐标；S24，计算机器人在当前行驶方向下与二维码路标中心点之间的夹角，以及机器人与二维码路标中心点之间的距离，确定机器人当前导航信息。5.如权利要求1所述的基于单目视觉和二维码路标的室内自主导航方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴晓婕，王春梅，
申请(专利权)人：北京品创智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11