基于多目视觉的室内导航定位装置及其定位方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于多目视觉的室内导航定位装置及其定位方法，所述定位装置包括机器人、L形线光源、多个单目相机以及控制系统。L形线光源设置在机器人上。所述多个单目相机位于机器人上方，相邻两个单目相机的视场范围有交叉，且所述多个单目相机的总视场范围不小于机器人的行走范围。控制系统包括视觉处理系统和信号传输系统，视觉处理系统通信连接于所述多个单目相机，信号传输系统包括上位机和下位机，上位机通信连接于视觉处理系统，下位机设置在机器人上并通信连接于上位机和机器人。在本申请中，由于该定位装置和该定位方法的定位过程不受外界环境干扰、也不受定位区域限制，从而提高了定位精度、降低了定位成本。

【技术实现步骤摘要】
基于多目视觉的室内导航定位装置及其定位方法
本专利技术涉及机器人导航定位
，尤其涉及一种基于多目视觉的室内导航定位装置及其定位方法。
技术介绍
定位是确定目标物体的位置，定位技术根据环境不同可以分为室外定位和室内定位。现今室外定位技术已经成熟，如美国GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO以及中国北斗卫星导航系统，这些定位技术已经足以满足大多数室外环境下的定位。但是由于在室内条件下，障碍物多、环境复杂甚至多维，使得这些室外定位技术一旦应用到室内场景条件下，由于卫星信号衰减，定位精度会出现很大程度的降低，所以这些技术无法直接应用到室内。目前，如何实现在复杂的室内场景下获得位置信息，已经成为现今的研究热点，并涌现了一批以红外线定位、超声波定位、WIFI信号定位、超带宽定位、射频识别定位为代表的专用设备的解决方案及基于地磁定位的解决方案。但是，基于专用设备的解决方案及基于地磁定位的解决方案存在容易被干扰、定位区域有限、铺设成本高昂等问题。
技术实现思路
鉴于
技术介绍
中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于多目视觉的室内导航定位装置及其定位方法，其定位过程不受外界环境干扰、也不受定位区域限制，从而提高了定位精度、降低了定位成本。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种基于多目视觉的室内导航定位装置，其包括：机器人、L形线光源、多个单目相机以及控制系统。L形线光源设置在机器人上。所述多个单目相机位于机器人上方，相邻两个单目相机的视场范围有交叉，且所述多个单目相机的总视场范围不小于机器人的行走范围。控制系统包括视觉处理系统和信号传输系统，视觉处理系统通信连接于所述多个单目相机，信号传输系统包括上位机和下位机，上位机通信连接于视觉处理系统，下位机设置在机器人上并通信连接于上位机和机器人。在根据一些实施例的所述基于多目视觉的室内导航定位装置中，所述基于多目视觉的室内导航定位装置还包括安装支架，所述安装支架固定安装所述多个单目相机。本专利技术还提供了一种基于多目视觉的室内导航定位装置的定位方法，其由上述所述的基于多目视觉的室内导航定位装置来实现。其中，所述定位方法包括步骤S1-S7。S1，对所述多个单目相机进行编号，建立各单目相机的相机坐标系O2a-XaYaZa、各单目相机对应的像素坐标系O1a-UaVa以及室内场景中的世界坐标系O-XYZ，其中a为相机编号。S2，利用所述多个单目相机采集室内场景的初始图像，通过视觉处理系统获取所有单目相机的初始图像数据，并通过上位机将所有的初始图像数据进行拼接处理以获得二维全景地图。S3，通过上位机在所述二维全景地图上手动规划出机器人的目标运动轨迹，其中所述目标运动轨迹由所述二维全景地图上的一系列规划点构成。S4，计算出所述二维全景地图上的一系列规划点在世界坐标系下的坐标。S5，将机器人置于所述室内场景中，通过上位机将机器人选定为跟踪目标，并在机器人的移动过程中，上位机对机器人进行目标跟踪并获得机器人在像素坐标系下的实时位置，然后计算出机器人在世界坐标系下的实时位置。S6，基于机器人上的L形线光源在单目相机采集到的实时图像中的位置，计算出机器人在步骤S5中的实时位置下的实时姿态，其中，机器人在世界坐标系下的实时位置和实时姿态即为机器人的实时位姿。S7，上位机将移动机器人的实时位姿与目标运动轨迹进行比对、并向下位机输出行走控制信号，下位机将接收到的行走控制信号传递给机器人，机器人基于行走控制信号完成行走指令并最终到达规划的目的地。在根据一些实施例的基于多目视觉的室内导航定位装置的定位方法中，在步骤S4中，所述二维全景地图上的任意规划点的计算过程包括步骤：S41，读出该规划点在像素坐标系下的坐标(u1,v1)；S42，在采集到该规划点的所有单目相机中选取相邻两个单目相机，并将所述相邻两个单目相机的相机坐标系的原点投影到世界坐标系中，并获得所述相邻两个单目相机的相机坐标系的原点的投影点的坐标P1(x1,y1)和P2(x2,y2)；S43，计算出该规划点在世界坐标系下的坐标(x,y)，计算公式为：其中，fax为单目相机沿Ua轴的归一化焦距，fay为单目相机沿Va轴的归一化焦距，cax为单目相机光心的Ua轴坐标，cay为单目相机光心的Va轴坐标，Zc为单目相机距机器人所在平面的铅垂距离。在根据一些实施例的基于多目视觉的室内导航定位装置的定位方法中，在步骤S5中，对于任意时刻的机器人，其在世界坐标系下的实时位置的计算过程包括步骤：S51，读出机器人当前在像素坐标系下的坐标(u1',v1')；S52，在采集到机器人的所有单目相机中选取相邻两个单目相机，并所述相邻两个单目相机的相机坐标系的原点投影到世界坐标系中，并获得所述相邻两个单目相机的相机坐标系的原点的投影点的坐标P1'(x1',y1')和P2'(x2',y2')；S53，计算出机器人当前在世界坐标系下的坐标(x',y')，且计算公式为：其中，fax为单目相机沿Ua轴的归一化焦距，fay为单目相机沿Va轴的归一化焦距，cax为单目相机光心的Ua轴坐标，cay为单目相机光心的Va轴坐标，Zc为单目相机距机器人所在平面的铅垂距离。在根据一些实施例的基于多目视觉的室内导航定位装置的定位方法中，在步骤S6中，机器人在步骤S5中的实时位置下的实时姿态的计算过程包括步骤：S61，选取L形线光源上的线段AB作为目标线段，分别读出线段AB的端点A、B当前在像素坐标系下的坐标；S62，通过判定机器人的旋转方向，其中为线段AB当前在像素坐标系下的方向向量，为线段AB上一时刻在像素坐标系下的方向向量；S63，通过判定机器人的旋转角度θ。在根据一些实施例的基于多目视觉的室内导航定位装置的定位方法中，L形线光源包括长线段和短线段，线段AB为L形线光源上的长线段或者短线段。本专利技术的有益效果如下：在本申请的基于多目视觉的室内导航定位装置及其定位方法中，由于该定位装置和该定位方法的定位过程不受外界环境干扰、也不受定位区域限制，从而提高了定位精度、降低了定位成本。并且，通过该定位装置和该定位方法实现的定位范围可以随单目相机的灵活部署实现弹性调整。此外，该定位装置和该定位方法适用于自动化程度要求高、机器作业要求高效的场合，且能有效避免人员介入对生产安全和作业效率的影响。附图说明图1是本专利技术的基于多目视觉的室内导航定位装置的结构示意图。图2是本专利技术中的多个单目相机的视场范围示意图。图3是本专利技术中的L形线光源在两个不同时刻的位置示意图。图4是本专利技术中的三类笛卡尔坐标系的关系示意图。图5是本专利技术的基于多目视觉的室内导航定位装置的定位方法的原理框图。其中，附图标记说明如下：1机器人41视觉处理系统2L形线光源42信号传输系统21长线段421上位机22短线段422下位机3单目相机5安装支架4控制系统S行走范围具体实施方式为使本申本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多目视觉的室内导航定位装置，其特征在于，包括机器人(1)、L形线光源(2)、多个单目相机(3)以及控制系统(4)；/nL形线光源(2)设置在机器人(1)上；/n所述多个单目相机(3)位于机器人(1)上方，相邻两个单目相机(3)的视场范围有交叉，且所述多个单目相机(3)的总视场范围不小于机器人(1)的行走范围(S)；/n控制系统(4)包括视觉处理系统(41)和信号传输系统(42)，视觉处理系统(41)通信连接于所述多个单目相机(3)，信号传输系统(42)包括上位机(421)和下位机(422)，上位机(421)通信连接于视觉处理系统(41)，下位机(422)设置在机器人(1)上并通信连接于上位机(421)和机器人(1)。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于多目视觉的室内导航定位装置，其特征在于，包括机器人(1)、L形线光源(2)、多个单目相机(3)以及控制系统(4)；
L形线光源(2)设置在机器人(1)上；
所述多个单目相机(3)位于机器人(1)上方，相邻两个单目相机(3)的视场范围有交叉，且所述多个单目相机(3)的总视场范围不小于机器人(1)的行走范围(S)；
控制系统(4)包括视觉处理系统(41)和信号传输系统(42)，视觉处理系统(41)通信连接于所述多个单目相机(3)，信号传输系统(42)包括上位机(421)和下位机(422)，上位机(421)通信连接于视觉处理系统(41)，下位机(422)设置在机器人(1)上并通信连接于上位机(421)和机器人(1)。


2.根据权利要求1所述的基于多目视觉的室内导航定位装置，其特征在于，所述基于多目视觉的室内导航定位装置还包括安装支架(5)，所述安装支架(5)固定安装所述多个单目相机(3)。


3.一种基于多目视觉的室内导航定位装置的定位方法，其特征在于，所述定位方法由权利要求1中的基于多目视觉的室内导航定位装置来实现，且所述定位方法包括步骤：
S1，对所述多个单目相机(3)进行编号，建立各单目相机(3)的相机坐标系O2a-XaYaZa、各单目相机(3)对应的像素坐标系O1a-UaVa以及室内场景中的世界坐标系O-XYZ，其中a为相机编号；
S2，利用所述多个单目相机(3)采集室内场景的初始图像，通过视觉处理系统(41)获取所有单目相机(3)的初始图像数据，并通过上位机(421)将所有的初始图像数据进行拼接处理以获得二维全景地图；
S3，通过上位机(421)在所述二维全景地图上手动规划出机器人(1)的目标运动轨迹，其中所述目标运动轨迹由所述二维全景地图上的一系列规划点构成；
S4，计算出所述二维全景地图上的一系列规划点在世界坐标系下的坐标；
S5，将机器人(1)置于所述室内场景中，通过上位机(421)将机器人(1)选定为跟踪目标，并在机器人(1)的移动过程中，上位机(421)对机器人(1)进行目标跟踪并获得机器人(1)在像素坐标系下的实时位置，然后计算出机器人(1)在世界坐标系下的实时位置；
S6，基于机器人(1)上的L形线光源(2)在单目相机(3)采集到的实时图像中的位置，计算出机器人(1)在步骤S5中的实时位置下的实时姿态，其中，机器人(1)在世界坐标系下的实时位置和实时姿态即为机器人(1)的实时位姿；
S7，上位机(421)将移动机器人(1)的实时位姿与目标运动轨迹进行比对、并向下位机(422)输出行走控制信号，下位机(422)将接收到的行走控制信号传递给机器人(1)，机器人(1)基于行走控制信号完成行走指令并最终到达规划的目的地。


4.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：王纪武，刘伟，戴波，杨历，原雪纯，褚文杰，裴欣，韩晓，许钧翔，严晨，韩硕，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京;11