一种基于视觉的机器人室内定位导航方法技术

本发明专利技术公开了一种基于视觉的机器人室内定位导航方法，属于视觉导航领域。该方法是根据二维码的思路，设计了一种简单方便、易于识别、内含绝对位置坐标且具有一定纠错能力的人工路标，将路标设置于天花板上，由安装在机器人上且光轴与天花板垂直的摄像机进行拍摄，再通过图像的阈值分割、连通域提取、轮廓曲线匹配以及路标特征识别一系列步骤定位路标，解析路标中所包含的坐标信息，最终通过机器人的位置估计算法获得机器人当前的绝对位置和航向角。本发明专利技术方法减少了遮挡及噪声干扰，大大降低了图像处理方法、时间以及周围环境的复杂度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种导航方法，尤其涉及， 属于视觉导航领域。
技术介绍
室内机器人的定位定向是室内机器人领域的一个重要研究热点。由于室内存在卫 星信号屏蔽，因此GPS等卫星定位方法在室内无法发挥其定位快速准确的优势。利用无线 传感网进行室内定位是当前的热门研究方向，然而该方法一般采用基于链路质量指标或接 收信号强度获取节点相对位置的方法实现节点定位，定位精度差，误差甚至可达25%，无法 满足室内精确定位的要求。随着图像处理技术的发展，基于人工路标的机器人视觉导航定位得到了广泛应 用。如文献“章小兵，宋爱国，唐鸿儒.基于视觉的室内移动机器人精确定位方法.数 据采集与处理，2007，22 O) =196-200. ”提出了利用贴在天花板上的人工混合编码路标进行 定位的方法，路标上标有序号编码和不对称方向沟道，能识别360度航向角，并容易进行扩 展；文献“陆军，穆海军，朱齐丹等.全景视觉在机器人自主定位中的应用.计算机应用， 2007，27 (7) :1677-1679.，，及文献 “Chih Jen Wu，Wen Hsiang Tsai. Location estimation for indoor autonomous vehicle navigation by omni-directional vision using circular landmarks on ceilings. Robotics andAutonomous Systems,2009,57(5) 546-555.，，提出了基于全景视觉的机器人自主定位方法，通过全景摄像机拍摄机器人周围 环境的全方位景物图像，从中识别出机器人周围环境的已知路标，通过三角定位法获得机 器人的当前坐标；文献“Weiguo Lin, Songmin Jia，Takafumi Abe，et al. . Localization of mobile robot based on ID tag and WEB camera. Proceeding of the 2004IEEE Conference on Robotics，Automation and Mechatronics，Singapore，2004，2 :851-856. ” 提出了 RFID技术与计算机视觉相结合的定位方法，将室内环境用节点树表示，每个节点由 ID标签和颜色卡片两个路标组成，将其安装于天花板，通过RFID技术识别ID标签，并通过 摄像机识别路标位置和方向，从而实现机器人准确可靠的定位；文献“Jinwook Huh, Woong SikChung，Sang Yep Nam，et al. . Mobile Robot Exploration in Indoor Environment Using TopologicalStructure with Invisible Barcodes. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots andSystems，Bei jing，2006，29 (2) :5265-5272.，，提 出了一种用于小型地面清洁机器人的定位方法，将包含绝对位置信息的二维条形码粘贴在 地面上作为路标，路标只有在紫外灯照射下可见，并采用红外测距模块测量机器人和路标 间的距离。上述这些方法存以下缺点1)路标常常放置于地面上，容易被周围过往的其它机 器人所干扰；幻一些简单的路标虽然图像处理简单，但是不具备纠错性，而一些复杂路标 虽然具有完整数据纠错性，但是图案过于复杂，实时性差；3)不容易扩展到大环境下的机 器人室内定位导航。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，而提出一种自动化程度高、路标设计简单且图像处 理实时性高的基于视觉的机器人室内定位导航方法。该方法包括如下内容(1)设计一种基于二维条形码的人工路标，该人工路标是采用两种不同颜色的方 块组成的正方形，一种颜色代表二进制的1，另一种颜色代表二进制的0，该种路标包含隔 离区、判别区和数据区三个部分，将此种路标作为机器人室内定位定向的路标；(2)假设室内天花板是一个矩形，在天花板平面根据导航定位的需求进行网格划 分，并构建全局坐标系，该全局坐标系的坐标轴离散为m’列η’行，形成m’ Xn'个网格交 叉点，每个网格交叉点的坐标为(Χ/，Υ/ )，1彡i，^mM ^ j，彡n’，其中i，、j，、m，、n， 均为自然数，然后将路标中心对准网格交叉点粘贴在天花板上；(3)在机器人上安装有光轴垂直于天花板平面的摄像机，由该摄像机拍摄天花板 的图像，机器人根据拍摄的图像进行路标检测、识别和解析，并计算出机器人当前位置和航 向角，从而实现机器人在室内环境中的导航定位。与现有技术相比，本专利技术具有以下技术效果(1)本专利技术采用相对空旷和背景简单的天花板作为人工路标的摆放位置，周围没 有其它活动物体的影响，有利于减少遮挡以及噪声干扰。(2)本专利技术中所设计的二维码人工路标包含了平面坐标，并采用Hamming码进行 数据编码。与现有的不带数据编码功能的人工路标相比，本专利技术中的人工路标具有一定的 纠错性；与采用MR Code和QR Code进行数据编码的人工路标相比，本专利技术中的人工路标所 需的图像处理方法、时间复杂度以及周围环境复杂度的要求都大大降低。(3)本专利技术中涉及的机器人位置估计算法属于一种绝对定位方法，只要在摄像机 视野中出现一个完整的路标，即可根据简单的数学计算公式推导出机器人当前位置和航 向。附图说明图1为本专利技术中人工路标的构造示意图。图2为本专利技术中的人工路标粘贴在天花板上的示意图。图3为本专利技术中基于极值特征不变性的机器人定位导航功能算法的流程图。图4为两个直线组生成新直线的示意图。图5(a) (d)分别为人工路标的四种摆放方式示意图。图6为机器人位置估计示意图，图中A表示拍摄的图像中的路标中心；B表示拍 摄的图像中心；C表示拍摄的图像中的路标判别区原点。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。本专利技术的基于视觉的机器人室内定位导航方法，主要包括如下内容(1)设计一种基于二维条形码的人工路标，并将此种路标作为机器人室内定位定向的路标；该人工路标的构造如图1所示，其是由两种不同颜色的方块组成的正方形，两种 颜色应尽量有强烈对比，图中以黑白两种颜色为例，黑色方块代表二进制的1，白色方块代 表二进制的0;(2)假设室内天花板是一个宽度w米、长度h米的矩形，在天花板平面根据导航定 位的需求进行网格划分，并构建全局坐标系，该全局坐标系的坐标轴离散为m’列η’行，形 成m’ Χη’个网格交叉点，每个网格交叉点的坐标为(X/，Y/ )，1彡i’彡m’，1彡j’彡η’， 其中i’、j’、m’、n’均为自然数，然后将路标中心对准网格交叉点粘贴在天花板上，如图2所 示；(3)在机器人上安装有光轴垂直于(不要求严格垂直)天花板平面的摄像机，由该 摄像机拍摄天花板的图像，机器人根据拍摄的图像进行路标检测、识别和解析，并计算出机 器人当前位置和航向角，从而实现机器人在室内环境中的导航定位。本专利技术所设计的路标包含隔离区、判别区和数据区三个部分，每个部分的具体含 义如下i)隔离区。在路标判别本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于视觉的机器人室内定位导航方法，其特征在于：该方法包括以下内容：（１）设计一种基于二维条形码的人工路标，并将此种路标作为机器人室内定位定向的路标；（２）假设室内天花板是一个矩形，在天花板平面根据导航定位的需求进行网格划分，并构建全局坐标系，确定每个网格交叉点的平面坐标，然后将路标中心对准网格交叉点粘贴在天花板上；（３）在机器人上安装有光轴垂直于天花板平面的摄像机，由该摄像机拍摄天花板的图像，机器人根据拍摄的图像进行路标检测、识别和解析，并计算出机器人当前位置和航向角，从而实现机器人在室内环境中的导航定位。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：林国余，王海，蔡英凤，王东，杨彪，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：32