CN102735235B - 基于二维码的室内移动机器人定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于二维码的室内移动机器人定位系统和方法，该系统包括安装在移动机器人上的二维码定位控制器、二维码采集装置和分布于室内环境中的二维码标签，该二维码定位控制器由微处理器和通信接口连接构成，微处理器通过通信接口与二维码采集装置相连接，用于控制二维码采集装置进行二维码图像采集、接收二维码图像采集装置采集的二维码图像并实现精确定位功能；该方法通过对室内二维码标签进行照相、坐标转换及编码值映射获得移动机器人的实际位置。本发明将视觉定位技术、二维码定位技术及两自由度测速技术有机结合在一起，实现了对移动机器人的准确定位功能，解决了传统视觉定位系统在图像处理上过于复杂和定位精度不够准确的问题。

Description

基于二维码的室内移动机器人定位系统

技术领域

本发明属于移动机器人技术领域，尤其是一种基于二维码的室内移动机器人定位方法。 

背景技术

为了在自动化生产和仓储管理中应用移动机器人，要求室内移动机器人必须精确识别当前位置，只有精确识别当前位置，才能精确地组装产品、传输和搬运产品。目前，室内移动机器人定位方法一般有几种：测距法、视觉定位方法、推算定位与RFID相结合方法、条形码定位方法。下面对这些测距方法分别进行说明： 

测距法也称推算法，其通过两个轮子加装的编码器测出微小距离，计算出移动机器人位置和姿态的变化量，通过累加，实现移动机器人的自动定位。但是，一旦车轮行进过程中出现打滑空转现象，由于编码器的输出不能修正这一误差，所以，随着时间的推移，将会加大误差累计，导致定位精度的降低，因此，测距法只适应于一段相当短的距离上。 

识别移动机器人位置与方向的另外一种方法是射频标识卡和一种RFID阅读器的方法。在这种方法中每一个射频标签对应唯一号码，并根据唯一号码，在射频标签映射表中对应的其实际地理位置，从而定位移动机器人的实际位置。但是使用这种方法必须高密度地敷设射频标签，才能满足机器人定位的需要，而随之带来的问题是，RFID如果分布密度过高，从RFID卡所输出的信号之间将产生相互干扰，可能会出现一次读取多个卡号而导致无法定位。针对上述问题，可以采用推算定位与RFID相结合的方法来解决，一方面用推算法在保证定位精度的前提下，减少了RFID的分布密度，一方面用RFID定位信息修正了航位推算的累积误差，但是由于RFID阅读器的有效读取范围在几个至几十个厘米内，具体取决于射频的发射功率、读取角度、位置以及杂散电磁波的干扰等诸多不确定因素的影响，因此，其定位精度很难达到厘米级，不能满足移动机器人定位精度要求很高的场合。 

发明专利02105980.2公布了用于吸尘机器人的视觉定位方案：通过一个垂直设置的摄像头获取天花板的图像信息，利用图像分析、对比技术判定机器人的位置，实现整个居室内的遍历清洁作业之功能。该方法存在的问题是：1、由于是两套图像进行对比，需要将其中一套全图像图像预先保存起来，这就需要一个大容量存储介质存储图像，当需要时随时提取并和当前图像信息进行对比，从而获得当前位置在整个居室中的实际地理位置；2、图像分析需要强大的数据运算能力，远非一般嵌入式系统所能胜任，以上都说明采用视觉定位方案大大增加了成本。 

条形码移动机器人定位方法针对以上不足进行了改进。发明专利20041005968.1公布了一种基于一维条形码的室内移动机器人定位系统和方法，该方法是在每个条形码标签上印制若干个条形码，每个条形码数据由两部分组成：绝对地址码和位置偏移码，绝对地址码用于定位该标签在室内环境中的实际地理位置，位置偏移码用于确定该标签上各个条形码之间的偏移量，每个标签上各个条形码上的绝对地址码是相同的，代表整个标签在室内的地理位置，各个条形码之间的相对位置用各自的偏移量表示。为了保证条码扫描枪每次扫描得到一个完整的条码，规定条码扫描宽度不小于两个完整条码的长度，当扫描范围出现空白区时，通过对第1个空白区左右两侧的数据信息进行拼接而获得一个完整的条码数据。当用以上方法定位移动机器人位置时，是将标签的位置(绝对位置)、条码的位置(相对位置)、条码扫描枪位置(相对位置)这三个数据叠加，最终得到移动机器人在室内实际地理位置。以上方法的优点在于通过条形码符号的巧妙布局，能够准确计算移动机器人室内位置并且在实施过程中做到占用资源少而降低成本，但是，该方法仍然有以下不足：1、条形码识读速度低，不适合于高效率的移动机器人领域。由于一维条形码不具备用于符号定位与特征识别的特定功能图形，不能依靠硬件本身的优势快速读取数据，在同样时间内一维条形码的读取速度仅仅是二维码QR码的十分之一，用CCD二维条码识读设备，每秒可识读30个含有100个字符的QR Code码符号；而对于含有相同数据信息的一维条形码，每秒仅能识读2～3个符号。2、条形码布局结构难以实现全方位识读。由于一维条形码是单方向排列数据，条码扫描器只能是横向扫描数据，其识读方位角只能是正负10度，由于角度范围比较小，移 动机器人在行驶过程中难以做到始终不偏离这个角度，尤其是车体呈弧线转弯时，一旦移动机器人偏离了识读角度将不能正确定位。3、容错能力差，对环境要求高、成本高，不利于推广使用。由于一维码没有纠错码字并且添加在数据码字序列后，使得符号在遇到损坏时丢失数据，当条形码长期使用后出现磨损，或由于地面凹凸不平，条形码弯曲时，都不能正常识读数据。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高速读取、全方位识读、容错纠错且定位精确的基于二维码的室内移动机器人定位方法。 

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的： 

一种基于二维码的室内移动机器人定位系统，包括安装在移动机器人上的二维码定位控制器、二维码采集装置和分布于室内环境中的二维码标签，该二维码定位控制器由微处理器和通信接口连接构成，微处理器通过通信接口与二维码采集装置相连接，用于控制二维码采集装置进行二维码图像采集、接收二维码图像采集装置采集的二维码图像并实现精确定位功能； 

所述的微处理器还设有两个编码器接口并连接两自由度测速装置，该测速装置包括测速装置支架、第一轴承、第二轴承、转轴、转轴编码器、连杆、随动轮、随动轮支架、随动轮转轴和随动轮编码器，第一轴承安装在测速装置支架的中部，第一轴承与转轴啮合在一起，转轴的一端通过第一轴承、转轴联轴器与转轴编码器相连接，转轴的另一端与第二轴承啮合在一起；在转轴上径向安装一连杆轴，该连杆轴的外端与连杆的一端铰装在一起，在连杆与转轴之间设有一个弹簧使连杆沿连杆轴转动，该连杆的另一端安装在随动轮转轴的两端，该随动轮安装在随动轮转轴上，该随动轮转轴一侧通过随动轮联轴器与随动轮编码器相连接，该随动轮编码器安装随动轮支架上，该随动轮支架与连杆的下端固装在一起。 

而且，所述的二维码为矩阵形。 

而且，所述的通信接口为网络接口、USB接口或者1394接口，所述的二维码图像采集装置为具有网络接口、USB接口或者1394接口的摄像头。 

而且，所述的测速装置支架由第一横架、第二横架和纵架连接构成，第一横架安装在纵架一侧的中部并与第一轴承固装，第二横架安装在纵架的一侧的 底部。 

本发明的优点和积极效果是： 

1、本发明将视觉定位技术和二维码定位技术有机地结合在一起，使两者之间取长补短、相得益彰：利用二维码硬件特性(三个角的位置探测图形及二维码正方形形状)，为图像采集和处理提供了高速识读和全方位识读的能力，从而解决了传统条形码(一维码)定位系统识读速度低(是二维码的十分之一)、识读角度单一(只能横向识读)的问题；利用二维码正方形四个顶点坐标计算出二维码中心点坐标，从而计算出小车和二维码之间的位置偏差和角度偏差，进而准确定位当前小车的位置和方向，解决了传统视觉定位系统在图像处理上过于复杂和定位精度不够准确的问题。 

2、本发明将两自由度测速装置和二维码定位控制器有效结合在一起：将两自由度测速装置安装在移动机器人的车体底部，通过转轴和随动轮上的编码器实时采集转轴和随动轮编码器的数据，实现了对车体速度的精确测速功能，从而保证了二维码定位控制器在二维码采集装置采集时在时间和物理位置上的有效性，解决了传统意义上的测速装置(编码器)在车轮空转造成的编码器输出错误致使计算小车位移计算错误、造成图像空拍的问题。 

附图说明

图1是本发明的系统连接示意图； 

图2是两自由度测速装置结构示意图； 

图3是两自由度测速装置的随动轮部分结构示意图； 

图4是两自由度测速装置的测速原理示意图； 

图5是本发明的图像坐标系和小车坐标系示意图； 

图6是本发明的图像采集模块采集的图像示意图； 

图7是图像处理模块获得二维码的四个顶点坐标示意图； 

图8是本发明的计算中心点方法示意图； 

图9是本发明的位姿变化计算方法示意图。 

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述： 

一种基于二维码的室内移动机器人定位系统，如图1所示，包括安装在移 动机器人上的二维码定位控制器、两自由度测速装置、二维码采集装置和分布于室内环境中的二维码标签。在室内环境中布置一定数量的二维码标签实现对移动机器人的引导功能，在本发明中，二维码采用矩阵形，该二维码标签具有三个角的位置探测图形及二维码正方形形状的特性，采用横向、纵向都可以存储信息矩阵式方式布局，能够实现360度全方位识读，二维码分功能图形区和编码格式区，功能图形区有若干个位置探测图形，用于识读设备探测码的位置、大小、倾斜角度，以实现在很短的时间内超高速识读，功能图形区还有校正图形，用于实现二维码的四级纠错功能。所述的二维码定位控制器由微处理器、两个编码器接口和通信接口连接构成，该微处理器通过两个编码器接口与两自由度测速装置相连接用于检测移动机器人的运行速度，微处理器通过通信接口与二维码采集装置相连接，用于控制二维码采集装置进行二维码图像采集并接收二维码图像采集装置采集的二维码图像，微处理器对二维码图像进行图像处理、坐标变换处理以及编码值映射处理实现精确定位功能。微处理器与二维码图像采集装置相连接的通信接口可以为网络接口、USB接口或者1394接口，通过上述通信接口可以将微处理器与具有网络接口、USB接口或者1394接口的摄像头相连接实现图像采集和定位处理功能。 

两自由度测速装置，如图2及图3所示，包括测速装置支架1、第一轴承6、第二轴承2、转轴3、转轴联轴器7、转轴编码器8、弹簧5、连杆9、随动轮11、随动轮支架10、随动轮转轴15、随动轮联轴器16和随动轮编码器17。测速装置支架包括第一横架13、第二横架12和纵架14，第一横架安装在纵架一侧的中部，第二横架安装在纵架的一侧的底部，第一横架的外侧与第一轴承固装在一起，第一轴承与转轴啮合在一起，转轴的一端通过第一轴承6、转轴联轴器安装转轴编码器，转轴的另一端与第二轴承啮合在一起；第二轴承既可以安装在转轴的上端，也可以安装在转轴的下端，具体形式为：第二轴承安装在转轴的上端，与此同时，转轴编码器通过转轴联轴器安装在测速装置支架的第二横架上；或者，第二轴承安装在测速装置支架的第二横架上，与此同时，转轴编码器通过第一轴承6、转轴联轴器安装在转轴的上端。在转轴上径向安装一连杆轴4，该连杆轴的外端与连杆的一端铰装在一起，在连杆与转轴之间设有一个弹簧 使连杆可以沿连杆轴转动，该连杆的另一端安装在随动轮转轴的两端，随动轮安装在随动轮转轴上，该随动轮和地面之间的距离靠弹簧调节，当地面凸起时，弹簧被缩短，当地面凹陷时，弹簧被伸长，随动轮转轴一侧通过随动轮联轴器与随动轮编码器相连接，该随动轮编码器安装随动轮支架上，该随动轮支架与连杆的下端固装在一起。 

两自由度测速装置安装在移动机器人下表面的中心位置上，两自由度测速装置的转轴编码器、随动轮编码器与二维码定位控制器内的转轴编码器接口、随动轮编码器接口相连接，转轴编码器接口的输出端、随动轮编码器接口的输出端与微处理器相连接，微处理器根据两个编码器采集的信息进行速度计算。其测速原理为：由于两自由度测速装置随动轮、转轴、连杆始终保持在同一个平面内运动，当移动机器人作直线运动时，转轴、连杆、随动轮排列为一条直线并且和车体运动方向一致，当车体转弯运动时，由于地面无法立即提供随动轮的转弯力矩，连杆与车体将会产生一个夹角θ，如图4所示，车体和两自由度测速装置都会产生一个瞬时半径和瞬时圆心，其中，圆心是共同的，角速度ω_转弯相同，而车体的转弯半径L2和两自由度测速装置的转弯半径L1是不相同的，由于车体转弯线速度V_车＝L2*ω_转弯，随动轮转弯线速度V_轮＝L1*ω_转弯，因此V车＝V轮/COSθ，其中，V轮＝L1*ω_转弯＝R*ω_随动轮，最终通过V车＝R*ω_随动轮/COSθ计算出车体的运行速度，从而实现了对车体的精确测速功能。 

二维码定位控制器根据两自由度测速装置的速度，能够有效地控制移动机器人行进到二维码标签处时进行拍照，从而保证了二维码定位控制器在二维码采集装置采集时在时间和物理位置上的有效性。 

一种基于二维码的室内移动机器人定位方法是通过内置于微处理器内的二维码定位控制软件来实现的，该二维码定位控制软件包括测速模块、摄像头标定模块、图像处理模块、坐标变换模块和编码值映射模块，该测速模块能够对移动机器人的运行速度进行准确测量并发送给微处理器；所述的摄像头标定模块用于对摄像头进行标定，以建立摄像头和移动机器人之间的对应关系；所述的图像处理模块输出二维码四个顶点在图像坐标系中的坐标；所述的编码值映射模块将每个唯一编码值一一对应对应其在室内的实际地理位置；所述的坐标 变换模块输出小车位置偏差值、位姿变化值和小车当前的位置和方向。本定位方法具体包括以下步骤： 

步骤1、摄像头标定模块对摄像头进行标定获得旋转矩阵R值，并建立空间某一点在图像坐标系和小车坐标系的转换关系： 

由于在基于二维码的室内移动机器人定位系统中，存在着二个坐标系：小车坐标系和图像坐标系，因此，在进行坐标提取前必须对摄像头进行标定以建立摄像头和小车对应关系。如图5所示，其中图像坐标系是以图像左上角为原点，以像素为单位的直角坐标系，u、v轴分别表示该像素在数字图像中的行数与列数。为了在视觉系统中建立统一的坐标，就需要建立图像坐标系与小车坐标系两者之间坐标转换关系，最终将图像坐标统一在小车坐标系下。摄像头标定模块采用传统的摄像头标定方法进行标定，如棋盘格标定方法，通过标定可以得到旋转矩阵R值，通过R值可将图像上某一点P_图像(u,v)转换为小车坐标系上某一点P_小车(x,y)，空间某一点在图像坐标系和小车坐标系的转换关系式如下： 

P_小车(x,y)＝R×P_图像(u,v)。 

步骤2、二维码定位控制器向二维码图像采集装置发出二维码图像采集命令，二维码图像采集装置通过照相方式采集室内二维码标签的二维码图像，并发送给二维码定位控制器。 

本步骤中，二维码定位控制器根据两自由度测速装置测量的速度及室内二维码标签的布局来控制二维码图像采集装置照相的时机，以保证二维码图像采集装置照相所得的图像均为二维码图像。如图6所示，二维码图像采集装置每次照相的二维码图像的外围尺寸是固定的，但二维码图像在图像中的位置是随机的，这是由于移动机器人在行驶中与当前二维码标签的位置是随机的，因此二维码采集装置采集的二维码图像中二维码位置在图像中也是随机变化的。 

步骤3、获取二维码在图像坐标系中四个顶点坐标并将其转换为小车坐标系坐标。 

在图像坐标系的每个点代表1个象素值，用P_图像(u,v)来表示。图像处理模块取出二维码图像，如图7所示，根据二维码三个角的位置探测图形能够快速得到二维码四个顶点在图像坐标系中的坐标P_二维码(u1,v1)、P_二维码(u2,v2)、P_二维码(u3,v3)、P_二维码(u4,v4)。根据空间某一点在图像坐标系和小车坐标系的转换关系式可以得到四个顶点在小车坐标系中的坐标P_二维码(x1,y1)、P_二维码(x2,y2)、P _二维码(x3,y3)、P_二维码(x4,y4)： 

P_二维码(x1,y1)＝R×P_二维码(u1,v1) 

P_二维码(x2,y2)＝R×P_二维码(u2,v2) 

P_二维码(x3,y3)＝R×P_二维码(u3,v3) 

P_二维码(x4,y4)＝R×P_二维码(u4,v4) 

步骤4、计算得到二维码中心点在小车坐标系中的坐标。 

如图8所示，二维码中心点的小车坐标系坐标(X_二维码,Y_二维码)可以直接通过其四个顶点的小车坐标系坐标计算后得到： 

X_二维码＝(Point1.x+Point2.x+Point3.x+Point4.x)/4； 

Y_二维码＝(Point1.y+Point2.y+Point3.y+Point4.y)/4； 

步骤5、计算得到整张图像中心点在图像坐标系中的坐标。 

由于整张图像尺寸是固定的，其像素中心点直接用整张图像的长、宽尺寸再各减半得到：P_图像中心(u，v) 

步骤6、将整张图像的中心点坐标转换为小车坐标系坐标： 

P_图像中心(x,y)＝R×P_图像中心(u,v) 

步骤7、计算得到小车X方向、Y方向偏差值。 

小车在X轴、Y轴方向的偏差值必须在统一坐标系的条件下计算。通过将小车坐标系下的二维码图像中心点(X_二维码,Y_二维码)和小车坐标系下的整张图像中心点(X_图像,Y_图像)都转换为小车坐标系下的中心点后，即可计算小车在X方向的偏差Delta_X和在Y方向的偏差Delta_y。 

小车在X方向的偏差Delta_X＝X_二维码-X_图像； 

小车在X方向的偏差Delta_y＝Y_二维码-y_图像。 

步骤8、计算小车当前的位姿变化。 

如图9所示，二维码采集装置随着车体位姿的变化其照相图像的角度可能是随机的，这样所照相的二维码图像在整张图像中的位置就会呈现倾斜角度。计算这个角度变化的方法是：通过二维码四个顶点在小车坐标系下的坐标得到 小车位姿变化Theta的计算公式： 

Theta＝atan2(Point2.x+Point3.x-Point1.x-Point4.x,Point2.y+Point3.y-Point1.y-Point4.y) 

步骤9、计算小车当前位置。 

编码值映射模块将小车和二维码之间的位置偏差附加到二维码的绝对坐标上即可获得当前小车在室内的实际地理位置。其方法如下：在二维码定位单元，通过坐标映射模块得到二维码标签在室内的实际地理位置，也就是在小车坐标系的坐标位置，再将小车的位置偏差附加到二维码标签的绝对坐标上，即可获得小车的当前位置。 

下面对本发明所使用的算法进行说明： 

1、利用二维码小车坐标系下的四个顶点坐标计算小车位姿偏差，公式为： 

Theta＝atan2(Point2.X+Point3.X-Point1.X-Point4.X,Point2.y+Point3.y-Point1.y-Point4.y) 

其推导过程如下： 

(1)将二维码图像坐标系下的四个顶点1、2、3、4，转换到小车坐标系，其X轴坐标为Point1.X、Point2.X、Point3.X、Point4.X，其Y轴坐标为Point1.y、Point2.y、Point3.y、Point4.y，其旋转角度为θ； 

(2)线段OB＝Point2.X-Point1.X；线段BC＝Point3.X-Point4.X,将线段bc平移到BC,则OC＝Point2.X+Point3.X-Point1.X-Point4.X，如图9所示； 

(3)作1条平行于BC的平行线FD，线段CD＝Point2.y-Point1.y，在三角形FDE和三角形abc中，由于θ角相同，直角相同，线段bc＝FD，因此，线段DE＝ab，而线段ab＝Point3.X-Point4.X，由于已知线段CD＝Point2.y-Point1.y，所以：线段CE＝Point2.y+Point3.y-Point1.y-Point4.y； 

(4)由于线段OC和CE为θ角的对边和临边，θ角的正切值Tagθ＝CE/OC，因为：CE＝Point2.y+Point3.y-Point1.y-Point4.y； 

OC＝Point2.X+Point3.X-Point1.X-Point4.X； 

所以：Tagθ＝(Point2.y+Point3.y-Point1.y-Point4.y)/(Point2.X+Point3.X-Point1.X-Point4.X)， 

(5)求θ角的反正切如下： 

Theta＝atan2(Point2.X+Point3.X-Point1.X-Point4.X,Point2.y+Point3.y-Point1.y-Point4.y)。 

2、利用二维码小车坐标系下的四个顶点坐标计算二维码中心点坐标。 

如图8所示，设正方形中心X坐标为X_中，Y轴坐标为Y_中， 

由于正方形半径相等： 

X1-X_中＝X_中-X3；X4-X_中＝X_中-X2； 

X1+X3＝2X_中；X4+X2＝2X_中； 

因此，X1+X3+X4+X2＝4X_中；X_中＝(X1+X3+X4+X2)/4； 

同理:Y_中＝(Y1+Y3+Y4+Y2)/4。 

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。 

Claims (4)

1.一种基于二维码的室内移动机器人定位系统，包括安装在移动机器人上的二维码定位控制器、二维码采集装置和分布于室内环境中的二维码标签，该二维码定位控制器由微处理器和通信接口连接构成，微处理器通过通信接口与二维码采集装置相连接，用于控制二维码采集装置进行二维码图像采集、接收二维码图像采集装置采集的二维码图像并实现精确定位功能；其特征在于：

所述的微处理器还设有两个编码器接口并连接两自由度测速装置，该测速装置包括测速装置支架、第一轴承、第二轴承、转轴、转轴编码器、连杆、随动轮、随动轮支架、随动轮转轴和随动轮编码器，第一轴承安装在测速装置支架的中部，第一轴承与转轴啮合在一起，转轴的一端通过第一轴承、转轴联轴器与转轴编码器相连接，转轴的另一端与第二轴承啮合在一起；在转轴上径向安装一连杆轴，该连杆轴的外端与连杆的一端铰装在一起，在连杆与转轴之间设有一个弹簧使连杆沿连杆轴转动，该连杆的另一端安装在随动轮转轴的两端，该随动轮安装在随动轮转轴上，该随动轮转轴一侧通过随动轮联轴器与随动轮编码器相连接，该随动轮编码器安装随动轮支架上，该随动轮支架与连杆的下端固装在一起。

2.根据权利要求1所述的基于二维码的室内移动机器人定位系统，其特征在于：所述的二维码为矩阵形。

3.根据权利要求1所述的基于二维码的室内移动机器人定位系统，其特征在于：所述的通信接口为网络接口、USB接口或者1394接口，所述的二维码图像采集装置为具有网络接口、USB接口或者1394接口的摄像头。

4.根据权利要求1所述的基于二维码的室内移动机器人定位系统，其特征在于：所述的测速装置支架由第一横架、第二横架和纵架连接构成，第一横架安装在纵架一侧的中部并与第一轴承固装，第二横架安装在纵架的一侧的底部。