CN102929280B - 移动式机器人分离式视觉定位导航方法及其定位导航系统 - Google Patents
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Abstract
一种移动式机器人分离式视觉定位导航方法，包括：在目标工作场地上方实时采集相应的场地图像；在所述场地图像中识别目标工作场地，包括识别目标工作场地边界以及障碍物；根据预设工作模式，在识别到的目标工作场地上生成相应的工作路径；根据所述的工作路径，指令移动式机器人工作。本发明效率高，定位导航精确，并且成本低，同时，能够高效地实现路径巡逻式和遍历扫描式两种应用。
Description
技术领域
本发明属于移动式机器人技术领域，尤其涉及一种移动式机器人分离式视觉定位导航方法及其定位导航系统。
背景技术
目前，一些工作场地的工作可以或已经采用移动式机器人系统来自动完成，如草坪剪草，农业用途，门庭积雪清理，高尔夫训练场拾球，室内清洁，工厂物料搬运等等。
但是，传统的移动式机器人系统的定位导航方法柔性不高，效率较低，定位导航不够精确或成本较高等缺点。传统的几种移动式机器人系统均存在着上述一些问题：（1）在场地中布设低压导线，由机器人上的传感器探测导电导线进行边界识别以及定位和导向，但是该方法布线麻烦，而且工作复杂时需要繁琐的布线或者只能使用低效率随机扫描法。(2)通过激光扫描三角定位，用该方法对场地进行数字化，然后手动遥控机器人绕边界和障碍物运行对其进行识别。该方法安装麻烦，降低了整体效率。(3)通过激光测距扫描，用激光测距扫描法建立场地地图，一般用于点对点的运行，需要专业人士安装。室外可以用分辨率不高的GPS初定位辅助，成本较高。（4）通过颜色跟踪，运行路线用特别颜色标出，位于机器人上的摄像头或传感器通过识别颜色来导航，该方法类似于低压导向法，路径改变时需要重新布色标，效率低。（5）传感器自动探测边界法。传感器自动探测边界和障碍物，在场地中间直线运行，遇到边界时随机偏转一个角度继续运行。没有整体概念，可能重复工作，精度不高，效率较低。
发明内容
基于此，本发明针对上述技术问题，提供一种移动式机器人分离式视觉定位导航方法及其定位导航系统。
本发明采用如下技术方案：
一种移动式机器人分离式视觉定位导航方法，包括:
在目标工作场地上方实时采集相应的场地图像；
在所述场地图像中识别目标工作场地，包括识别目标工作场地边界以及障碍物；
根据预设工作模式，在识别到的目标工作场地上生成相应的工作路径；
根据所述的工作路径，指令移动式机器人工作。
在其中一个实施例中，所述在所述场地图像中识别目标工作场地步骤还包括对目标工作场地进行定标，生成像素点与实际点之间的映射。
在其中一个实施例中，所述预设工作模式包括巡逻模式以及遍历模式。
在其中一个实施例中，所述预设工作模式为巡逻模式时，所述在识别到的目标工作场地上生成相应的工作路径步骤包括：
根据预设确定工作点以及工作路径；
将工作点以及工作路径换算成相应的像素点坐标集合；
根据预设在工作点设置相应的工作动作指令。
在其中一个实施例中，所述预设工作模式为遍历模式时，所述在识别到的目标工作场地上生成相应的工作路径步骤包括：
遍历扫描所述场地图像，生成之字形工作路径；
将所述之字形工作路径换算成相应的像素点坐标集合。
在其中一个实施例中，所述根据所述的工作路径，指令机器人工作步骤包括：
逐条读入所述工作路径，并指令移动式机器人根据该条工作路径的像素点坐标集合运行，在工作点由相应的工作动作指令指令移动式机器人做相应的工作动作；
实时计算移动式机器人与当前工作路径的偏差值，若偏差值大于预设最大偏差值，指令移动式机器人返回当前工作路径。
在其中一个实施例中，还涉及一种移动式机器人分离式视觉定位导航系统，包括用于实时采集相应场地图像的摄像头、控制装置以及用于根据所述控制装置发出的指令进行工作的移动式机器人，所述摄像头设于所述目标工作场地上方，所述控制装置与所述摄像头以及移动式机器人信号连接；
所述控制装置包括：
目标工作场地识别单元，用于在所述场地图像中识别目标工作场地，包括识别目标工作场地边界以及障碍物；
路径生成单元，用于根据预设工作模式，在识别到的目标工作场地上生成相应的工作路径；
控制单元，用于根据所述的工作路径，指令移动式机器人工作。
在其中一个实施例中，所述控制装置还包括定标单元，用于对目标工作场地进行定标，生成像素点与实际点之间的映射。
在其中一个实施例中，所述路径生成单元包括：
巡逻路径生成模块，用于根据预设确定工作点以及工作路径，将工作点以及工作路径换算成相应的像素点坐标集合，根据预设在工作点设置相应的工作动作指令。
遍历路径生成模块，用于遍历扫描所述场地图像，生成之字形工作路径，将所述之字形工作路径换算成相应的像素点坐标集合。
在其中一个实施例中，所述控制单元包括：
指令模块，用于逐条读入所述工作路径，并指令移动式机器人根据该条工作路径的像素点坐标集合运行，在工作点由相应的工作动作指令指令移动式机器人做相应的工作动作；
判断模块，用于实时计算移动式机器人与当前工作路径的偏差值，若偏差值大于预设最大偏差值，指令移动式机器人返回当前工作路径。
本发明效率高，定位导航精确，改变线路方便，并且成本低，同时，能够高效地实现路径巡逻式和遍历扫描式两种应用。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式本发明进行详细说明：
图1为本发明的一种移动式机器人分离式视觉定位导航方法的流程图。
图2为本发明当工作模式为巡逻模式时，工作路径的生成过程流程图;
图3为本发明当工作模式为遍历模式时，工作路径的生成过程流程图;
图4为本发明实施例S140步骤的流程图；
图5为本发明的一种移动式机器人分离式视觉定位导航系统的示意图；
图6为本发明的巡逻模式工作路径示意图；
图7为本发明的遍历模式工作路径示意图；
图8为本发明的控制装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种移动式机器人分离式视觉定位导航方法，包括:
S110、在目标工作场地上方实时采集相应的场地图像；
S120、在场地图像中识别目标工作场地，包括识别目标工作场地边界以及障碍物；
具体地，可以通过自动识别、人机互动识别或者人工识别方式设定移动式机器人需要运行场地的范围，即边界，障碍物等。
人工甚至还可以设定不同种类的边界或障碍物，移动式机器人会相应作不同的处理。如在草坪应用时可以设为池塘，沙坑，假山，树，栅栏等。是池塘或沙坑时，可以用探空传感器或冗余视觉定位（即留有余量）确保机器人不掉下去。而假山，树，栅栏可以用碰撞传感器确认，而不需要冗余视觉定位。
若场地中存在池塘或沙坑等不可进入的障碍时，那么必须要对目标工作场地进行定标，然后由人工来监视移动式机器人在工作场地中的运行，当然也可以通过遥控器来遥控移动式机器人。
由于移动式机器人有实体尺寸，在其运行过程中，可以建立像素点与实际点之间的映射。如在某个位置，移动式机器人横向占了40个像素，在该方向，机器人的宽度为20cm，则每个像素实际对应的尺寸为0.5cm。机器人没有运行到的地方，可以用数学模拟计算出来。
S130、根据预设工作模式，在识别到的目标工作场地上生成相应的工作路径；
其中，预设工作模式包括巡逻模式以及遍历模式。
具体地，如图2所示，当工作模式为巡逻模式时，工作路径的生成过程如下：
S131a、根据预设确定工作点以及工作路径；其中工作点通常预先设置，一般有多个工作点，工作点确定后，工作点与工作点之间即为工作路径，可以通过直线来表示路径，当然也可以用曲线。
S132a、将工作点以及工作路径换算成相应的像素点坐标集合；
S133a、根据预设在工作点设置相应的工作动作指令。如图6所示，不同工作点a,b,c需要设置如工件拾取及放置等动作。
可以理解的是，若机器人以此模式运行，也可以不用在S120步骤中对工作场地进行定标，确定工作路径时，避开不可进入的障碍即可。
当工作模式为遍历模式时，工作路径的生成过程如下：
S131b、遍历扫描场地图像，生成之字形工作路径；
具体地，如图3所示，选择场地图像的一条最长边，或者由人工方式选定一条边，沿该边产生一系列平行线，这些平行线间的距离为移动式机器人的工作直径。这些平行线与边界和障碍物边界相交将其分割成更短的线段。然后从一条平行线开始，请参考图7，图7中是从最左边的平线线段开始的。当该线段扫描完后，然后找寻距离其最近的一条平行线，并对其进行扫描。如此循环，对工作场地进行扫描。当某一条线扫描完后，它相邻的场地都已经扫描，而其它地方仍然有没有扫描到的区域，此时需要跨过已经扫描过的区域，来到没有扫描过的地方继续扫描。穿越已经扫描过的区域时，图中的虚线显示了这种路径。到达新区域后又按上面的方法进行扫描。如此循环，直到完成对工作场地所有区域的扫描。
S132b、将所述之字形工作路径换算成相应的像素点坐标集合。
以上两种路径生成模式都是通过换算成像素，然后根据图像进行定位导航，当然也可以换算成实际几何空间，在几何空间进行定位导航。
S140、根据所述的工作路径，指令移动式机器人工作，如图4所示，具体过程如下：
S141、逐条读入工作路径，并指令移动式机器人根据该条工作路径的像素点坐标集合运行，在工作点由相应的工作动作指令指令移动式机器人做相应的工作动作；
S142、在工作过程中，继续采集场地图像，实时计算移动式机器人与当前工作路径的偏差值，若偏差值大于预设最大偏差值，指令移动式机器人返回当前工作路径。完成一条路径后，再读入下一路径并按上面方法完成。直到完成所有的指令。
对于遍历模式，也可以不事先产生路径直接运行。移动式机器人沿着一个方向运行，由其内部机构保证它向一个方向直线运行。当检测到它已经到达边界或障碍时会向其发出指令，它将自动转向，移动规定的距离后向原来相反的直线方向运行。如此反复运行，同样是以之字形的路线工作，当连续运行能到达的区域都已经扫描完，而其它地方仍然有没有扫描到时。此时移动式机器人根据计算机图像判断发出的指令空运行到没有扫描过的区域继续扫描。如此也可以完成对整个工作场地的扫描。可以理解的是，若机器人以此种遍历模式运行时，同样可以不用在S120步骤中对工作场地进行定标。
当移动式机器人电力不足时，移动式机器人会自动回到充电站充电，充好电后回到原来的位置继续工作。当机器人完成整个场地的工作会自动回到充电站待机，直到下一次任务。
如图5所示，本发明还涉及一种移动式机器人分离式视觉定位导航系统，包括用于实时采集相应工作场地2图像的摄像头110、控制装置120以及用于根据控制装置120发出的指令进行工作的移动式机器人130，摄像头110设于目标工作场地2上方，控制装置120与摄像头110以及移动式机器人130信号连接。
机器人130将在工作场地2中进行工作，工作场地2中包括不同形状或不同类型的障碍物4。摄像头5固定于工作场地2上方，通过无线或有线与控制装置120通信。
其中，摄像头110根据工作场地2的大小以及移动式机器人130的工作精度来选取。如一个10mx10m的工作场地，如果要求最后移动式机器人130运行的位置精度为1cm，那么如果只用一个摄像头完成任务，需要的像素为：
（10m/(0.01m)*Si）*（10m/(0.01m)*Si）
(Si-安全系数，由图像质量，环境等因素决定，大于等于2)。
如果安全系数取2，则需要选取2000*2000像素的镜头。
将选取的摄像头110架设到工作场地2的合适位置，以便这些摄像头110的视场尽可能均匀覆盖场地，即相同场地面积占据相同数量的像素。但是由于摄像头不是位于草坪正上方，而且一般都会和场地有夹角，因此不可能相同场地面积占据相同数量的像素。
用户可以观察所摄取的图像以调整和确认摄像头的最佳位置。
可以理解的是，如果工作场地障碍物多、面积大或成细长状等情况，需要多摄像头监视。当有些地方多摄像头都可以拍摄到图像时，用像素变化率最慢的图像，即对该区域分辨率最高的图像来定位导航。
摄像头110的镜头也可以采用自动伸缩式，既可以整体监控，又可以局部跟踪机器人高精度定位导航。
控制装置120可以独立于移动式机器人130之外或位于移动式机器人130之中。当控制装置120独立于移动式机器人130之外时，一般通过无线网络与移动式机器人130进行通信。
如图8所示，具体地，控制装置120包括：
目标工作场地识别单元121，用于在场地图像中识别目标工作场地，包括识别目标工作场地边界3以及障碍物4；
路径生成单元122，用于根据预设工作模式，在识别到的目标工作场地上生成相应的工作路径5；路径生成单元122包括：
巡逻路径生成模块122a，用于根据预设确定工作点6以及工作路径5，将工作点6以及工作路径5换算成相应的像素点坐标集合，根据预设在工作点6设置相应的工作动作指令。
遍历路径生成模块122b，用于遍历扫描场地图像，生成工作路径5，将之字形工作路径换算成相应的像素点坐标集合，其中工作路径5为之字形。
控制单元123，用于根据所述的工作路径5，指令移动式机器人130工作，控制单元123包括：
指令模块123a，用于逐条读入工作路径5，并指令移动式机器人根据该条工作路径的像素点坐标集合运行，在工作点由相应的工作动作指令指令移动式机器人做相应的工作动作；
判断模块123b，用于实时计算移动式机器人与当前工作路径的偏差值，若偏差值大于预设最大偏差值，指令移动式机器人返回当前工作路径。
控制装置120还包括定标单元124，用于对目标工作场地进行定标，生成像素点与实际点之间的映射。
移动式机器人130由通信系统，运行系统，工作系统以及传感系统构成。
移动式机器人130上可加装其他传感器，如装有碰撞、探空、倾倒、搬离等传感器。
移动式机器人130表面可用特别的颜色形状或者加装特别颜色LED灯以便易于从工作环境中识别，一般还配有自动充电站。当机器人电力不足时，机器人会自动回到充电站充电。
本系统还可配置遥控器140等外部设备，用于预设工作点、工作模式能相关的参数，并且可以发送工作指令给控制装置120，便于人工操作。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
Claims (2)
1.一种移动式机器人分离式视觉定位导航方法，其特征在于，包括:在目标工作场地上方实时采集相应的场地图像；在所述场地图像中识别目标工作场地，包括识别目标工作场地边界以及障碍物；根据预设工作模式，在识别到的目标工作场地上生成相应的工作路径；根据所述的工作路径，指令移动式机器人工作；所述在所述场地图像中识别目标工作场地步骤还包括对目标工作场地进行定标，生成像素点与实际点之间的映射；所述预设工作模式包括巡逻模式以及遍历模式，所述预设工作模式为巡逻模式时，所述在识别到的目标工作场地上生成相应的工作路径步骤包括：根据预设确定工作点以及工作路径；将工作点以及工作路径换算成相应的像素点坐标集合；根据预设在工作点设置相应的工作动作指令；所述预设工作模式为遍历模式时，所述在识别到的目标工作场地上生成相应的工作路径步骤包括：遍历扫描所述场地图像，生成之字形工作路径；将所述之字形工作路径换算成相应的像素点坐标集合；所述根据所述的工作路径，指令机器人工作步骤包括：逐条读入所述工作路径，并指令移动式机器人根据该条工作路径的像素点坐标集合运行，在工作点由相应的工作动作指令指令移动式机器人做相应的工作动作；实时计算移动式机器人与当前工作路径的偏差值，若偏差值大于预设最大偏差值，指令移动式机器人返回当前工作路径。
2.一种移动式机器人分离式视觉定位导航系统，其特征在于，包括用于实时采集相应场地图像的摄像头、控制装置以及用于根据所述控制装置发出的指令进行工作的移动式机器人，所述摄像头设于目标工作场地上方，所述控制装置与所述摄像头以及移动式机器人信号连接；所述控制装置包括：目标工作场地识别单元，用于在所述场地图像中识别目标工作场地，包括识别目标工作场地边界以及障碍物；路径生成单元，用于根据预设工作模式，在识别到的目标工作场地上生成相应的工作路径；控制单元，用于根据所述的工作路径，指令移动式机器人工作；所述控制装置还包括定标单元，用于对目标工作场地进行定标，生成像素点与实际点之间的映射；所述路径生成单元包括：巡逻路径生成模块，用于根据预设确定工作点以及工作路径，将工作点以及工作路径换算成相应的像素点坐标集合，根据预设在工作点设置相应的工作动作指令；遍历路径生成模块，用于遍历扫描所述场地图像，生成之字形工作路径，将所述之字形工作路径换算成相应的像素点坐标集合；所述控制单元包括：指令模块，用于逐条读入所述工作路径，并指令移动式机器人根据该条工作路径的像素点坐标集合运行，在工作点由相应的工作动作指令指令移动式机器人做相应的工作动作；判断模块，用于实时计算移动式机器人与当前工作路径的偏差值，若偏差值大于预设最大偏差值，指令移动式机器人返回当前工作路径。
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