CN103294059B - 基于混合导航带的移动机器人定位系统及其方法 - Google Patents

基于混合导航带的移动机器人定位系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于混合导航带的移动机器人定位系统及其方法,其技术特点是:该系统包括安装在移动机器人小车上的混合导航定位控制器、混合导航图像采集器和分布于地面上的混合导航带,该混合导航定位控制器与混合导航图像采集器相连接用于采集混合导航带信息并实现移动机器人的精确定位功能;该方法包括:利用色带图像进行移动机器人小车的横向纠偏和角度纠偏;利用二维码图像进行移动机器人小车的纵向纠偏并计算定位移动机器人小车在世界坐标系下的坐标位置。本发明设计合理,不仅保证了移动机器人小车自主导航系统横向纠偏和角度纠偏的实时性,从而进一步带动并保证了二维码纵向纠偏的实时性,有效提高了移动机器人自主导航的准确性和可靠性。

Description

基于混合导航带的移动机器人定位系统及其方法
技术领域
[0001] 本发明属于移动机器人导航技术领域,尤其是一种基于混合导航带的移动机器人定位系统及其方法。
背景技术
[0002] 基于视觉的移动机器人自主导航是指移动机器人平台的图像采集系统获取机器人当前状态下的环境信息,通过对环境图像分析确定环境对象和机器人在环境中的位置。由于图像有较高分辨率、环境信息完整、符合人类的认知习惯等特点,因此,近些年来,基于视觉的移动机器人自主导航被得到广泛关注和认可,并且在理论和实践方面已取得相当多的成果。但是,由于移动机器人活动场景的复杂性和移动机器人的动态特性,如机器人的机械结构、行走过程中的累计误差、相机的光度、照度、拍摄速度、图像的清晰度等原因,因此,造成机器人视觉系统的实时性还不够,例如,基于二维码的室内移动机器人定位系统和方法,由于在地面敷设二维码时并不是连续敷设而是离散式的敷设,在两个离散的二维码之间,没有别的信息反馈,或者只能有类似于陀螺仪的角速度反馈,该反馈信息不够,导致AGV在两个二维码之间运行误差比较大,甚至到下个二维码时,读码器的视野已经偏离了二维码,导致无法读取。从现场实际情况来看,小车左右位置发生的偏差大是影响图像拍摄的主要原因,当横向偏离位置和偏离角度超出了相机拍摄范围时,就会出现持续拍摄不到图片的情况,曾经有人提出:通过RFID在色带上进行定位,但这只适用于精度比较低的应用场合。对于精度高的定位场合,RFID将不能满足。看来,解决问题的方法还是根据二维码的特性找出一种能够扬长避短的方法。二维码用于移动机器人自主导航有两个功能,其一,利用二维码三个顶角位置探测图形计算出每个二维码中心点坐标,通过中心点坐标可以计算二维码和小车的横向和前后方向的位置偏差以及角度偏差;其二,二维码存储了其绝对值坐标信息,通过读取二维码在室内的绝对值数据即可进一步计算出移动机器人的绝对值坐标,从而实现对移动机器人的位姿控制。从以上分析可以看出,二维码中心点坐标是用于控制移动机器人横向位置偏差的唯一因素,因此,如何能够实时获取图片并通过对图片的分析实时计算出中心点,以代替二维码进行横向纠偏,同时又保留二维码纵向纠偏和存储绝对值坐标的功能是目前迫切需要解决的问题。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种设计合理、实时性强且能显著提高移动机器人行走速度的基于混合导航带的移动机器人定位系统。
[0004] 本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的:
[0005] 一种基于混合导航带的移动机器人定位系统,包括安装在移动机器人小车上的混合导航定位控制器、安装在移动机器人小车的底部的混合导航图像采集器和分布于地面上的混合导航带,所述的混合导航带由色带及设置在色带上的二维码标签构成,所述的混合导航图像采集器包括二维码读码器和摄像头,该混合导航定位控制器与混合导航图像采集器相连接用于采集混合导航带信息并实现移动机器人的精确定位功能。
[0006] 而且,所述的混合导航带为直线或为弧线。
[0007] 而且,所述的二维码读码器至少为一个,所述的摄像头至少为一个。
[0008] 而且,所述的混合导航定位控制器由微处理器、编码器和通信接口连接构成,该微处理器与编码器相连接用于检测移动机器人的运行速度,该微处理器通过通信接口与混合导航图像采集器相连接进行混合导航带图像的采集、接收混合导航带上的图像并实现移动机器人的精确定位功能。
[0009] 而且,所述的通信接口为网络接口、USB接口或者1394接口,所述的二维码读码器为具有网络接口、USB接口或者1394接口的二维码读码器,所述的摄像头为具有网络接口、USB接口或者1394接口的摄像头。
[0010] 一种基于混合导航带的移动机器人定位方法,包括以下步骤:
[0011] 步骤1:利用混合导航图像采集器采集的色带图像进行移动机器人小车的横向纠偏和角度纠偏;
[0012] 步骤2:利用混合导航图像采集器采集的二维码图像进行移动机器人小车的纵向纠偏并计算定位移动机器人小车在世界坐标系下的坐标位置。
[0013] 而且,所述步骤I的处理方法为:
[0014] ⑴建立如下两个坐标系:图像坐标系(U、V)、小车坐标系(X小车、y小车);
[0015] ⑵计算在小车坐标系下色带相对于移动机器人小车的偏离角度和横向的偏离位置。
[0016] 而且,所述过程⑵的计算方法为:
[0017] ⑴计算色带相对于移动机器人的偏离角度
[0018] ①标定图像坐标系和小车坐标系的关系:
[0019] P 小车(x,y)=RXP 图像(ul, vl);
[0020] 上式中:
[0021] P图像(ul,vl)为空间某一点Pl在图像坐标系中的坐标;
[0022] P小车(X,y)为空间某一点Pl在小车坐标系下的坐标;
[0023] R为旋转矩阵值;
[0024] ②将图像坐标系下的I个或多个顶点转换为小车坐标系,转换后的坐标为:
[0025] P色带(xl, yl)=RXP色带(ul, vl);
[0026] P色带(x2,y2)=RXPftif (u2, v2);
[0027] P色带(x3,y3)=RXPftif (u3, v3);
[0028] P色带(x4,y4)=RXPftif (u4, v4);
[0029] 以上P色带(xl, yl)、P色带(x2, y2)、P色带(x3, y4)、P色带(x4, y4)为色带在小车坐标系下的坐标,P色带(ul, vl)、P色带(u2, v2)、P色带(u3, v3)、P色带(u4, v4)为色带在图像坐标系中的坐标;其中Pfti (xl,yl)、Pft| (x2,y2)为色带与小车Y轴方向中心线相交的两个端点,P色带(x3, y3)、P色带(x4, y4)为色带与小车沿着小车X轴方向一组对边的相交点;
[0030] ③计算小车坐标系下移动机器人小车相对于色带的姿态变化Θ I:
[0031] Θ l=atan2 ((Point4.y-Point3.y) /d);
[0032] 上式中,Point3.y、Point4.y为色带在小车坐标系下的两个顶点P色带(x3, y4)、P&I (x4, y4)的Y轴坐标;d为小车的长度;
[0033] ⑵计算色带相对于移动机器人的横向的偏离位置
[0034] ①计算小车坐标系下色带中心点的坐标心,
Y色带中心:
[0035] X色带中* = (Pointl.x_Point2.x) /2 ;
[0036] Y色带中心=(Pointl.y-Point2.y) /2 ;
[0037] ②获得小车中心点坐标X小车中,Y小车中:
[0038] ③计算色带相对于小车的横向的偏离位置X1
[ο。39] _Y/j、车中心。
[0040] 而且,所述步骤2的处理方法为:
[0041] ⑴建立如下三个坐标系:图像坐标系(U、V)、小车坐标系(X小车、y小车)、世界坐标系(X世界、y世界);
[0042] (2)计算在小车坐标系下二维码相对于移动机器人小车的前后方向的偏离位置;
[0043] ⑶根据实现贴码,可以得到二维码在世界坐标系下的坐标值;结合第⑵步,可以得到小车在世界坐标系下的偏差;
[0044] ⑷计算移动机器人小车相对于世界坐标系的前后方向的偏离位置,从而进行移动机器人小车的纵向纠偏。
[0045] 本发明的优点和积极效果是:
[0046] 本发明采用混合导航的方法,利用色带图像进行移动机器人小车的横向纠偏和角度纠偏,利用二维码图像进行移动机器人小车的纵向纠偏,通过采用混合导航方式实现了色带图像的实时采集,不仅保证了移动机器人小车自主导航系统横向纠偏和角度纠偏的实时性,从而进一步带动并保证了二维码纵向纠偏的实时性,提高了二维码读码器拍摄二维码图像的有效性和二维码解码的准确率,有效提高了移动机器人自主导航的准确性和可靠性。
附图说明
[0047]图1为本发明的定位系统连接图;
[0048] 图2为混合导航带的结构示意图;
[0049] 图3为混合图像采集装置的安装位置示意图;
[0050] 图4为利用色带进行小车横向纠偏和角度纠偏示意图;
[0051] 图5为本发明的利用二维码进行小车纵向纠偏示意图。
具体实施方式
[0052] 以下结合附图对本发明实施例做进一步详述:
[0053] 一种基于混合导航带的移动机器人定位系统,如图1所示,包括安装在移动机器人小车上的混合导航定位控制器、混合导航图像采集器和分布于地面上的混合导航带,所述的混合导航定位控制器由微处理器、编码器和通信接口连接构成,该微处理器与编码器相连接用于检测移动机器人的运行速度,该微处理器通过通信接口与混合导航图像采集器相连接,微处理器通过通信接口控制混合导航图像采集器进行混合导航带图像的采集、接收混合导航带上的图像并实现移动机器人的精确定位功能。
[0054] 如图2所示,所述的混合导航带由色带及设置在色带上的二维码标签构成,该混合导航带可以为直线,也可以为弧线,混合导航带的宽度可以为I个二维码标签的宽度。
[0055] 混合导航图像采集器包括至少一个二维码读码器和至少一个摄像头,混合导航图像采集器安装在移动机器人小车的底部,如图3所示,在移动机器人小车长度方向的中心线上的中央安装一个二维码读码器,前后两端分别安装一个摄像头。该通信接口为网络接口、USB接口或者1394接口,该二维码读码器为具有网络接口、USB接口或者1394接口的二维码读码器,该摄像头为具有网络接口、USB接口或者1394接口的摄像头。
[0056] 机器人视觉导航应实现两个功能:纠偏和定位。解决纠偏问题是通过随时获得移动机器人位置偏差和角度偏差,解决定位问题是通过随时获得机器人在世界坐标系下的位置,由于色带不含有位置(绝对值坐标)信息,而二维码含有位置(绝对值坐标)信息,因此,本发明中通过色带解决横向纠偏和角度纠偏问题,通过二维码解决纵向纠偏和移动机器人小车定位问题。
[0057] 一种基于混合导航带的移动机器人定位方法,包括以下步骤:
[0058] 步骤1:利用混合导航图像采集器采集的色带进行移动机器人小车的横向纠偏和角度纠偏,如图4所示,具体过程如下:
[0059] 1、建立两个坐标系:图像坐标系(U、V)、小车坐标系(X小车、y小车);
[0060] 2、计算在小车坐标系下色带相对于移动机器人小车的偏离角度和横向的偏离位置;
[0061] ⑴计算色带相对于移动机器人的偏离角度
[0062] ①标定图像坐标系和小车坐标系的关系:
[0063] P 小车(X,y) =RXP 图像(ul, vl);
[0064] 上式中:
[0065] P图像(ul,vl)为空间某一点Pl在图像坐标系中的坐标;
[0066] P小车(X,y)为空间某一点Pl在小车坐标系下的坐标;
[0067] R为旋转矩阵值;
[0068] ②将图像坐标系下的I个或多个顶点转换为小车坐标系,转换后的坐标为:
[0069] P色带(xl, yl)=RXP色带(ul, vl);
[0070] P色带(x2,y2)=RXPftif (u2, v2);
[0071] P色带(x3, y3) =RXP色带(u3, v3);
[0072] P色带(x4, y4)=RXP色带(u4, v4);
[0073] 以上P色带(xl, yl)、P色带(x2, y2)、P色带(x3, y4)、P色带(x4, y4)为色带在小车坐标系下的坐标,P色带(ul, vl)、P色带(u2, v2)、P色带(u3, v3)、P色带(u4, v4)为色带在图像坐标系中的坐标;其中Pfti (xl,yl)、Pft| (x2,y2)为色带与小车Y轴方向中心线相交的两个端点,P色带(x3, y3)、P色带(x4, y4)为色带与小车沿着小车X轴方向一组对边的相交点。
[0074] ③计算小车坐标系下移动机器人小车相对于色带的姿态变化Θ I
[0075]因为:tan Θ l=m/d= (Point4.y-Point3.y) /d ;
[0076]所以:Θ l=atan2 ((Point4.y_Point3.y)/d);
[0077] 上式中,Point3.y、Point4.y为色带在小车坐标系下的两个顶点P色带(x3, y4)、P&I (x4, y4)的Y轴坐标;d为小车的长度;
[0078] ⑵计算色带相对于移动机器人的横向偏离位置
[0079] ①计算小车坐标系下色带中心点的坐标心,
Y色带中心
[0080] 其中,为小车坐标系下色带中心点的X轴坐标,为小车坐标系下色带中心点的Y轴坐标;
[0081] X色带中* = (Pointl.x_Point2.X)/2 ;
[0082] Y色带中心=(Pointl.y-Point2.y) /2 ;
[0083] ②获得小车中心点坐标:
[0084] X小车巾,Y小车中*
[0085] ③计算色带相对于小车的横向的偏离位置
[0086] 小车相对于色带的横向的偏离位置为
Xi=Y色带中心—Y小车中心。
[0087] 步骤2:利用混合导航图像采集器采集的二维码图像进行移动机器人小车的纵向纠偏,并计算定位移动机器人小车在世界坐标系下的坐标位置;
[0088] 本步骤的处理方法基于在如下三个在先专利申请:1、基于二维码的移动机器人定位系统和方法(申请号:201210186563.5)、2、基于多个二维码读码器的移动机器人定位系统及方法(申请号:201210472984.4) ;3、基于规则图形码复合标签的移动机器人定位系统及方法(申请号:201310017927.1)。关于二维码用于移动机器人小车进行纵向纠偏的详细步骤请参考以上专利,在此不再详细。如图5所示,对本步骤简述如下:
[0089] ⑴建立如下三个坐标系:图像坐标系(U、V)、小车坐标系(X小车、y小车)、世界坐标系(X世界、y世界);
[0090] (2)计算在小车坐标系下二维码相对于移动机器人小车的前后方向的偏离位置;
[0091] ⑶根据实现贴码,可以得到二维码在世界坐标系下的坐标值;结合第⑵步,可以得到小车在世界坐标系下的偏差;
[0092] ⑷计算移动机器人小车相对于世界坐标系的前后方向的偏离位置,从而进行移动机器人小车的纵向纠偏。
[0093] 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 (5)

1.一种基于混合导航带的移动机器人定位系统,其特征在于:包括安装在移动机器人小车上的混合导航定位控制器、安装在移动机器人小车的底部的混合导航图像采集器和分布于地面上的混合导航带,所述的混合导航带由色带及设置在色带上的二维码标签构成,所述的混合导航图像采集器包括二维码读码器和摄像头,该混合导航定位控制器与混合导航图像采集器相连接用于采集混合导航带信息并实现移动机器人的精确定位功能; 所述的混合导航带的色带用于混合导航图像采集器采集色带图像进行移动机器人小车的横向纠偏和角度纠偏,具体过程如下: ⑴建立如下两个坐标系:图像坐标系(U、V)、小车坐标系(X小车、y小车); ⑵计算在小车坐标系下色带相对于移动机器人小车的偏离角度和横向的偏离位置;所述过程⑵的计算方法为: 1、计算色带相对于移动机器人的偏离角度 ①标定图像坐标系和小车坐标系的关系: P 小车(X,y)=RXP 图像(ul, vl); 上式中: P图像(ul,vl)为空间某一点Pl在图像坐标系中的坐标; P小车(X,y)为空间某一点Pl在小车坐标系下的坐标; R为旋转矩阵值; ②将图像坐标系下的I个或多个顶点转换为小车坐标系,转换后的坐标为: P色带 (xl, yl)=RXP色带(ul, vl); P色带 (x2,y2)=RXP色带(u2, v2); p色带 (x3,y3)=RXP色带(u3, v3); p色带 (x4, y4)=RXP色带(u4, v4); 以上P色带(ul,vl)、P色带(u2,v2)、P色带(u3,v3)、P色带(u4, v4)为色带在图像坐标系中的坐标;Pm (xl,yl)、(x2, y2)为色带与小车Y轴方向中心线相交的两个端点在小车坐标系下的坐标,(x3,y3)、(x4, y4)为色带与小车沿着小车X轴方向一组对边的相交点在小车坐标系下的坐标; ③计算小车坐标系下移动机器人小车相对于色带的姿态变化ΘI: Θ l=atan2((Point4.y-Point3.y) /d); 上式中,Point3.y、Point4.y为色带在小车坐标系下的两个顶点P色带(x3, y3)、P色带(x4, y4)的Y轴坐标;d为小车的长度; i 1、计算色带相对于移动机器人的横向的偏离位置 ①计算小车坐标系下色带中心点的坐标Xftim, Y色带中心: X色带中心=(Pointl.x-Point2.x) /2 ; Y色带中心=(Pointl.y-Point2.y) /2 ; ②获得小车中心点坐标, Y小车中心: ③计算色带相对于小车的横向的偏离位置X1 Xi=Y色带中心—Y小车中心; 所述的设置在色带上的二维码标签用于混合导航图像采集器采集二维码图像进行移动机器人小车的纵向纠偏并计算定位移动机器人小车在世界坐标系下的坐标位置,其处理方法为: ①建立如下三个坐标系:图像坐标系(U、V)、小车坐标系(X小车、Y小车)、世界坐标系(X世界、y世界); ②计算在小车坐标系下二维码相对于移动机器人小车的前后方向的偏离位置; ③根据实现贴码,可以得到二维码在世界坐标系下的坐标值;结合第②步,可以得到小车在世界坐标系下的偏差; ④计算移动机器人小车相对于世界坐标系的前后方向的偏离位置,从而进行移动机器人小车的纵向纠偏。
2.根据权利要求1所述的基于混合导航带的移动机器人定位系统,其特征在于:所述的混合导航带为直线或为弧线。
3.根据权利要求1所述的基于混合导航带的移动机器人定位系统,其特征在于:所述的二维码读码器至少为一个,所述的摄像头至少为一个。
4.根据权利要求1所述的基于混合导航带的移动机器人定位系统,其特征在于:所述的混合导航定位控制器由微处理器、编码器和通信接口连接构成,该微处理器与编码器相连接用于检测移动机器人的运行速度,该微处理器通过通信接口与混合导航图像采集器相连接进行混合导航带图像的采集、接收混合导航带上的图像并实现移动机器人的精确定位功能。
5.根据权利要求4所述的基于混合导航带的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,所述的二维码读码器为具有网络接口、USB接口或者1394接口的二维码读码器,所述的摄像头为具有网络接口、USB接口或者1394接口的摄像头。
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