CN105486311B - 室内机器人定位导航方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内机器人定位导航方法及装置。所述方法包括：利用机器人上设置的相机拍摄包含有位于机器人上方的标定板的图像；采用图像处理技术，识别出所述图像中的标定板，根据所述图像中的标定板及已知的该标定板的坐标确定机器人的当前位置及当前偏移角度，实现对机器人绝对位置的定位；以所述当前位置及所述当前偏移角度为基准，采用惯性导航方式对机器人进行导航。应用本发明，可以解决现有定位导航方法存在的定位精度低、成本高、使用不便、适用范围窄等问题。

Description

室内机器人定位导航方法及装置

技术领域

本发明属于机器人导航技术领域，具体地说，是涉及一种室内机器人定位导航方法及装置。

背景技术

在室内机器人相关技术研究中，导航技术属于其核心技术，也是实现机器人智能化和自主移动的关键技术。目前，针对室内执行物流搬运的室内机器人，主要采用激光导航和惯性导航的方式。

激光导航是在机器人上设置激光传感器，在机器人运行路线周围布设激光反射板，机器人通过激光传感器实时扫描反射板的方式来实现自身定位，根据定位进行导航。这种导航方式存在如下缺点：由于激光传感器价格昂贵，激光反射板的布设要求也比较严格，需要在地面上规划出特定位置用于布设激光反射板，对一些密集型的工厂造成了一些不便。此外，由于激光传感器扫描一周获取到定位信息的周期比较长，机器人本身具备一定的运动速度，造成了多个反射板的定位误差，这就限制了机器人的运行速度不能太快，不适用于长距离运输的情况。

惯性导航属于一种推算导航方式，即从一已知点的位置根据连续测得的运载体航向角和速度推算出，下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前位置。在这种惯性导航方式中，位置信息是经过积分运算而推算出来的，并非是绝对的位置，定位误差会随时间增大，定位和导航精度差。为解决惯性导航精度差的问题，现有技术采用了下述定位措施：在机器人上设置磁性传感器，在机器人运行路径的地面上打入磁钉，根据磁钉位置对机器人的当前位置进行校准定位，然后，基于该定位位置进行惯性导航。但是，在路径上打入磁钉，不仅需要破坏地面，且对磁钉位置要求较高，布设麻烦。而且，一旦路径发生变化，不仅需要重新布设磁钉，且原来布设的磁钉必须拔出，否则会造成干扰，因而造成该方式使用极其不便。

发明内容

本发明的目的是提供一种室内机器人定位导航方法及装置，解决现有定位导航方法存在的定位精度低、成本高、使用不便、适用范围窄等问题。

为实现上述发明目的，本发明提供的定位导航方法采用下述技术方案予以实现：

一种室内机器人定位导航方法，所述方法包括：

利用机器人上设置的相机拍摄包含有位于机器人上方的标定板的图像；

采用图像处理技术，识别出所述图像中的标定板，根据所述图像中的标定板及已知的该标定板的坐标确定机器人的当前位置及当前偏移角度，实现对机器人绝对位置的定位；

以所述当前位置及所述当前偏移角度为基准，采用惯性导航方式对机器人进行导航。

如上所述的方法，所述利用机器人上设置的相机拍摄包含有位于机器人上方的标定板的图像，具体包括：

在机器人执行任务之前，将机器人移动到指定的标定板下方，利用所述相机拍摄所述指定的标定板的图像；以及

在机器人执行所述任务的过程中，采用惯性导航方式估算出机器人运动到标定板拍摄区域时，利用所述相机拍摄包含有位于机器人上方的标定板的图像；

所述标定板拍摄区域为已知的、利用所述相机拍摄的图像中包含有标定板的区域。

如上所述的方法，所述标定板为棋盘格标定板，所述采用图像处理技术，识别出所述图像中的标定板，根据所述图像中的标定板及已知的该标定板的坐标确定机器人的当前位置及当前偏移角度，具体包括：

采用图像处理技术，识别出所述图像中的标定板所包含的棋盘格的尺寸；

根据已知的、棋盘格的尺寸与标定板标号的对应关系查找识别出的所述图像中的标定板的标定板标号，再根据已知的、标定板标号与标定板坐标的对应关系确定所述图像中的标定板的坐标；

采用图像标定技术计算机器人相对于所述图像中的标定板在x方向和y方向的水平偏移及机器人相对于所述图像中的标定板的偏移角度，根据所述水平偏移及所述图像中的标定板的坐标确定机器人的当前位置，根据所述机器人相对于所述图像中的标定板的偏移角度及已知的、所述图像中的标定板与所述任务对应的路径方向的角度关系确定机器人的当前偏移角度。

如上所述的方法，所述棋盘格标定板为多个，所有所述棋盘格标定板具有不完全相同或完全不相同的尺寸，多个所述棋盘格标定板以距离地面指定高度布设在机器人活动区域的上方，且遵循下述布设准则：

多个所述棋盘格标定板间隔布设，布设密度与棋盘格标定板下方的机器人活动区域的大小成反比；以及

所述相机拍摄的一副图像中所包含的棋盘格标定板具有完全不相同的尺寸。

为实现前述发明目的，本发明提供的定位导航装置采用下述技术方案予以实现：

一种室内机器人定位导航装置，所述装置包括：

标定板，位于机器人活动区域上方；

相机，设置在机器人上，用于向上拍摄图像；

定位单元，用于获取所述相机拍摄的包含有所述标定板的图像，采用图像处理技术，识别出所述图像中的标定板，根据所述图像中的标定板及已知的该标定板的坐标确定机器人的当前位置及当前偏移角度，实现对机器人绝对位置的定位；

惯性导航单元，用于以所述当前位置及所述当前偏移角度为基准，采用惯性导航方式对机器人进行导航；

运动控制单元，与所述惯性导航单元连接，用于调整机器人的运动姿态及控制机器人的运动状态；以及

人机交互管理单元，用于实现机器人的通讯、显示、配置及管理的人机交互。

如上所述的装置，还包括：

安全单元，用于定时检测机器人及装置自身的安全状态，执行相应的报警处理，以及在机器人运动过程中动态监测是否存在障碍物，并在存在障碍物时进行避让处理。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：

本发明利用相机拍摄具有标定板的图像、采用图像处理技术对机器人实现绝对位置的定位，然后，基于该定位位置采用惯性导航方式进行导航，实现了视觉定位与惯性导航相结合的定位导航，既改善了单纯的惯性导航方式误差大、在关键位置定位精度低的缺陷，又克服了传统激光导航方式成本高、运动速度慢的缺点，具有成本低、导航精度高、运动速度快等优点；而且，标定板悬挂于机器人上方，不受地面空间限制，无需对地面进行过多的改造，不会破坏地面，施工布设和使用均简单、方便，适用范围广，尤其适用于复杂环境下的室内机器人导航。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明室内机器人定位导航方法一个实施例的流程图；

图2是图1中一种棋盘格标定板的结构示意图；

图3是本发明室内机器人定位导航装置一个实施例的结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

请参见图1，该图所示为本发明室内机器人定位导航方法一个实施例的流程图，具体来说，是利用视觉定位与惯性导航相结合的一种定位导航方法。

如图1所示，该实施例实现室内机器人定位导航的方法具体包括下述步骤：

步骤11：利用机器人上设置的相机拍摄包含有位于机器人上方的标定板的图像。

在该实施例中，根据机器人的活动区域，在室内预先设置有标定板。具体来说，是在机器人活动区域的上方、以距离地面指定高度悬挂布设有多个标定板。例如，在距离地面2.5m处悬挂有多个标定板。而且，标定板优选为棋盘格标定板，而且，多个棋盘格标定板具有棋盘格不完全相同或完全不相同的尺寸。例如，9*7，11*13，7*11，而图2示出了7*11的一种棋盘格的结构。在该实施例中，用棋盘格的尺寸表征该标定板，因而，多个棋盘格标定板遵循下述布设准则进行布设：

其一，多个棋盘格标定板间隔布设，布设密度与棋盘格标定板下方的机器人活动区域的大小成反比。具体而言，在一定区域内、按照一定间隔来布设棋盘格标定板。在机器人活动区域较为宽阔的区域，布设密度小，也即以较大的间隔布设标定板；在机器人活动区域较为窄小的区域，布设密度大，也即以较小的间隔布设标定板。如此布设，能够在活动区域窄小、定位精度要求高的位置实现较为精确的定位。

其二，相机拍摄的一副图像中所包含的棋盘格标定板具有完全不相同的尺寸。也就是说，要保证相机所拍摄的一副图像中，包含在该图像中的棋盘格标定板若有多个，所有标定板的棋盘格尺寸不能相同，以便能够基于尺寸实现对标定板的识别。如果布设的所有棋盘格标定板具有完全不相同的尺寸，则该布设准则必定是满足的。若不是的所有棋盘格标定板具有相同的尺寸，那么，由于图像处理是根据棋盘格的尺寸来识别出标定板及其坐标，以便根据标定板坐标确定机器人的绝对位置，因而，在布设标定板时，需要将相同尺寸的标定板分散开来，保证相机一次拍摄的图像中不能包含有同尺寸的标定板。

而且，棋盘格的尺寸与标定板标号的对应关系以及标定板标号与标定板坐标的对应关系均是已知的、并预先存储在机器人控制系统中。如果识别出棋盘格的尺寸，则可以确定出标定板标号，进而能够确定出标定板坐标，具体来说是标定板中心点的坐标。

为实现视觉定位，在机器人上预先设置有相机，且相机优选为单目相机、固定在机器人的特定位置上、并垂直向上拍摄。

在该实施例中，利用机器人上设置的相机拍摄包含有位于机器人上方的标定板的图像，包括有初始状态下的拍摄和运动过程中的拍摄。

具体来说，初始状态下的拍摄是指：在机器人接收到任务、路径并执行任务之前，人工将机器人移动到指定的标定板下方，然后，启动相机，利用相机拍摄该指定的标定板的图像。由于人工将机器人移动到指定的标定板下方，因而，可以由人工设定该指定标定板的标号，即使存在尺寸相同的标定板，也是能够区分的。

运动过程中的拍摄是指：在机器人执行任务的过程中，采用惯性导航方式估算出机器人运动到标定板拍摄区域时，利用相机拍摄包含有位于机器人上方的标定板的图像。其中，标定板拍摄区域为已知的、利用相机拍摄的图像中包含有标定板的区域。也即，在估计机器人运动到标定板附近时，再启动相机进行拍摄。而且，由于拍摄区域时采用惯性导航估算的，大概的区域范围及该范围内标定板的标号范围是已知的，因而，即使存在尺寸相同的标定板，由于在一次拍摄的图像中不会同时出现同尺寸的标定板，因而标定板也是能够区分的。

步骤12：识别出步骤11所拍摄的图像中的标定板，根据图像中的标定板及已知的该标定板的坐标确定机器人的当前位置及当前偏移角度，实现对机器人绝对位置的定位。

如前所述，若标定板为棋盘格标定板，首先，采用图像处理技术，识别出图像中的标定板所包含的棋盘格的尺寸。该识别过程采用现有图像识别技术来实现，该实施例对具体识别过程不作具体限定和阐述。

然后，根据已知的、棋盘格的尺寸与标定板标号的对应关系查找识别出的图像中的标定板的标定板标号，再根据已知的、标定板标号与标定板坐标的对应关系确定出图像中的标定板的坐标，具体来说是指标定板中心点的坐标。

再然后，采用图像标定技术计算出机器人相对于图像中的标定板在x方向和y方向的水平偏移，以及机器人相对于图像中的标定板的偏移角度；然后，根据水平偏移及图像中的标定板的坐标确定出机器人的当前位置，而根据机器人相对于图像中的标定板的偏移角度及已知的、图像中的标定板与任务对应的路径方向的角度关系确定机器人的当前偏移角度。

在相机确定、相机在机器人上的位置确定且标定板距离地面的高度确定之后，采用图像标定技术即可计算出机器人相对于相机所拍摄的图像中的标定板在x方向和y方向这二维方向上的水平偏移以及机器人相对于标定板的偏移角度。计算方法可采用现有图像标定技术来实现，在此不作限定和具体阐述。然后，根据水平偏移及确定的标定板的坐标，即可逆推出机器人的当前坐标位置，且该当前坐标位置是绝对位置。当标定板位置确定、机器人任务路径确定之后，每个标定板与路径方向的角度关系是确定的，且该关系预先存储，可以直接调用。那么，根据机器人相对于图像中的标定板的偏移角度及已知的、图像中的标定板与任务对应的路径方向的角度关系即可确定出机器人的当前偏移角度。在确定出机器人的当前坐标位置和当前偏移角度之后，实现了对机器人绝对位置的定位及绝对角度方向的定位。

步骤13：以步骤12确定的当前位置及当前偏移角度为基准，采用惯性导航方式对机器人进行导航。

也即，以步骤12确定的当前位置和当前偏移角度作为惯性导航运动控制中下一个位置的预测基准，执行惯性导航运动控制。惯性导航运动控制的方法可采用现有技术来实现，在次也不作具体限定和阐述。

由于相机可以随时对标定板进行拍摄，拍摄一副图像并处理的周期短，因而，能够对机器人的位置快速、精确地进行定位，基于该定位执行惯性导航控制，既解决了传统惯性导航存在的误差大、精度低的问题，也克服了传统激光导航运动速度慢的缺点。而且，由于基于标定板的视觉定位与惯性导航相结合提高了导航精度，因而，对机器人惯性导航中的陀螺仪、编码器等的精度要求可降低，从而能降低整个机器人的成本。并且，由于标定板悬挂于机器人上方，不受地面空间限制，无需事先知晓机器人运动路径，无需对地面进行过多的改造，不会破坏地面，施工布设和使用均简单、方便，适用范围广，尤其适用于复杂环境下的室内机器人导航。

请参见图3，该图所示为本发明室内机器人定位导航装置一个实施例的结构框图。

如图3所示，该实施例的室内机器人定位导航装置包括如下结构单元：

标定板1，位于机器人活动区域上方；

相机2，设置在机器人上，用于向上拍摄图像；

定位单元3，用于获取相机2拍摄的包含有标定板的图像，采用图像处理技术，识别出图像中的标定板，根据图像中的标定板及已知的该标定板的坐标确定机器人的当前位置及当前偏移角度，实现对机器人绝对位置的定位；

惯性导航单元4，用于以定位单元3确定的当前位置及当前偏移角度为基准，采用惯性导航方式对机器人进行导航；

运动控制单元5，与所述惯性导航单元连接，用于调整机器人的运动姿态及控制机器人的运动状态；以及

人机交互管理单元7，用于实现机器人的通讯、显示、配置及管理的人机交互。

此外，定位导航装置还可以包括：

安全单元6，与人机交互管理单元7连接，用于定时检测机器人及装置自身的安全状态，执行相应的报警处理，以及在机器人运动过程中动态监测是否存在障碍物，并在存在障碍物时进行避让处理。

上述结构的定位装置，通过运行相关软件程序，能够按照图1实施例的定位导航方法实现对室内机器人的定位导航。利用该装置进行定位导航的优点，可以参考图1方法实施例的描述。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种室内机器人定位导航方法，其特征在于，所述方法包括：

利用机器人上设置的相机拍摄包含有位于机器人上方的标定板的图像；

采用图像处理技术，识别出所述图像中的标定板，根据所述图像中的标定板及已知的该标定板的坐标确定机器人的当前位置及当前偏移角度，实现对机器人绝对位置的定位；

以所述当前位置及所述当前偏移角度为基准，采用惯性导航方式对机器人进行导航；

所述标定板为棋盘格标定板，所述棋盘格标定板为多个，所有所述棋盘格标定板具有不完全相同或完全不相同的尺寸，多个所述棋盘格标定板以距离地面指定高度布设在机器人活动区域的上方，且遵循下述布设准则：

多个所述棋盘格标定板间隔布设，布设密度与棋盘格标定板下方的机器人活动区域的大小成反比；以及

所述相机拍摄的一副图像中所包含的棋盘格标定板具有完全不相同的尺寸。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用机器人上设置的相机拍摄包含有位于机器人上方的标定板的图像，具体包括：

在机器人执行任务之前，将机器人移动到指定的标定板下方，利用所述相机拍摄所述指定的标定板的图像；以及

在机器人执行所述任务的过程中，采用惯性导航方式估算出机器人运动到标定板拍摄区域时，利用所述相机拍摄包含有位于机器人上方的标定板的图像；

所述标定板拍摄区域为已知的、利用所述相机拍摄的图像中包含有标定板的区域。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用图像处理技术，识别出所述图像中的标定板，根据所述图像中的标定板及已知的该标定板的坐标确定机器人的当前位置及当前偏移角度，具体包括：

采用图像处理技术，识别出所述图像中的标定板所包含的棋盘格的尺寸；

根据已知的、棋盘格的尺寸与标定板标号的对应关系查找与识别出的所述图像中的标定板的标定板标号，再根据已知的、标定板标号与标定板坐标的对应关系确定所述图像中的标定板的坐标；

采用图像标定技术计算机器人相对于所述图像中的标定板在x方向和y方向的水平偏移及机器人相对于所述图像中的标定板的偏移角度，根据所述水平偏移及所述图像中的标定板的坐标确定机器人的当前位置，根据所述机器人相对于所述图像中的标定板的偏移角度及已知的、所述图像中的标定板与任务对应的路径方向的角度关系确定机器人的当前偏移角度。

4.一种室内机器人定位导航装置，其特征在于，所述装置包括：

标定板，位于机器人活动区域上方；

相机，设置在机器人上，用于向上拍摄图像；

定位单元，用于获取所述相机拍摄的包含有所述标定板的图像，采用图像处理技术，识别出所述图像中的标定板，根据所述图像中的标定板及已知的该标定板的坐标确定机器人的当前位置及当前偏移角度，实现对机器人绝对位置的定位；

惯性导航单元，用于以所述当前位置及所述当前偏移角度为基准，采用惯性导航方式对机器人进行导航；

运动控制单元，与所述惯性导航单元连接，用于调整机器人的运动姿态及控制机器人的运动状态；以及

人机交互管理单元，用于实现机器人的通讯、显示、配置及管理的人机交互；

所述标定板为棋盘格标定板，所述棋盘格标定板为多个，所有所述棋盘格标定板具有不完全相同或完全不相同的尺寸，多个所述棋盘格标定板以距离地面指定高度布设在机器人活动区域的上方，且遵循下述布设准则：

多个所述棋盘格标定板间隔布设，布设密度与棋盘格标定板下方的机器人活动区域的大小成反比；以及

所述相机拍摄的一副图像中所包含的棋盘格标定板具有完全不相同的尺寸。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

安全单元，用于定时检测机器人及装置自身的安全状态，执行相应的报警处理，以及在机器人运动过程中动态监测是否存在障碍物，并在存在障碍物时进行避让处理。