CN105856227A - 基于特征识别的机器人视觉导航技术 - Google Patents

Abstract

一种机器人视觉导航技术。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：通过特殊颜色的强光（或特殊光，比如红外不可见光）投影具有方向标志的简单图案到室内顶部墙壁，机器人上面设有向上的摄像头，不断拍摄室内顶部的图像，然后对拍摄到的图像进行计算，找出跟标志图案相同的颜色像素，接着结合图案的方向标志确定标志图案中核心标志点的二维坐标，这也就是机器人此时的相对于核心标志点的坐标，在以后，对走过的路线，存储其相对二维坐标，配合避障传感器，就能实现精确的路线规划与导航，因为具有方向标志的图案比较简单，颜色鲜明，所以硬件成本不需要很高，算法不需要太复杂，就能高效处理出标志图案中核心标志点的坐标，这样就可以以较低的成本、较高的效率解决机器人精确导航问题。

Description

基于特征识别的机器人视觉导航技术

技术领域

本发明涉及一种机器人通过摄像头识别室内顶部图像，对行走路线进行规划的技术方案，使得机器人能够准确知道自己在区域中的什么位置，规划下一步向什么方向走，并能对行走的路线进行记忆，以避免盲走，重复行走，可以应用于扫地（拖地）机器人、送餐机器人等领域。

背景技术

目前，扫地（拖地）机器人路线规划主要是通过碰撞、红外、超声波、激光等传感器辅助决策，较为高端的扫地机器人采用水平图形图像识别算法，算法复杂，硬件成本高昂，识别效率低，对于同样的图像，没有很准确的距离感，物体发生变动，图像识别会失盲。目前，市场上多数扫地（拖地）机器人行走路线是根据两侧轮子、中间万向轮结合转速传感器而规划好的几种简单行走路线，如直线模式，螺旋模式，沿边模式，重点区域模式等，这些行走模式会因遇到障碍物、行走时间太久而变乱，而不知道自己在哪里，这是因为没有整个空间的整体定位。

机器人通过传感器感知有没有遇到障碍物，主要的传感器包括碰撞传感器，红外传感器，超声波传感器，激光传感器等，这些传感器大多不能起到定位位置的作月，无线定位技术存在干扰，无法准确定位，激光传感器能绘制障碍物地图，但其存储比较复杂，而且其使用对眼睛具有一定危险性，所以有一定缺陷。

当机器人遇到障碍物后，会改变正常行走路线，因为目前市场上的机器人大多数都没有定位技术，慢慢的就会出现迷茫的状态，不知道下一步该往哪里走，哪里已经清扫过了，出现乱撞，盲扫，漏扫，重复清扫等现象。

送餐机器人，现在主要是按照铺设的轨道标志进行行走，通过身上的传感器，对障碍物进行避障，用户安装有一定的复杂度，成本较高。

发明内容

为了克服现有的扫地（拖地）机器人不能精确定位自己所在位置坐标的问题，本发明提供一种机器人视觉导航技术，该视觉导航技术能够测出机器人所在位置的精确坐标，对走过的路径进行存贮，规划下一步往哪里走，使得机器人不乱走，不重复，最后有效清洁好整个房间，而且实现该技术有算法简单，硬件成本低的优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：通过特殊颜色的强光（或特殊光，比如红外不可见光）投影具有方向标志的图案到室内顶部墙壁，只有投射的图案足够简单，颜色足够鲜明，以后的处理才会高效，精确。机器人上面设有向上的摄像头，不断拍摄室内顶部的图像，然后对拍摄到的图像进行计算，找出跟标志图案相同的颜色像素，然后结合图案的方向标志确定图案中核心标志点的二维坐标，这也就是机器人此时的相对核心标志点的坐标，当机器人在引导下或绕室内墙壁行走一周，就会记录下自己所有的相对坐标信息，也就计算出了室内行走空间，在以后，对走过的路线，存储其二维坐标，配合避障传感器，就能实现精确的路线规划与导航，因为具有方向标志的图案比较简单，形状比较特殊，颜色鲜明，所以硬件成本不需要很高，算法不需要太复杂，就能高效处理出标志图案中核心标志点的坐标，也就是机器人的相对坐标，若标志图案中核心标志点的坐标发生了变化，说明机器人的位置发生了移动，跟标志图案中核心标志点变化的方向正好相反，这样就可以以较低的成本、较高的效率解决机器人精确导航问题。

本发明的有益效果是，机器人可以在硬件成本较低情况下，非常简单、快速、精确的定位自己的相对坐标．有效的解决了扫地（拖地）机器人路线规划与导航的问题，使得扫地不再乱撞、迷航、重复，让扫地（拖地）机器人、送餐机器人等真正进入家庭，酒店等。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的具有方向标志的两个图案，这种图案是根据标志点的距离，角度区别标志点性质，标志图案的不同。

图2是用颜色不同的标志点构成标志图案。

图3是用图案形状的不同构成标志图案。

图4是根据顶部具有方向标志图案进行视觉导航的扫地（拖地）机器人示意图。

图5是根据顶部具有方向标志图案进行视觉导航的送餐机器人示意图。

图中1．方向标志点，2．核心标志点，3．普通标志点，4．方向标志点，5．核心标志点，6．普通标志点，7．红色核心标志点，8．蓝色标志点，9．方向标志，10．形状标志，11．固定在墙壁上的图案发射装置，12．室内顶部投射的标志图案，13．扫地（拖地）机器人，14．扫地（拖地）机器人摄像头，15．送餐机器人,16．送餐机器人摄像头。

图1中(1)(2)(3)组合成一个具有方向标志的图案，(2)、(3)决走图案一个维度的方向，(1)、(2)决定另外一个维度方向，这样(2)核心标志点就有了两个维度的坐标。(1)到(2)的距离比(2)到(3)距离长很多，以示区别其是方向标志点，方向标志是图案逆时针第一个距离长的标志点。根据标志点跟其他两个标志点的角度大小，决定是第几个标志图案。(1)、(2)和(2)、(3)构成90度角，而(4)、(5)和(5)、(6)的角度是60度。

图2(7)、(8)是不同颜色的两个标志点，(7)、(8)两个标志点的方向决定图案一个维度方向，颜色不同，标志另外一个维度的方向，根据两个维度方向，红色核心标志点(7)就有了两个维度的坐标。

图3中(10)表示一个维度，(9)表示另外一个维度，这样(10)下面右侧的那个直角点就有了两个维度的坐标。

(11)图案发射装置中的发射强光可以是LED，镭射光源，激光，甚至是红外不可见光，摄像头可以对红外不可见光成像，可以通过在摄像头上安装滤光片，让镜头透过红外光，而使可见光截至，从而选择性的对红外图像成像。

(12)顶部投射的图案，会因图案发射装置放置的位置不同，有不同的放大比例或各个标志点的偏移，因此，在设计发射装置时，应该考虑到这些误差给图像识别算法带来影响，同时也应该考虑到，机器人移动到不同的位置，所成像也会因为距离、方位的不同，标志点之间的距离，方向也会有误差，因此，具有方向标志的图案设计，及图像识别算法的适应能力，应该在一个能够精确识别的范围之内。

(13)、(16)是拍摄室内顶部图像的摄像头，拍摄到照片后，用算法计算找出跟具有标志图案颜色一致的像素点，根据找出的同一颜色像素点的形状，找出各个标志点、方向标志，得出核心标志点坐标。

具体实施方式

(11)图像发射装置采用高亮LED光源，图案用不透光的金属材质，制作出图1，左侧的三个标志点的过孔，作为光斑，用透镜成像原理，进行聚焦，镜头外面加上蓝色滤镜，投影到室内顶部。

扫地（拖地）机器人通过摄像头(13)不断的对室内顶部拍照，取得室内顶部图像，然后对取得的顶部图像的二维矩阵像素点进行比对，找出跟蓝色滤镜投射的颜色一样的像素点，再根据找到的像素点，计算三个像素点的距离，找出方向标志点(1)，最后计算(1)、(2)与(2)、(3)的角度，确定标志图案的序号（这里因为只是设置一个标志图案，室内空间大，可以设置多个图案标志，以精确导航更大的空间位置），得出核心标志点(2)的二维坐标，也就是此时扫地（拖地）机器人的相对坐标。

扫地（抱地）机器人先以逆时针方向，采用沿边模式，沿着室内墙壁行走一周，不断记下核心标志点的坐标，这样就得出了扫地（拖地）机器人行走空间范围，下面让该机器

人按照简单的直线模式进行清扫，扫地（拖地）机器人行走的路线正好跟核心标志点改变的

方向相反，并且随着清扫过程的推进，不断记下已经清过的核心标志点坐标，就能够精确导

航扫地（拖地）机器人进行清扫工作，不漏扫、不重复，而且能够根用户交互，让用户指定

出某个核心坐标点，对核心坐标点附近进行重点清扫，精确导航，合理规划行走路线，达到

高效率导航扫地（拖地）机器人的目的。

Claims (3)

1.一种机器人视觉导航技术，其特征在于，包括特殊颜色的强光图案投射装置、投射到室内顶部的具有方向标志的图案及机器人向上拍摄室内顶部的摄像头，图案投射装置投射的强光可以是高光通量的LED、镭射光源、激光或不可见红外光，投射的图案比较简单，颜色比较鲜明，包含有核心标志点、二维坐标信息，机器人拍摄到图像后，用算法遍历拍摄到的顶部图像二维数组像素矩阵，找出标志图案像素点，根据像素点的形状及形状的相互关系，找出方向标志，计算出核心标志点二维坐标，就是机器人此时相对于标志图案的坐标，机器人可以根据该相对坐标进行精确定位与导航，具体方法可以是：标志图案静止不动，机器人拍摄到标志图案核心标志点坐标发生了变化，说明机器人位置发生了跟标志图案核心标志点相反方向的改变；标志图案动态变化位置，机器人可以根据拍摄到的标志图案中核心标志点坐标发生了变化，而自身做相同方向的位置移动，这种机器人视觉导航技术可以有效应用于扫地（拖地）机器人、送餐机器人等路径规划领域。

2.根据权利要求1所述的机器人视觉导航技术，其特征是，投射到室内顶部的具有方向标志的图案可以是多个图案．图案之间都有区别开来的关键信息，比如，通过一定的角度、像素点颜色，图案形状进行区分，这样就使得机器人的活动空间可以增大很多，而且按照一定顺序排列具有方向标志的图案，可以使得机器人在更大的范围内有序高效导航。

3.根据权利要求1所述的机器人视觉导航技术，其特征是，机器人向上拍照的摄像头，可以是对某种光（可见或不可见）进行呈现的特殊传感器，通过这种传感器能够获得具有方向标志的图案中核心标志点的二维坐标，从而对机器人进行导航。