CN105912971A - 一种用于agv导航的规则图形码码阵及其读码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于AGV导航的规则图形码码阵及其读码方法，其技术特点是：该用于AGV导航的规则图形码码阵包括多个能够确定相互之间位置关系的规则图形码标签，所有规则图形码标签构成一个多边形码阵，多边形码阵每条边上的规则图形码标签的数量为一个以上，相邻两个规则图形码标签之间空白区域的间隔大于各自规则图形码标签内部独立空白区域的最大宽度。本发明设计合理，在不增加硬件成本的情况下解决了由于单码贴码误差造成读码器因为拍摄不到二维码而使得机器人中途停止运行和单码测量车体姿态致使车体抖动幅度很大的问题，有效扩大了读码器读取信息的范围，降低读码器图像处理带来的误差，提高机器人位姿识别精度。
Description
技术领域
本发明涉及图形规则码技术领域，具体涉及一种用于AGV导航的规则图形码码阵及其读码方法。
背景技术
使用二维码进行移动机器人视觉导航是目前机器人视觉导航中精度最高的一种方法，具体表现为：二维码图像能够速被识读，获取二维码位置以及姿态信息后，进而基于预先设定的二维码在世界坐标系的坐标，反过来求取移动机器人位置与姿态。所以，基于离散式分布二维码的移动机器人自主导航被得到广泛关注和认可：读码器通过对离散式分布的二维码信息的读取，不断地纠正机器人当前的位置和姿态，从而克服机器人惯性导航带来的累计误差。
现有技术中，地面上离散式分布的二维码都是单个敷设的，这种基于单个二维码的视觉导航要求二维码的敷设精度非常高，而人工敷设二维码难以做到十分精确，其左右位置的贴码误差一般会有1到2毫米，角度误差一般为10度以内(由安装在移动机器人中心点的读码器测量)。虽然只有10度的误差，但移动机器人按照贴码的10度误差校正后自身姿态后，当机器人走到下一个二维码时(机器人中心点和下一个二维码中心点重合)，理论上将产生tan(10度)*1m＝17.6cm左右的位置偏差，这种偏差将会造成二维码超出了摄像头的拍摄范围，使得机器人因为拍摄不到二维码而无法继续工作。另外，即使车体没有跑偏，甚至车体静止不动，只依据单个二维码进行位姿识别时，由于像素检测误差的原因，也会出现姿态不稳定，姿态曲线抖动剧烈的现象。
为了解决人工贴码不准确的问题，中国专利文献“基于多个二维码读码器的移动机器人定位系统及方法”(申请号为201210472984.4)提出了用两个读码器分别读取相邻的两个二维码，用两个二维码中心点连线与移动机器人中心线的夹角测量角度误差，从而避免了用一个读码器在中心点测量角度造成的误差问题。但是，该方法所付出的代价是增加移动机器人定位导航系统的硬件成本和软件成本、增加系统设计和处理的复杂程度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于AGV导航的规则图形码码阵及其读码方法，在不增加硬件成本的情况下解决了由于单码贴码误差造成读码器因为拍摄不到二维码而使得机器人中途停止运行和单码测量车体姿态致使车体姿态曲线抖动幅度很大的问题。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种用于AGV导航的规则图形码码阵，包括多个能够确定相互之间位置关系的规则图形码标签，所有规则图形码标签构成一个多边形码阵，多边形码阵每条边上的规则图形码标签的数量为一个以上，相邻两个规则图形码标签之间空白区域的间隔大于各自规则图形码标签内部独立空白区域的最大宽度。
而且，所述能够确定相互之间位置关系的规则图形码标签为：每个规则图形码标签内置有码顺序号，每个码顺序号对应一个与该码阵中心点的相对位置关系。
而且，所述多边形码阵的形状满足码阵中心点对称。
而且，所述的规则图形码标签为通过计算能够得到其中心点和方向的图形码标签。
而且，所述多边形码阵还包括位于码阵侧边线内侧的敷设边线以及位于码阵侧边线内侧的码阵顺序号。
而且，所述规则图形码标签为二维码。
一种用于AGV导航的规则图形码码阵的读码方法，包括以下步骤：
步骤1、按如下方法初始化规则图形码码阵的数据：
①为各个规则图形码码阵设置码阵顺序号并储存到数据单元；
②为各个规则图形码码阵中的图形规则码标签设置码顺序号并储存到数据单元；
③计算各个图形规则码标签中心点到该码阵中心点的距离，并将计算结果值储存到数据单元；
步骤2、读码器拍摄当前规则图形码码阵的图像；
步骤3、读码器定位控制器选择靠近图像中心点的规则图形码标签作为当前规则图形码标签；
步骤4、读码器定位控制器解析当前规则图形码标签的码顺序号；
步骤5、读码器定位控制器根据当前规则图形码标签的码顺序号获取当前规则图形码标签与码阵中心点的相对距离；
步骤6、读码器定位控制器根据当前规则图形码标签与码阵中心点的相对距离计算车体相对于世界坐标系的偏离位置；
步骤7、读码器定位控制器获取图像中所有可识别的规则图形码标签和码阵中心点的相对距离的特征点，利用优化算法进行融合，进而计算车体相对于世界坐标系的偏离角度。
而且，所述步骤7的具体处理过程为：
①获取当前规则图形码标签的位置探测图形；
②依据图像中其余可能存在规则图形码标签的相对位置关系进行图形的位置推断和预测；
③依次检测在各个推测位置是否有规则图形码标签的三个位置探测图形；
④当某一预测位置检测到三个位置探测图形时，就在图像中找到了另一个规则图形码标签，进而找到图像中可能存在的其余规则图形码标签；
⑤将已经找到的图像中所有规则图形码标签的三个角点全部进行提取，采用最小二乘法将数据拟合处理；
⑥采用拟合处理后的数据计算车体相对于世界坐标系的偏离角度。
而且，所述码阵中心点包括无中心码的码阵中心点和有中心码的码阵中心点。
而且，所述数据单元为存储在上位机的存储单元或存储在下位机的存储单元。
本发明的优点和积极效果是：
本发明通过设置规则图形码码阵中心点或中心码(规则图形码码阵的中心点或中心码)的坐标位置以及规则图形码码阵中心点或中心码与规则图形码标签的位置关系，有效扩大了读码器读取信息的范围，解决了单个敷设二维码，由于贴码误差和读码器信息获取范围单一而造成二维码图像不能被拍摄到，使得机器人因拍摄不到图像而中途停止行进的问题和单码测量车体姿态致使车体姿态曲线抖动幅度很大的问题。同时，由于多码识别的引入，可以通过多码融合的技术，降低读码器图像处理带来的误差，提高机器人位姿识别精度。
附图说明
图1a为本发明的5×5正方形码阵的结构示意图；
图1b为本发明的5×4长方形码阵的结构示意图；
图1c为本发明的八边形码阵的结构示意图；
图2为本发明通过中心码计算车体的偏离位置的示意图；
图3为多码姿态识别算法示意图；
图4为多码姿态识别算法与单码姿态识别算法对比效果图；
其中，0：码阵中心点；1：规则图形码标签；2：敷设线；3：码阵顺序号；4：规则图形码标签内部独立空白区域的最大宽度；5：相邻两个规则图形码标签之间空白区域的间隔；6：两个规则图形码标签之间的距离；7：读码器选择的当前规则图形码标签；8：单码数据线；9：用最小二乘法将数据拟合处理后得到图中多码融合以后的边；10：单码姿态识别车体抖动曲线；11：多码姿态识别车体抖动曲线。
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：
一种用于AGV导航的规则图形码码阵，如图1a、1b、图1c所示，包括多个能够确定相互之间位置关系的规则图形码标签1、位于码阵侧边线内侧的敷设边线2以及位于码阵侧边线内侧的码阵顺序号3。所述确定相互之间位置关系的方法为：设置每个规则图形码标签的码顺序号，该码顺序号为该码阵内的顺序号，每个顺序号对应一个与该码阵中心点的相对位置关系，并预先将这个位置关系一一保存在数据单元内。所述敷设边线的方法为坐标轴敷设方法，该坐标轴敷设方法是以码阵中心点作为坐标轴中心点，再沿着坐标轴中心点横纵方向的对称线进行敷设，所述坐标轴为世界坐标系坐标轴。
所述规则图形码码阵的形状为能够满足码阵中心点对称和满足布码规则的一切图形，图1a、1b、图1c分别给出了正方形、长方形、八边形长方形码阵的结构示意图，还可以是其它能够满足中心点对称和满足布码规则的一切图形。所述规则图形码码阵的设置规则包括：(1)码阵内规则图形码标签的数量，要求码阵中每条边的规则图形码标签的数量至少为1个以上；(2)规则图形码标签之间的距离，其相邻两个规则图形码标签之间空白区域的间隔5大于各自规则图形码标签内部独立空白区域的最大宽度4，如图2所示。
所述规则图形码标签为通过计算能够得到其中心点和方向的图形码标签。规则图形码标签由一个或多个位置探测图形构成，该位置探测图形为正方形、圆形、三角形或长方形，规则图形码标签为正方形、圆形、三角形或长方形(上述规则图形码标签的定义源于专利文献：专利名称为基于规则图形码复合标签的移动机器人定位系统及方法，专利申请号为201310017927.1)。本发明所使用的规则图形码标签与该专利文献所述的规则图形码标签区别在于：本发明的规则图形码标签内包含该标签的码顺序号，通过该标签的码顺序号找到该标签中心点与码阵中心点的距离；而在先申请的规则图形码标签只包含图形不包含码顺序号，其顺序号设置在与其配对的RFID标签内。
本发明所述的规则图形码标签包括二维码。
下面以对用于AGV导航的规则图形码码阵的多码读码方法原理进行说明，在本实施例中，规则图形码标签以二维码为例进行说明：
室内定位系统不仅需要确定移动机器人在世界坐标系下的位置，还需要确定移动机器人的方向，即姿态。姿态的求解是通过计算图像中二维码标签的标志点获得的，在实验中发现，由于二维码的实际物理尺寸较小，只有11mm，在图像中占据的像素并不多，获取姿态角度抖动较大。姿态的稳定在移动机器人定位中起着重要的作用。移动机器人在运动过程中，姿态决定了运动的方向，姿态所产生的误差在运动过程中具有放大作用，例如当姿态偏差1度，直线移动1m以后，位置误差17mm。为了提高姿态角的提取精度，本发明提出了多码融合姿态识别的方法，简单来说，由于铺设于地面的二维码路标上不止一个二维码标签，高速读码器获取到图像中不止一个二维码，这就为多码获取提供了条件。针对单个二维码进行位姿识别时，由于像素检测误差的原因，会出现姿态不稳定，导致车体抖动剧烈的问题，而采用多码融合算法，获取图像中所有可识别的规则图形码标签的特征点，依据多二维码融合进行位置和姿态的识别，有助于提高车体姿态检测稳定性，进而计算车体相对于世界坐标系的偏离角度。
基于以上原理，一种用于AGV导航的规则图形码码阵的读码方法，包括以下步骤：
步骤1、初始化规则图形码码阵的数据，具体过程如下：
①为各个规则图形码码阵设置码阵顺序号并储存到数据单元；
②为各个规则图形码码阵中的图形规则码标签设置码顺序号并储存到数据单元；该码顺序号是指该码阵内部的顺序号。
③计算各个图形规则码标签中心点到该码阵中心点的距离，并将计算结果值储存到数据单元。
所述数据单元包括存储在上位机的存储单元或存储在下位机的存储单元。所述码阵中心点包括无中心码的码阵中心点和有中心码的码阵中心点。
步骤2、读码器拍摄当前规则图形码码阵的图像；
步骤3、读码器定位控制器选择靠近图像中心点的规则图形码标签作为当前规则图形码标签。
当前规则图形码标签选择原则是从图像的中心点向周围展开，选择距离中心点最近的规则图形码标签作为当前规则图形码标签。当前规则图形码标签的位置如图2所示，图中右上角为图像拍摄的区域，虚线圆圈内的规则图形码标签为中心码，选择靠近中心码最近的标号为7的规则图形码标签作为当前规则图形码标签。
步骤4、读码器定位控制器解析当前规则图形码标签的码顺序号；
步骤5、读码器定位控制器根据当前码顺序号获取当前规则图形码标签和码阵中心点的相对距离；
由于在步骤1的初始化中，已经计算并保存了每个码阵中各个当前规则图形码标签与该码阵中心点的相对位置关系，因此，读码器只要解析出当前规则图形码标签的码顺序号，即可从数据单元获取该码顺序号与码阵中心点的相对位置关系。
步骤6、读码器定位控制器根据当前规则图形码标签和码阵中心点的相对距离计算车体相对于世界坐标系的偏离位置；
步骤7、读码器定位控制器获取图像中所有可识别的规则图形码标签的特征点，利用优化算法进行融合，进而计算车体相对于世界坐标系的偏离角度。本步骤的具体处理过程为：
①获取当前规则图形码标签的位置探测图形；
②依据图像中其余可能存在规则图形码标签的相对位置关系进行图形的位置推断和预测；
③依次检测在各个推测位置是否有规则图形码标签的三个位置探测图形；
④当某一预测位置检测到三个位置探测图形时，就在图像中找到了另一个规则图形码标签，通过此法可以找到图像中可能存在的其余规则图形码标签的位置。
⑤将已经找到的图像中所有规则图形码标签的三个角点都进行提取，采用最小二乘法将数据拟合处理；
⑥采用拟合处理后的数据计算车体相对于世界坐标系的偏离角度。
上述过程说明如下：如图3所示，图中标号7的规则图形码标签距离图像中心点最近，将其作为当前码，此为过程①；根据标号7的当前规则图形码标签的位置确认在其周围可能存在两个其它规则图形码标签，如图3中的另外两个规则图形码标签，此为过程②；依次检测图中另外两个规则图形码标签是否有各自的三个位置探测图形，此为过程③；依次检测到另外两个规则图形码标签均有各自的三个位置探测图形，于是确认这两个规则图形码标签就是所要找到的符合条件的规则图形码标签，并获取这两个规则图形码标签的相对位置，此为过程④；将图3中三个规则图形码标签的各自三个角点信息都进行提取，采用最小二乘法将数据拟合处理，处理以后的数据线如图3中标号9所示。相比左侧标号8的数据线，一个显著的特点是利用了图像中更多的二维码信息，获得更多的数据，提高获取角度的精度，此为过程⑤。
上述车体相对于世界坐标系的偏离位置和偏离角度的计算方法为现有技术(专利号：201310017927.1，专利名称：基于规则图形码复合标签的移动机器人定位系统及方法)，在此不再赘述。
如图4所示，将本发明多码姿态识别算法与单码姿态识别算法进行对比可以看出，数据线10是单码测量姿态时车体发生抖动的数据线，数据线11是多码测量姿态时车体发生抖动的数据线，两类数据线对比，本发明采用多码姿态识别算法的效果非常明显。
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，因此本发明包括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 (10)
1.一种用于AGV导航的规则图形码码阵，其特征在于：包括多个能够确定相互之间位置关系的规则图形码标签，所有规则图形码标签构成一个多边形码阵，多边形码阵每条边上的规则图形码标签的数量为一个以上，相邻两个规则图形码标签之间空白区域的间隔大于各自规则图形码标签内部独立空白区域的最大宽度。
2.根据权利要求1所述的一种用于AGV导航的规则图形码码阵，其特征在于：所述能够确定相互之间位置关系的规则图形码标签为：每个规则图形码标签内置有码顺序号，每个码顺序号对应一个与该码阵中心点的相对位置关系。
3.根据权利要求1所述的一种用于AGV导航的规则图形码码阵，其特征在于：所述多边形码阵的形状满足码阵中心点对称。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种用于AGV导航的规则图形码码阵，其特征在于：所述的规则图形码标签为通过计算能够得到其中心点和方向的图形码标签。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种用于AGV导航的规则图形码码阵，其特征在于：所述多边形码阵还包括位于码阵侧边线内侧的敷设边线以及位于码阵侧边线内侧的码阵顺序号。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种用于AGV导航的规则图形码码阵，其特征在于：所述规则图形码标签为二维码。
7.一种如权利要求1至6任一项所述用于AGV导航的规则图形码码阵的读码方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、按如下方法初始化规则图形码码阵的数据：
①为各个规则图形码码阵设置码阵顺序号并储存到数据单元；
②为各个规则图形码码阵中的图形规则码标签设置码顺序号并储存到数据单元；
③计算各个图形规则码标签中心点到该码阵中心点的距离，并将计算结果值储存到数据单元；
步骤2、读码器拍摄当前规则图形码码阵的图像；
步骤3、读码器定位控制器选择靠近图像中心点的规则图形码标签作为当前规则图形码标签；
步骤4、读码器定位控制器解析当前规则图形码标签的码顺序号；
步骤5、读码器定位控制器根据当前规则图形码标签的码顺序号获取当前规则图形码标签与码阵中心点的相对距离；
步骤6、读码器定位控制器根据当前规则图形码标签与码阵中心点的相对距离计算车体相对于世界坐标系的偏离位置；
步骤7、读码器定位控制器获取图像中所有可识别的规则图形码标签和码阵中心点的相对距离的特征点，利用优化算法进行融合，进而计算车体相对于世界坐标系的偏离角度。
8.根据权利要求7所述的一种用于AGV导航的规则图形码码阵的读码方法，其特征在于：所述步骤7的具体处理过程为：
①获取当前规则图形码标签的位置探测图形；
②依据图像中其余可能存在规则图形码标签的相对位置关系进行图形的位置推断和预测；
③依次检测在各个推测位置是否有规则图形码标签的三个位置探测图形；
④当某一预测位置检测到三个位置探测图形时，就在图像中找到了另一个规则图形码标签，进而找到图像中可能存在的其余规则图形码标签；
⑤将已经找到的图像中所有规则图形码标签的三个角点全部进行提取，采用最小二乘法将数据拟合处理；
⑥采用拟合处理后的数据计算车体相对于世界坐标系的偏离角度。
9.根据权利要求7所述的一种用于AGV导航的规则图形码码阵的读码方法，其特征在于：所述码阵中心点包括无中心码的码阵中心点和有中心码的码阵中心点。
10.根据权利要求7所述的一种用于AGV导航的规则图形码码阵的读码方法，其特征在于：所述数据单元为存储在上位机的存储单元或存储在下位机的存储单元。
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