CN106352871A - 一种基于天花板人工信标的视觉室内定位系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于天花板人工信标的视觉室内定位系统和方法，包括：机器人、天花板、摄像头和若干信标；所述机器人里设有图像处理模块、建库模块和定位模块；所述摄像头竖直设于所述机器人顶部，所述信标分散设置于所述天花板上；所述信标之间有差异性，分别赋予不同的ID并且有且只能表征唯一的方向，所述信标的间隔距离要保证机器人在任何位置都至少有一个所述信标在视野内。本发明通过竖直向上的摄像头拍摄天花板图片，处理器分析处理获得机器人的当前位置，实现室内实时绝对定位，该方法处理速度快，抗干扰能力强。

Description

一种基于天花板人工信标的视觉室内定位系统和方法
技术领域
本发明涉及一种基于天花板人工信标的视觉室内定位系统和方法，属于室内定位技术领域。
背景技术
室内定位是室内机器人领域的研究热点。目前主要靠GPS、有源信标等方法进行定位。在室内GPS因受到房屋的屏蔽，导致定位精度大大降低；有源信标，如蓝牙，WLAN等，安装较为不方便，而且定位精度在人多或环境变化的时候精度会降低。图像处理也应用到该领域，通过摄像头观察周围信息，进行帧间特征点匹配，进而进行室内定位，不过其计算量较大，实时性差，同时也易受到环境变化的干扰。
中国专利CN201410504875.5，公开了一种室内视觉定位系统及方法，包括电源模块、传感器组、信息处理模块，还包括前置面板、无线通信模块，并在前置面板上设置了定位灯组。室内视觉定位装置的两个摄像机可以灵活部署于墙壁和移动载体上，具有双目视觉和单目视觉两种工作模式。基于该装置的定位方法，首先，利用摄像机的前置面板信息，标定双目视觉系统外参数；其次，利用双目视觉测量准确信息构建地图，为后续单目视觉定位模式提供先验知识；最后，运用地图中蕴含的点、线、面、距离等知识，启动单目视觉定位模式，实现了高效快速定位。
但是，其仍然存在计算量较大，实时性差，容易受到环境变化的干扰的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于天花板人工信标的视觉室内定位系统和方法，其能实现室内实时、绝对定位，该方法处理速度快、抗干扰能力强。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于天花板人工信标的视觉室内定位系统，包块机器人和天花板，所述机器人的顶部设有竖直向上的摄像头，所述天花板上布置若干不同特征的信标，若干所述信标设置在天花板上的不同位置，并具有不同的ID，每个所述信标有且只能表征一个方向，且若干所述信标至少有一个位于机器人的视野内；
其定位系统包括三个部分，即图像处理模块、建库模块和定位模块；
所述图像处理模块用于采集与识别机器人拍摄到天花板上图像中的信标的信息，包括每个信标的ID、方向信息以及图像中信标的坐标信息；
所述建库模块用于给定位模块提供定位所需的信标库，相同环境只建库一次，通过机器人在每个信标下面拍摄图片，通过图像处理模块采集和识别每个信标的信息；再人工测得机器人的实际坐标信息；将上述信息都存入库中，然后，依法将所有的信标都存入库中；
所述定位模块用于将图像处理模块获取的机器人的信标在图像中的位姿与建库模块中的信标信息对比，根据在最先得到的世界坐标系和图像坐标系的比例关系获得机器人的实时位置信息。
作为优选，所述信标的信息经图像模块处理后，得到一个特征点和特征向量。
作为优选，所述图像处理模块在检测第一个信标时，获得其图像中的面积，将其与信标的实际面积对比可获得世界坐标系和图像坐标系的比例关系，用于后期的定位过程。
一种基于天花板人工信标的视觉室内定位方法，包括以下步骤：
(1)在天花板上的不同位置设置不同特征的信标，每个信标具有不同的ID，且每个信标有且只能表征一个方向；
(2)将机器人移动至每个信标下，通过摄像头对信标进行拍摄图片，然后传输给图像处理模块的处理器处理并识别图像，获取图像中信标的ID、方向以及图像中的坐标信息，每个信标都将得到一个特征点和特征向量；
(3)在步骤(2)完成图像中第一个信标信息获取过程后，建库模块将信标的信息以及人工测得的机器人的实际坐标信息存入库中，然后依次方法将所有的信标及所有人工测得的机器人的实际坐标信息都存入库中；
(4)在建库模块存入第一个信标信息的时候，计算信标的实际坐标系和图像中信标坐标系之间的比例关系K，该比例关系：
K = r _ a r e a p _ a r e a ;
(5)机器人在运动过程中，如果拍摄到的图像中有库中信标时，通过计算当前图像中该信标所在的位置和方向Xc＇、库中所存的信标在的图像中的坐标和方位信息Xc与机器人对应的实际的坐标和方向信息Xw，得到机器人的当前位置和方向，其计算公式为：
Xc＇＝MXc；
Xw＇＝KMXw；其中，M表示两个位置和方向的坐标转换关系，K表示信标实际坐标系和图像坐标系的比例关系。
作为优选，在步骤(4)中K值的计算是通过图像处理模块识别到的第一个信标的面积p_area与其实际的面积r_area计算得到的。
本发明的有益效果：通过竖直向上的摄像头拍摄天花板图片，处理器分析处理获得机器人的当前位姿，实现室内实时绝对定位，该方法处理速度快，抗干扰能力强，同时，本发明还解决了传统视觉定位方法不能兼顾精度、速度的问题，提高了定位系统的灵活性和自动性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2是本发明系统工作流程图；
其中：1.机器人，2.摄像头，3.天花板，4.信标，5.图像处理模块，6.建库模块，7.定位模块。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1和图2所示，公开了本发明一种基于天花板人工信标的视觉室内定位系统，包块机器人1和天花板3，所述机器人1的顶部设有竖直向上的摄像头2，所述天花板3上布置若干不同特征的信标4，若干所述信标4设置在天花板3上的不同位置，并具有不同的ID，每个所述信标4有且只能表征一个方向，即图像经处理后，可以得到一个特征点和特征向量，信标4布置的位置没有精度要求，间隔距离合适即可，且若干所述信标4至少有一个位于机器人1的视野内即可。
如图2所示，其定位系统包括三个部分，即图像处理模块5、建库模块6和定位模块7；
所述图像处理模块5用于采集与识别机器人1拍摄到天花板3上图像中的信标4的信息，包括每个信标4的ID、方向信息以及图像中信标的坐标信息；
所述建库模块6用于给定位模块7提供定位所需的信标库，相同环境只建库一次；在天花板3上布置完成信标4之后，将机器人1放置在每个信标4下方，摄像头2拍摄图片，图像处理模块的处理器处理图像，获取信标的ID、方向和图像坐标信息，与人为测量得到的机器人1所在的实际坐标，存储到信标库里；在检测到第一个信标时，获得其在图像中的面积，与机器人实际面积对比，可获得世界坐标系和图像坐标系的比例关系，用于后期定位过程中；然后，依法将所有的信标都存入库中；
所述定位模块用于将图像处理模块获取的机器人的信标在图像中的位姿与建库模块中的信标信息对比，根据在最先得到的世界坐标系和图像坐标系的比例关系获得机器人的实时位置信息。
其具体的定位方法包括以下步骤：
(1)在天花板上的不同位置设置不同特征的信标，每个信标具有不同的ID，且每个信标有且只能表征一个方向；
(2)将机器人移动至每个信标下，通过摄像头对信标进行拍摄图片，然后传输给图像处理模块的处理器处理并识别图像，获取图像中信标的ID、方向以及图像中的坐标信息，每个信标都将得到一个特征点和特征向量；
(3)在步骤(2)完成图像中第一个信标信息获取过程后，建库模块将信标的信息以及人工测得的机器人的实际坐标信息存入库中，然后依次方法将所有的信标及所有人工测得的机器人的实际坐标信息都存入库中；
(4)在建库模块存入第一个信标信息的时候，计算信标的实际坐标系和图像中信标坐标系之间的比例关系K，该比例关系：
K = r _ a r e a p _ a r e a ;
所述K值的计算是通过图像处理模块识别到的第一个信标的面积p_area与其实际的面积r_area计算得到的；
(5)机器人在运动过程中，如果拍摄到的图像中有库中信标时，通过计算当前图像中该信标所在的位置和方向Xc＇、库中所存的信标在的图像中的坐标和方位信息Xc与机器人对应的实际的坐标和方向信息Xw，得到机器人的当前位置和方向，其计算公式为：
Xc＇＝MXc；
Xw＇＝kMXw；其中，M表示两个位置和方向的坐标转换关系，k表示信标实际坐标系和图像坐标系的比例关系。

Claims (5)

1.一种基于天花板人工信标的视觉室内定位系统，包块机器人(1)和天花板(3)，所述机器人(1)的顶部设有竖直向上的摄像头(2)，所述天花板(3)上布置若干特征不同的信标(4)，其特征在于，
若干所述信标(4)设置在天花板(3)上的不同位置，并具有不同的ID，每个所述信标(4)有且只能表征一个方向，且若干所述信标(4)至少有一个位于机器人(1)的视野内；
其定位系统包括三个部分，即图像处理模块(5)、建库模块(6)和定位模块(7)；
所述图像处理模块(5)用于采集与识别机器人(1)拍摄到天花板(3)上图像中的信标的信息，包括每个信标(4)的ID、方向信息以及图像中信标的坐标信息；
所述建库模块(6)用于给定位模块(7)提供定位所需的信标库，相同环境只建库一次，通过机器人(1)在每个信标下面拍摄图片，通过图像处理模块(5)采集和识别每个信标(4)的信息；再人工测得机器人的实际坐标信息；将上述信息都存入库中，然后，依此方法将所有的信标都存入库中；
所述定位模块(7)用于将图像处理模块(5)获取的机器人(1)的信标在图像中的位姿与建库模块(6)中的信标信息对比，根据在最先得到的世界坐标系和图像坐标系的比例关系获得机器人(1)的实时位置信息。
2.根据权利要求1所述的基于天花板人工信标的视觉室内定位系统，其特征在于，所述信标(4)的信息经图像模块(5)处理后，得到一个特征点和特征向量。
3.根据权利要求2所述的基于天花板人工信标的视觉室内定位系统，其特征在于，所述图像处理模块(5)在检测第一个信标(4)时，获得其图像中的面积，将其与信标的实际面积对比可获得世界坐标系和图像坐标系的比例关系，用于后期的定位过程。
4.一种基于天花板人工信标的视觉室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在天花板上的不同位置设置不同特征的信标，每个信标具有不同的ID，且每个信标有且只能表征一个方向；
(2)将机器人移动至每个信标下，通过摄像头对信标进行拍摄图片，然后传输给图像处理模块的处理器处理并识别图像，获取图像中信标的ID、方向以及图像中的坐标信息，每个信标都将得到一个特征点和特征向量；
(3)在步骤(2)完成图像中第一个信标信息获取过程后，建库模块将信标的信息以及人工测得的机器人的实际坐标信息存入库中，然后依次方法将所有的信标及所有人工测得的机器人的实际坐标信息都存入库中；
(4)在建库模块存入第一个信标信息的时候，计算信标的实际坐标系和图像中信标坐标系之间的比例关系K，该比例关系：
K = r _ a r e a p _ a r e a ;
(5)机器人在运动过程中，如果拍摄到的图像中有库中信标时，通过计算当前图像中该信标所在的位置和方向Xc＇、库中所存的信标在的图像中的坐标和方位信息Xc与机器人对应的实际的坐标和方向信息Xw，得到机器人的当前位置和方向，其计算公式为：
Xc＇＝MXc；
Xw＇＝KMXw；其中，M表示两个位置和方向的坐标转换关系，K表示信标实际坐标系和图像坐标系的比例关系。
5.根据权利要求4所述的基于天花板人工信标的视觉室内定位方法，其特征在于，在步骤(4)中K值的计算是通过图像处理模块识别到的第一个信标的面积p_area与其实际的面积r_area计算得到的。
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