CN106370160A - 一种机器人室内定位系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机器人室内定位系统，包括机器人、天花板和若干信标；所述机器人顶部设有图像采集模块，机器人内部设有图像处理模块、建库模块和定位模块。本发明的系统能实现室内实时定位，基于信标的定位修正了里程计的累计误差，且处理速度快，抗干扰能力强。本发明还公开了一种机器人室内定位方法。

Description

一种机器人室内定位系统和方法
技术领域
本发明涉及室内定位技术领域，尤其是涉及一种机器人室内定位系统和方法。
背景技术
室内定位是室内机器人领域的研究热点。目前室内机器人主要是靠GPS、有源信标等方法进行定位。在室内，GPS因受到房屋的屏蔽，而导致定位精度大大降低。而使用有源信标，如蓝牙、WLAN等，又存在安装不方便，且定位精度在人多或环境发生变化时精度会降低的问题。此外，图像处理技术也应用到室内机器人定位中，通过摄像头来观察周围信息，之后进行帧间特征点匹配，进而进行室内定位，其存在计算量大、实时性差，同时也易受到环境变化的干扰的缺点。
CN104217439A公开了一种室内视觉定位系统及方法，该定位系统包括电源模块、传感器组、信息处理模块、前置面板、无线通信模块、设置在前置面板上的定位灯组。该系统包括固定摄像机和移动摄像机两个摄像机，具有双目视觉和单目视觉两种工作模式。该系统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，实现高效快速定位。该方法存在计算量较大，实时性差，容易受到环境变化的干扰的问题。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种机器人室内定位系统。
本发明的第二个目的在于提供一种机器人室内定位方法。
为实现上述第一个目的，本发明采用以下内容：
一种机器人室内定位系统，包括：机器人、天花板和若干信标；
所述机器人顶部设有图像采集模块，机器人内部设有图像处理模块、建库模块和定位模块；
所述信标分散设置于所述天花板上；每个信标分别具有各自的ID信息、方向信息和实际位置信息；
所述图像采集模块随着所述机器人的运动而运动，拍摄、采集天花板及信标的图像；
所述图像处理模块，对所述图像采集模块得到的天花板及信标的图像进行处理，得到信标的图像信息，包括信标的ID信息、信标在图像坐标系中的坐标信息、以及信标在图像坐标系中的方向信息；
所述建库模块，以图像处理模块第一次识别到信标时机器人所在的位置作为坐标原点来确立世界坐标系，即世界坐标系的原点为机器人第一次识别到信标时的初始位置；然后将该信标以在图像坐标系坐标信息和方向信息及世界坐标系的(0,0)坐标信息和方向角为0°的方向信息以及其ID信息存入信标库中，并检测计算出世界坐标系和图像坐标系的比例关系；之后依次在信标库中存入所有信标第一次被识别时的图像信息以及对应的机器人的位置信息，得到信标库，相同的环境只建库一次；
所述定位模块，在机器人运动过程中，当图像处理模块识别不到信标时，通过里程计进行定位；当图像处理模块识别到有库中信标时，通过对图像处理模块处理得到的该信标的当前图像信息，结合信标库中所存的该信标的图像信息以及其所对应的机器人的位置信息，并结合所述建库模块得到的世界坐标系和图像坐标系的比例关系，获得机器人当前位置信息。
进一步地，所述图像采集模块为摄像头，所述摄像头竖直向上设于所述机器人顶部。
进一步地，所述ID信息由信标的形状、内部孔洞位置和数量决定。
进一步地，所述方向信息由信标上的缺口方向决定。
进一步地，所述实际位置信息由信标特征点在天花板中的坐标决定。
进一步地，所述信标为带有一个缺角的正方形；所述ID信息由在其上布置的孔洞位置和数量表示；所述信标特征点为信标的中心点rc；所述实际位置信息是由所述信标的中心点rc在天花板中的坐标表示；所述缺角使信标具有方向性，所述方向信息是由中心点rc指向正方形缺角的方向v表示。
为实现上述第二个目的，本发明采用以下内容：
一种机器人室内定位方法，包括以下步骤：
(一)设置信标：在天花板上设置若干信标，并分别赋予每一个信标不同的ID信息、方向信息及实际位置信息；
(二)获取天花板及信标图像；机器人启动，开始在地面移动，所述图像采集模块随着所述机器人的运动而运动，拍摄、采集天花板及信标的图像；
(三)图像处理：所述图像处理模块对所述图像采集模块拍摄得到的天花板及信标的图像进行处理，得到信标的图像信息，包括信标的ID信息、信标在图像坐标系中的坐标信息、以及信标在图像坐标系中的方向信息；
(四)建库模块建库：
首先，以图像处理模块第一次识别到信标时机器人所在的位置作为坐标原点来确立世界坐标系；
其次，将该信标以在图像坐标系坐标信息和方向信息及世界坐标系的(0,0)坐标信息和方向角为0°的方向信息以及其ID信息存入信标库中，同时检测该信标在图像中的面积，与实际面积对比，获得世界坐标系和图像坐标系的比例关系；
之后，依次存入每一个信标在其第一次出现在拍摄的图像中时的图像信息以及对应的机器人的位置信息，最终处理、存储所有信标的信息，得到完整的信标库；
(五)定位：
机器人在运动过程中拍摄天花板及信标的图像；当拍摄的图像中没有信标时，通过里程计进行定位；当拍摄的图像中有库中信标时，通过该信标在当前图像坐标系中的坐标信息和方向信息Xc＇，结合信标库中所存的该信标的坐标信息和方向信息Xc以及其所对应的机器人在世界坐标系中的坐标信息和方向信息Xw来确定机器人的当前坐标信息和方向信息Xw＇，如下式所示：
Xc＇＝M·Xc；
Xw＇＝K·M·Xw；
其中，M表示该信标在当前图像坐标系和库中所存的该信标所在图像坐标系的坐标信息和方向信息的坐标转换关系，K表示世界坐标系和图像坐标系的比例关系。
进一步地，所述ID信息由信标的形状、内部孔洞位置和数量决定。
进一步地，所述方向信息由信标上的缺口方向决定。
进一步地，所述实际位置信息由信标特征点在天花板中的坐标决定。
进一步地，所述信标为带有一个缺角的正方形；所述ID信息由在其上布置的孔洞位置和数量表示；所述信标特征点为信标的中心点rc；所述实际位置信息是由所述信标的中心点rc在天花板中的坐标表示；所述缺角使信标具有方向性，所述方向信息是由中心点rc指向正方形缺角的方向v表示。
进一步地，世界坐标系和图像坐标系的比例关系K是通过识别到的第一个信标在图像中的面积p_area与实际面积r_area计算得到，如下式所示：
K = r _ a r e a p _ a r e a .
本发明具有以下优点：
1、本发明通过使用竖直向上的图像采集模块拍摄天花板及信标图像，图像处理模块、建库模块、定位模块分析处理获得机器人的当前位置，在视野中不存在信标时使用里程计定位，在视野中存在信标时使用与信标库已存信标信息对比来定位，这样基于信标的定位修正了里程计的累积误差，实现了室内实时定位，处理过程简单，速度快，抗干扰能力强，能兼顾精度和速度。
2、本发明的定位系统对信标设置要求不高，根据室内面积大小，至少设置一个信标即可。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1是本发明的系统的结构示意图。
图2是本发明的信标的示意图。
图3是本发明的方法的流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例
如图1所示，是本发明的机器人室内定位系统的示意图。该机器人室内定位系统，包括：机器人1和天花板3，机器人1的顶部设有竖直向上的摄像头2，天花板3上布置有若干信标4。
信标4如图2所示，为带有一个缺角的正方形，缺角使信标具有方向性。通过在其上布置的孔洞位置和数量的不同来表示信标具有的不同的ID信息。为了表示方便，用中心点rc和一个向量v的方向来表征信标的位置和方向，其中，rc是正方形信标的中心，v是由中心点rc指向正方形缺口的方向。信标布置的位置没有精度要求，依照室内面积大小，在天花板上设置至少一个信标，优选地在机器人视野中始终存在一个信标。
工作流程图如图3所示，机器人启动，开始在地面移动，摄像头竖直向上，拍摄采集天花板及信标图像。
以图像处理模块第一次识别到信标时机器人所在的位置作为坐标原点来确立世界坐标系；将该第一次识别到的信标以在图像坐标系坐标信息和方向信息及世界坐标系的(0,0)坐标信息和方向角为0°的方向信息以及其ID信息存入信标库中，同时检测该信标在图像中的面积p_area，与其在世界坐标系中的实际面积r_area对比，获得世界坐标系和图像坐标系的比例关系K，如下式所示：
K = r _ a r e a p _ a r e a .
在机器人移动过程中，信标库被建立。当在视野内没有识别到信标时，通过里程计进行定位。当图像中存在信标时，首先通过信标信息对比判断其是否为库中信标。若该信标为库中信标，则通过库中信标进行绝对定位，消除里程计定位的累计误差。若该信标不为库中信标，即识别到新的信标时，在库中存入该信标在其第一次出现在拍摄的图像中时的图像信息以及对应的机器人的位置信息。
在建库完成后，机器人移动到任意位置时，通过拍摄天花板图像，当图像中没有信标时，通过里程计相对定位；当图像中存在信标时，通过对图像处理模块处理得到的该信标的当前图像信息，结合信标库中所存的该信标的图像信息以及其所对应的机器人的位置信息，并结合所述建库模块得到的世界坐标系和图像坐标系的比例关系，获得机器人当前位置信息，完成绝对定位。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种机器人室内定位系统，其特征在于，包括：机器人、天花板和若干信标；
所述机器人顶部设有图像采集模块，机器人内部设有图像处理模块、建库模块和定位模块；
所述信标分散设置于所述天花板上；每个信标分别具有各自的ID信息、方向信息和实际位置信息；
所述图像采集模块随着所述机器人的运动而运动，拍摄、采集天花板及信标的图像；
所述图像处理模块，对所述图像采集模块得到的天花板及信标的图像进行处理，得到信标的图像信息，包括信标的ID信息、信标在图像坐标系中的坐标信息、以及信标在图像坐标系中的方向信息；
所述建库模块，以图像处理模块第一次识别到信标时机器人所在的位置作为坐标原点来确立世界坐标系，即世界坐标系的原点为机器人第一次识别到信标时的初始位置；然后将该信标以在图像坐标系坐标信息和方向信息及世界坐标系的(0,0)坐标信息和方向角为0°的方向信息以及其ID信息存入信标库中，并检测计算出世界坐标系和图像坐标系的比例关系；之后依次在信标库中存入所有信标第一次被识别时的图像信息以及对应的机器人的位置信息，得到信标库，相同的环境只建库一次；
所述定位模块，在机器人运动过程中，当图像处理模块识别不到信标时，通过里程计进行定位；当图像处理模块识别到有库中信标时，通过对图像处理模块处理得到的该信标的当前图像信息，结合信标库中所存的该信标的图像信息以及其所对应的机器人的位置信息，并结合所述建库模块得到的世界坐标系和图像坐标系的比例关系，获得机器人当前位置信息。
2.根据权利要求1所述的一种机器人室内定位系统，其特征在于，所述图像采集模块为摄像头，所述摄像头竖直向上设于所述机器人顶部。
3.根据权利要求1所述的一种机器人室内定位系统，其特征在于，所述ID信息由信标的形状、内部孔洞位置和数量决定。
4.根据权利要求1所述的一种机器人室内定位系统，其特征在于，所述方向信息由信标上的缺口方向决定。
5.根据权利要求1所述的一种机器人室内定位系统，其特征在于，所述实际位置信息由信标特征点在天花板中的坐标决定。
6.根据权利要求1所述的一种机器人室内定位系统，其特征在于，所述信标为带有一个缺角的正方形；所述ID信息由在其上布置的孔洞位置和数量表示；所述信标特征点为信标的中心点rc；所述实际位置信息是由所述信标的中心点rc在天花板中的坐标表示；所述缺角使信标具有方向性，所述方向信息是由中心点rc指向正方形缺角的方向v表示。
7.一种利用如权利要求1-6任一所述的系统进行机器人室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(一)设置信标：在天花板上设置若干信标，并分别赋予每一个信标不同的ID信息、方向信息及实际位置信息；
(二)获取天花板及信标图像；机器人启动，开始在地面移动，所述图像采集模块随着所述机器人的运动而运动，拍摄、采集天花板及信标的图像；
(三)图像处理：所述图像处理模块对所述图像采集模块拍摄得到的天花板及信标的图像进行处理，得到信标的图像信息，包括信标的ID信息、信标在图像坐标系中的坐标信息、以及信标在图像坐标系中的方向信息；
(四)建库模块建库：
首先，以图像处理模块第一次识别到信标时机器人所在的位置作为坐标原点来确立世界坐标系；
其次，将该信标以在图像坐标系坐标信息和方向信息及世界坐标系的(0,0)坐标信息和方向角为0°的方向信息以及其ID信息存入信标库中，同时检测该信标在图像中的面积，与实际面积对比，获得世界坐标系和图像坐标系的比例关系；
之后，依次存入每一个信标在其第一次出现在拍摄的图像中时的图像信息以及对应的机器人的位置信息，最终处理、存储所有信标的信息，得到完整的信标库；
(五)定位：
机器人在运动过程中拍摄天花板及信标的图像；当拍摄的图像中没有信标时，通过里程计进行定位；当拍摄的图像中有库中信标时，通过该信标在当前图像坐标系中的坐标信息和方向信息Xc＇，结合信标库中所存的该信标的坐标信息和方向信息Xc以及其所对应的机器人在世界坐标系中的坐标信息和方向信息Xw来确定机器人的当前坐标信息和方向信息Xw＇，如下式所示：
Xc＇＝M·Xc；
Xw＇＝K·M·Xw；
其中，M表示该信标在当前图像坐标系和库中所存的该信标所在图像坐标系的坐标信息和方向信息的坐标转换关系，K表示世界坐标系和图像坐标系的比例关系。
8.根据权利要求7所述的系统进行机器人室内定位方法，其特征在于，世界坐标系和图像坐标系的比例关系K是通过识别到的第一个信标在图像中的面积p_area与实际面积r_area计算得到，如下式所示：
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