CN106370185B - 基于地面基准标识的移动机器人定位方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于基准标识的移动机器人定位方法和系统，其中方法包括：在工作场地的地面上铺设多个基准标识，基准标识设有多个由二维码标识形成的主标识，二维码标识为该基准标识的编号，该编号对应于其在工作场地中的一个坐标，并预先保存在中央控制中心的数据库中；主标识的中心还设有用于标识移动机器人的移动方向的方向标识；移动机器人通过捕获主标识获得该基准标识的编号；通过捕获方向标识获得移动机器人的行驶方向与基准标识的角度。本发明，对所采用的基准标识以及相应的捕获装置进行了改进设计，除了可以获得移动机器人的位置信息之外，还可以获得方向信息和角度信息，大大提高了系统的鲁棒性和工作效率。

Description

基于地面基准标识的移动机器人定位方法和系统

技术领域

本发明涉及移动机器人技术领域，具体涉及基于地面基准标识的移动机器人定位方法和系统，用于在自动化工厂或者自动化仓库中，有效地控制移动机器人的正确运行。

背景技术

随着科技的进步，移动机器人在工业领域的应用越来越广泛，出现了越来越多的自动化工厂或者自动化仓库。

为了实现在自动化工厂或者自动化仓库中，有效地控制移动机器人的正确运行，需要对移动机器人进行精准的定位，并在此基础上规划路线。例如美国专利US7826919 B2和US8220710 B2所公开的运送库存物品的系统中，就利用了贴在地上的基准标识进行定位，即仓库的工作区地面上贴有多个基准标识，基准标识包含了该标识所在的位置信息，这些基准标识布设成为网格状，移动机器人在仓库中运行时，通过安装在移动机器人的摄像头读取基准标识，并通过无线网络传递到中央控制系统中，从而获得其当前位置，并据此规划路线。

基准标识可以使用QR码(快速响应矩阵码，Quick Response Code)，即通常所称的二维码的一种。QR码具有强大的容错能力、读取简便等优势，不需要对准，无论以任何角度扫描，数据仍然可以正确被读取。因此，基于二维码地面标识的移动机器人定位方案，部署灵活、成本低，且二维码地面标识读取简便，因此得到了广泛的应用。

但是，上述存在以下一些问题：

(1)使用QR码或者其他形式的二维码作为基准标识，如果标识破损(在仓库、工厂等环境下经常发生)，将无法读出信息，从而会影响移动机器人的正常运行；

(2)QR码或者其他形式的二维码仅仅储存了位置点的坐标值，信息量较小，在实际应用中，系统指示移动机器人的下一个移动位置时，需要与相邻位置进行比较计算才能确定其移动的方向，中央处理器的计算负荷大，响应速度慢，系统的鲁棒性和效率较低。特别是对大型系统而言，影响相当明显。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是基于二维码基准标识的移动机器人定位方案，系统的鲁棒性差，效率较低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种基于基准标识的移动机器人定位方法，包括:

在移动机器人的工作场地的地面上铺设多个基准标识，每个所述基准标识包括标识体，所述标识体的表层上设有多个由二维码标识形成的主标识，所述二维码标识包含的信息为该基准标识的编号，所有的基准标识的编号对应于其在工作场地中的一个坐标，并预先保存在中央控制中心的数据库中；所述标识体的表层中心还设有用于标识移动机器人的移动方向的方向标识；

移动机器人通过捕获基准标识上的所述主标识获得该基准标识的编号，以确定移动机器人的当前位置；

移动机器人通过捕获基准标识上的所述方向标识获得移动机器人的行驶方向与基准标识的角度。

在上述方法中，多个所述二维码标识按顺序沿一个正方形的边长排列，且排列成的正方形的各个顶点分别位于所述标识体的各个侧边的中点上，所述二维码标识包含的信息中还包括方向信息，移动机器人还通过捕获基准标识上的所述主标识获得移动机器人的移动方向。

在上述方法中，所述方向标识由设置在标识体的中心的一块矩形区域形成，包括设置在矩形区域的中心的中心区、设置在矩形区域的左上角的左上区和设置在矩形区域右上角的右上区，所述中心区、左上区和右上区以颜色与所述方向标识的其他区域区分。

在上述方法中，移动机器人采用如下方式获得移动机器人的行驶方向与基准标识的角度；

各边角顶点分别向方向标识内部移动一段距离；

通过方向向量公式分别计算出移动后的各边角顶点的坐标值；

获取移动后的边角顶点的灰度值，并通过分别与整个方向标识的灰度的中值进行比较，判断出每一个边角的颜色，据此判断出移动机器人的行驶方向与基准标识的角度；

其中，方向向量公式如下：

式中：

P₀:矩形区域的角上的一个点；

M:矩形区域的中心点；

λ:常数参数；

方向向量/>的标准长度。

在上述方法中，

使用象限q和方向角度α的关系确定移动机器人的行驶方向与基准标识的角度α_标识，α_标识＝|α_矩形|+90°·q，其中，

P₀，P₁，P₂，P₃为各边角顶点分别向方向标识内部移动一段距离后的点。

在上述方法中，所述标识体的表层的左上角还设有一个铺设标识，所述铺设标识的下方设有用于表示该基准标识的编号。

本发明还提供了一种基于基准标识的移动机器人定位系统，包括：

铺设在移动机器人工作场地地面上的多个基准标识，所述基准标识包括标识体，所述标识体的表层上设有多个二维码标识形成的主标识，所述二维码标识所包含的信息包括该基准标识的编号，所述标识体的表层中心还设有用于标识方向的方向标识；

移动机器人，其底盘上设有用于获取所述基准标识的捕获装置，所述捕获装置包括一个用于捕获所述主标识的二维扫描器和一个用于捕获所述方向标识的摄像头；

中央控制中心，每一个地面基准标识对应一个唯一的编号，该编号对应移动机器人工作场地的一个坐标，每一个地面基准标识的编号与其对应的移动机器人工作场地的坐标预先保存在中央控制中心的数据库中。

在上述系统中，所述移动机器人的底盘上还设有照射方向朝向地面的补光装置。

在上述系统中，所述二维扫描器集成有译码器。

在上述系统中，多个所述二维码标识按顺序沿一个正方形的边长排列，且排列成的正方形的各个顶点分别位于所述标识体的各个侧边的中点上，所述二维码标识包含的信息中还包括方向信息。

本发明，对所采用的基准标识以及相应的捕获装置进行了改进设计，除了可以获得移动机器人的位置信息之外，还可以获得方向信息和角度信息，大大提高了系统的鲁棒性和工作效率。

附图说明

图1为本发明中基准标识的示意图；

图2为本发明中基准标识与机器人行进方向的关系示意图；

图3为本发明中定位标识的示意图；

图4为本发明中定位标识的4种角度示意图；

图5为本发明中定位标识与前进方向不是垂直或平行的示意图；

图6为图5所示定位标识角度计算的示意图；

图7为本发明中移动机器人的捕获装置示意图；

图8为本发明中移动机器人的捕获装置硬件逻辑示意图；

图9为本发明中移动机器人定位过程示意图；

图10地面标识矩形阵，网格排布或其他在不同的应用场所的排布示例图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于地面基准标识的移动机器人定位方法和系统，对所采用的地面基准标识以及相应的捕获装置进行了改进设计，大大提高了移动机器人定位系统及方法的鲁棒性和工作效率。下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细的说明。

本发明提供的基于地面基准标识的移动机器人定位方法，包括以下步骤:

在移动机器人的工作场地的地面上铺设多个基准标识，用于定位移动机器人；

移动机器人通过捕获基准标识上的主标识获得该基准标识的编号，以确定移动机器人的当前位置，所有的基准标识在工作场地中所对应的位置均预先保存在中央控制中心的数据库中；

移动机器人通过捕获基准标识上的方向标识获得移动机器人的行驶方向相对于基准标识的角度，以实现后续对移动机器移动轨迹的精确控制。例如图1所示的图例中，移动机器人自左向右行驶，则行驶方向相对于基准标识的角度为0度。

如图1所示，本发明所采用的准标识包括标识体10，标识体10的表层上设有一个正方形的黑色方框25，黑色方框25内设有多种标识的组合，具体包括：由多个二维码标识组成的主标识，设置在标识体的表层中心的方向标识30以及标识该基准标识的正确朝向的铺设标识23。

铺设标识23为设置在标识体左上角的实心黑点，实心黑点的下方设有二维码信息24，表示该基准标识的编号。同时，实心黑点还用于表示该基准标识的正确朝向。这种设计，可以简单的通过肉眼了解该基准标识的编号和方向信息，方便工作人员铺设，并可以根据实心黑点与正方形黑色方框25的位置判断移动机器人行走的方向。例如图1所示的图例中，移动机器人自左向右行驶，则行驶方向为自东向西。

基准标识被设计为一个黑白的印刷品，底面上还设有不干胶层，可以黏贴在工作场地的地面上。为了防止磨损或者地面清洁时损坏标识，还可以设置一层透明薄膜，或者覆盖透明低反射度的塑料板进行保护。

在本实施例中，二维码标识除了用于标识该二维码的编号，以确定移动机器人的当前位置之外，还可用于确定移动机器人的移动方向，具体如下：

在图1所示的实施例中，主标识由十二个二维码标识11～22组成，这十二个二维码标识依次按顺序沿一个正方形的边长排列，排列成的正方形的各个顶点分别朝向标识体的各个侧边(黑色方框25)的中点，形成分别朝向标识体的各个侧边的四个三角形，每个二维码标识所包含的信息由该基准标识的编号和方向信息组成，其中：十二个二维码标识的基准标识的编号是相同的，方向信息则分为4组，分别定义为东、西、南、北四个方向，方向信息可以由用户根据需要自己定义，例如以n，s，w，e表示，每一个方向分配给3个二维码标识。

二维码标识11，12，13定义为北方，二维码的信息为200001n，其中200001表示该基准标识的编号，n表示北方。二维码标识15，16，16定义为西方，二维码的信息为200001w。二维码标识17，18，19定义为南方，二维码的信息为200001s。二维码标识20，21，22定义为东方，二维码的信息为200001e。

以二维码标识11，12，13定义的北方为例，二维码标识11位于顶端，二维码标识12和13分别位于二维码标识11的下方的两侧，其他方向按类型的方式也排列成三角形式。这样布置，一方面可以提高扫描的正确率，保证了当移动机器人从定义的正东，正南，正西，正北方向行走时，可以扫描到包含正确的方向信息的二维码，不会误读到其他方向的二维码。

例如：当移动机器人从北往南运行，机器人会扫描得到以下信息，先得到含有基准标识的编号和北方的信息，然后得到含有基准标识的编号和东方的信息或者含有基准标识的编号和西方的信息，最后得到含有基准标识的编号和南方的信息，对应图2的实例，移动机器人的行进方向上顺序布置了29、28、27和26四个基准标识，则移动机器人在行进过程中，先得到200004n,200003e或200002w,最后得到200001s。这样可以得出，移动机器人的行进方向是由北往南。同理可以得到移动机器人其他运行方向，如：南到北，东到西，西到东等。

如图3所示，方向标识30由设置在标识体的中心的一块矩形区域形成，包括设置在矩形区域的中心的中心区31、设置在矩形区域的左上角的左上区32和设置在矩形区域的右上角的右上区33，中心区31、左上区32和右上区33以颜色与方向标识的其他区域34进行区分。

下面结合图3-6对本发明如何应用方向标识确定移动机器人的行驶方向与基准标识的角度详细算法说明如下：

如图3所示，方向标识30为矩形，为了判断矩形区域的四个角的颜色，不能直接使用32，33，34，35这四个边角顶点，因为这4个边角顶点都是黑色的，因此需要各自向方向标识30内部移动，假设移动后的四个点分别为32b，33b，34b，35b。则通过下面方向向量公式分别计算出32b，33b，34b，35b这4个点的坐标值，

式中：

P₀:矩形区域的一个边角顶点上的一个点；其中P_0,x为该点在X轴上的值，P_0,y为该点在y轴上的值。

M:矩形区域的中心点，M_x和M_y分别对应在x轴和y轴上的值。

λ:常数参数；不同的摄像头硬件和不同大小的基准标识，该参数会有不同的最优值。可以由0开始逐渐增加通过测试来确定，经过测试确定后的最优值可以固定使用，不需要改变或重新确定。譬如在本发明测试使用的摄像头硬件和基准标识大小的条件下，该参数的最优值为3。

方向向量/>的标准长度。

坐标系的定义方式为：铺设标识23所在的黑色方框25的角点为原点，x轴和y轴分别沿黑色方框25的边长设置，且两个白色角点32、33的连线与x轴平行，白色角点32与相邻的黑色角点34连线与y轴平行，如图1所示。

接下来用32b，33b，34b，35b这4个点的坐标值取出各自的灰度值。

最后，用这个灰度值和整个方向标识30的灰度的中值进行比较，通过比较判断出每一个边角的颜色(白或者黑)，据此判断出移动机器人的移动方向，如图4所示，基准标识41、42、43和44与前进方向的角度分别为0度、90度、180度和270度。

如图5所示，当角度方向不是垂直或平行时，使用象限q和方向角度α的关系，获得移动机器人的行驶方向与基准标识的角度α_标识＝|α_矩形|+90°·q。

其中：

α_标识表示基准标识的角度；

α_矩形表示基准标识的边框的角度，如图6所示的标号37指示的角度，假设标号37指示的角度为45度。

q＝0代表了在平面直角坐标系(笛卡尔坐标系)的第一象限，q＝1代表了在第二象限,q＝2代表了在第三象限,q＝3代表了在第四象限。

P₀为图5中的35b点的灰度值，P₁为图5中的34b点的灰度值，P₂为图5中的32b点的灰度值，P₃为图5中的33b点的灰度值。

式中：“q＝0，当P₀&P₁黑”表示当p0和p1相与为黑时，q＝0，则α_标识＝|α_矩形|+90°·q＝45°+90°×0＝45°，说明移动机器人的行进方向与基准标识之间的夹角为45度。

本发明还提供一基于上述地面基准标识的移动机器人定位系统，包括中央控制中心、移动机器人和铺设在移动机器人工作场地地面上的多个基准标识，移动机器人上设有捕获装置、处理器和补光装置。

捕获装置设置在移动机器人的底盘上，用于获取地面基准标识的信息，从而对移动机器人进行定位。每一个地面基准标识对应一个唯一的编号，该编号对应移动机器人工作场地的一个坐标，每一个地面基准标识的编号与其对应的移动机器人工作场地的坐标预先保存在中央控制中心的数据库中，获得了地面基准标识的编号，通过查询中央控制中心的数据库就可以确定该移动机器人当前在工作场地中所处的位置。

如图7、图8所示，捕获装置包括一个二维码扫描器3和一个摄像头1，二者均朝向地面。其中，二维扫描器3还集成的有译码器，扫描到铺设在场地地面上的地面基准标识2后，直接在二维码扫描器3中进行译码，并将译码的结果通过通信接口6上传到处理器5，处理器采用嵌入式计算机或者嵌入式板卡，这样减少了嵌入式计算机或者嵌入式板卡的计算力，提高了效率。

摄像头1设置在二维扫描器3的后方，用于捕获地面基准标识上的角度信息，并实现精准定位功能，其相对应的角度算法(上述移动机器人的行驶方向与基准标识的角度算法)在嵌入式计算机或者嵌入式板卡5上运行。移动机器人的底盘上还设有朝向地面的补光装置，通过嵌入式计算机或者嵌入式板卡5进行控制。

补光装置4设置在二维码扫描器3的旁边，用于在光线较弱时，补光照明。

图9为本发明中移动机器人定位过程示意图，首先，读取二维码信息得到地面标识的编号。然后，通过两种途径得到移动机器人的移动方向信息，一种是读取二维码信息(12个标识组成的四上三角形)，另一种是读取方向标识。接下来，计算移动机器人的行驶方向与基准标识的角度。最后，嵌入式计算机或者嵌入式板卡进一步使用得到的以下3个信息：地面标识的编号、机器人移动方向信息和角度信息，将这三个信息将作为移动机器人的控制参数，控制机器人的相应电机的转动，以达到精确控制机器人运动，补偿运动误差的目的，也可以将信息进一步上传至中央控制中心，或者和其他移动机器人进行通讯交换位置信息。

图10为地面基准标识矩形阵列，网格排布或其他在不同的应用场所的排布示例图，51，52，53，54为不同的场地的示例，61为移动机器人，62为地面基准标识，63为移动路径。场地51和场地53为网格排布，地面基准标识的间距一致，这种场地常常出现在电商仓库环境中。与场地51相对应的场地52，其地面基准标识的列和行的间距不相等，地面基准标识可以根据仓库环境中货架的类型，移动机器人的尺寸来确定列和行的固定距离。场地54为异构式排列，譬如其中路径64和65长度不等，这种类型的场地常常出现在场地狭小，移动机器人任务简单的工业生产环境中，因为路径简单，使用异构的排列可以减少地面基准标识的数量。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于基准标识的移动机器人定位方法，其特征在于，包括:

在移动机器人的工作场地的地面上铺设多个基准标识，每个所述基准标识包括标识体，所述标识体的表层上设有多个由二维码标识形成的主标识，所述二维码标识包含的信息为该基准标识的编号，所有的基准标识的编号对应于其在工作场地中的一个坐标，并预先保存在中央控制中心的数据库中；所述标识体的表层中心还设有用于标识移动机器人的移动方向的方向标识；多个所述二维码标识按顺序沿一个正方形的边长排列，且排列成的正方形的各个顶点分别位于所述标识体的各个侧边的中点上；所述方向标识由设置在标识体的中心的一块矩形区域形成，包括设置在矩形区域的中心的中心区、设置在矩形区域的左上角的左上区和设置在矩形区域右上角的右上区，所述中心区、左上区和右上区以颜色与所述方向标识的其他区域区分；

移动机器人通过捕获基准标识上的所述主标识获得该基准标识的编号，以确定移动机器人的当前位置；

移动机器人通过捕获基准标识上的所述方向标识获得移动机器人的行驶方向与基准标识的角度；

移动机器人采用如下方式获得移动机器人的行驶方向与基准标识的角度；

各边角顶点分别向方向标识内部移动一段距离；

通过方向向量公式分别计算出移动后的各边角顶点的坐标值；

获取移动后的边角顶点的灰度值，并通过分别与整个方向标识的灰度的中值进行比较，判断出每一个边角的颜色，据此判断出移动机器人的行驶方向与基准标识的角度；

使用象限q和方向角度α的关系确定移动机器人的行驶方向与基准标识的角度α_标识，α_标识＝|α_矩形|+90°·q，其中，

P₀，P₁，P₂，P₃为各边角顶点分别向方向标识内部移动一段距离后的点，P₀&P₁黑表示当P₀和P₁相与为黑，P₀&P₃黑表示当P₀和P₃相与为黑，P₂&P₃黑表示当P₂和P₃相与为黑，P₁&P₂黑表示当P₁和P₂相与为黑；

α_矩形表示基准标识的边框的角度。

2.如权利要求1所述的移动机器人定位方法，其特征在于，所述二维码标识包含的信息中还包括方向信息，移动机器人还通过捕获基准标识上的所述主标识获得移动机器人的移动方向。

3.如权利要求1所述的移动机器人定位方法，其特征在于，所述标识体的表层的左上角还设有一个铺设标识，所述铺设标识的下方设有用于表示该基准标识的编号。

4.基于基准标识的移动机器人定位系统，其特征在于，包括：

铺设在移动机器人工作场地地面上的多个基准标识，所述基准标识包括标识体，所述标识体的表层上设有多个二维码标识形成的主标识，所述二维码标识所包含的信息包括该基准标识的编号，所述标识体的表层中心还设有用于标识方向的方向标识；多个所述二维码标识按顺序沿一个正方形的边长排列，且排列成的正方形的各个顶点分别位于所述标识体的各个侧边的中点上；所述方向标识由设置在标识体的中心的一块矩形区域形成，包括设置在矩形区域的中心的中心区、设置在矩形区域的左上角的左上区和设置在矩形区域右上角的右上区，所述中心区、左上区和右上区以颜色与所述方向标识的其他区域区分；

移动机器人，其底盘上设有用于获取所述基准标识的捕获装置，所述捕获装置包括一个用于捕获所述主标识的二维扫描器和一个用于捕获所述方向标识的摄像头；

中央控制中心，每一个地面基准标识对应一个唯一的编号，该编号对应移动机器人工作场地的一个坐标，每一个地面基准标识的编号与其对应的移动机器人工作场地的坐标预先保存在中央控制中心的数据库中；

移动机器人通过捕获基准标识上的所述主标识获得该基准标识的编号，以确定移动机器人的当前位置；

移动机器人通过捕获基准标识上的所述方向标识获得移动机器人的行驶方向与基准标识的角度；

移动机器人采用如下方式获得移动机器人的行驶方向与基准标识的角度；

各边角顶点分别向方向标识内部移动一段距离；

通过方向向量公式分别计算出移动后的各边角顶点的坐标值；

获取移动后的边角顶点的灰度值，并通过分别与整个方向标识的灰度的中值进行比较，判断出每一个边角的颜色，据此判断出移动机器人的行驶方向与基准标识的角度；

使用象限q和方向角度α的关系确定移动机器人的行驶方向与基准标识的角度α_标识，α_标识＝|α_矩形|+90°·q，其中，

P₀，P₁，P₂，P₃为各边角顶点分别向方向标识内部移动一段距离后的点，P₀&P₁黑表示当P₀和P₁相与为黑，P₀&P₃黑表示当P₀和P₃相与为黑，P₂&P₃黑表示当P₂和P₃相与为黑，P₁&P₂黑表示当P₁和P₂相与为黑；

α_矩形表示基准标识的边框的角度。

5.如权利要求4所述的移动机器人定位系统，其特征在于，所述移动机器人的底盘上还设有照射方向朝向地面的补光装置。

6.如权利要求4所述的移动机器人定位系统，其特征在于，所述二维扫描器集成有译码器。

7.如权利要求4所述的移动机器人定位系统，其特征在于，所述二维码标识包含的信息中还包括方向信息。