CN106403926B - 一种定位方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种应用于移动物体的定位方法和系统，包括：采集移动物体的视野范围内的路标的图像；路标包括校验标记和唯一标识路标的定位标记，定位标记和校验标记采用标记点的形式；依据路标的图像识别路标的定位标记和校验标记；根据校验标记校验路标的数据完整性：若路标的数据完整，则通过定位标记，计算移动物体相对于路标的相对位置；并依据相对位置和路标的世界坐标，定位移动物体的世界坐标。本发明减少了因为标记点识别错误而造成的定位失败；增加了移动物体空间三个方向的倾斜角的检测，保证了移动物体在上下坡过程中的精确定位；且本发明定位原理简单，计算快速，环境适应性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种移动物体的定位技术，特别是涉及一种应用于移动物体的定位方法和系统。
背景技术
移动机器人在工业(如自动化物流和巡检)和民用(如智能车和服务机器人)等领域有广泛应用。自定位技术是移动机器人领域的一项关键技术，其鲁棒性和精确性很大程度上决定了移动机器人系统的工作效率。
近年来，国内外许多研究人员使用多种传感器，对移动机器人的自定位问题进行了深入研究，提出了许多自定位方法，包括：拓扑表示法、航位推算法、卡尔曼滤波估计、栅格法、概率法、同步定位与建图法等等。用于定位的传感器包括：视觉传感器、激光、红外、超声、码盘、陀螺仪和加速度计等等。码盘、陀螺仪、码盘、加速度计是用于局部定位的辅助传感器。红外、超声传感器受精度限制，一般用于紧急避障。激光传感器成本较高，不适合民用推广。视觉传感器获取的环境信息最为丰富，发展空间最大。目前，研究人员都侧重于机器人的视觉定位研究。
移动机器人的视觉定位一般分为自然路标定位和人工路标定位两大类。其中，自然路标定位方法是利用自然环境中的特征进行定位，具有良好的普适性且不需要环境改造。但是，这类定位方法过于复杂，鲁棒性不佳，实用性有限，且定位精度往往受到环境的影响。人工路标是指人为设计特定的路标安装在机器人的工作环境中，通过传感设备对路标进行识别，提取路标中的信息，从而计算出移动机器人自身的位置。人工路标虽然对环境有所改变，但计算简单，特征稳定，系统构成简单，实用性强，具有较强的鲁棒性，所以被广泛采用。
在人工路标定位方法中，路标的识别准确率很大程度上决定了定位系统的鲁棒性和工作效率。目前，研究人员采用的人工路标多是设计特殊颜色或者纹理结构信息的图案，例如：数字、字母和二维码等等。这些图案一般都需要通过环境光照明，机器人上的摄像机才能感光成像。因此，人工路标容易受到环境光照的变化，从而影响人工路标识别的稳定性。并且，随着机器人的适用范围越来越广，其工作环境的面积也越来越大，对人工路标的需求也越来越多，采用特殊颜色设计的人工路标在数量上已经不能满足大面积的工作环境的需求；而采用纹理结构信息的图案设计的人工路标，其路标相对复杂，对其进行识别时容易发生错误，从而导致定位发生偏差。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种定位方法和系统，用于解决现有技术中移动物体的利用人工路标进行定位时不够准确和快速的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种定位方法，用于根据至少一个路标为移动物体在室内进行定位，其特征在于，包括：采集所述移动物体的视野范围内的所述路标的图像；其中，所述路标包括校验标记和定位标记，且所述定位标记和所述校验标记均采用标记点的形式；所述定位标记包括三个确定所述路标平面的标记点以及设置在所述路标平面上的至少一个用于标识路标的标记点，用于标识路标的多个所述标记点位于至少一个圆周上且所述圆周以同一个极点为圆心，所述校验标记的标记点位于所述圆周上，所述室内的所述校验标记的标记点位置相同；依据所述路标的图像识别所述路标的所述定位标记和所述校验标记；根据所述校验标记，校验所述路标的数据完整性：若所述路标的数据完整，则通过所述定位标记，计算所述移动物体相对于所述路标的相对位置；并依据所述相对位置和所述路标的世界坐标，定位所述移动物体的世界坐标；所述路标的世界坐标是通过所述路标的定位标记从路标位置表中提取的，其中，路标位置表为按照路标的定位标记而保存的各个路标的世界坐标，且，路标位置表中的各个路标的世界坐标是通过预先标定获得的。
于本发明的一实施例中，组成所述定位标记和所述校验标记的标记点均采用回归反射材料。
于本发明的一实施例中，所述采集所述移动物体的视野范围内的路标的图像的步骤包括：向所述路标发射红外光；采集红外光下的所述路标的图像。
于本发明的一实施例中，所述采集所述移动物体的视野范围内的路标的图像的步骤包括：直接采集所述路标的第一图像；向所述路标发射红外光，采集所述路标的第二图像。
于本发明的一实施例中，所述定位标记和所述校验标记的识别是通过将采集的所述第一图像和所述第二图像进行差分而获得的。
于本发明的一实施例中，所述路标的数据完整性是根据所述校验标记，通过奇偶校验法、异或校验法或循环冗余校验法进行校验的。
本发明还公开了一种定位系统，应用于室内的移动物体根据路标进行定位，其特征在于，包括：采集模块，用于采集所述移动物体的视野范围内的路标的图像；其中，所述路标包括校验标记和定位标记，且所述定位标记和所述校验标记均采用标记点的形式；所述定位标记包括三个确定所述路标平面的标记点以及设置在所述路标平面上的至少一个用于标识路标的标记点，用于标识路标的多个所述标记点位于至少一个圆周上且所述圆周以同一个极点为圆心，所述校验标记的标记点位于所述圆周上，所述室内的所述路标的所述校验标记的标记点位置相同；识别模块，用于依据采集的图像识别所述路标的所述定位标记和所述校验标记；校验模块，用于根据所述校验标记，校验所述路标的数据完整性；计算模块，用于通过所述定位标记，计算所述移动物体相对于所述路标的相对位置；定位模块，用于依据所述相对位置和所述路标的世界坐标，定位所述移动物体的世界坐标；所述定位模块还包括：存储子模块和提取子模块；所述存储子模块用于保存路标位置表；其中，所述路标位置表是按照路标的定位标记而保存的各个路标的世界坐标，且，所述路标位置表中的各个路标的世界坐标是通过预先标定获得的；所述提取子模块用于根据所述定位标记提取对应的路标的世界坐标。
于本发明的一实施例中，所述采集模块包括红外光发射子模块和摄像头子模块；所述红外光发射子模块用于向所述移动物体的视野范围内的路标发射红外光；所述摄像头子模块用于获取红外光照射下的路标的图像。
于本发明的一实施例中，所述校验模块根据识别的所述校验标记，通过奇偶校验法、异或校验法或循环冗余校验法校验路标的数据完整性。
本发明还公开了一种定位方法，用于根据至少一个路标为移动物体在室内进行定位，其特征在于，包括：采集所述移动物体的视野范围内的所述路标的图像；其中，所述路标包括校验标记和定位标记，且所述定位标记和所述校验标记均采用标记点的形式；所述定位标记包括三个确定所述路标平面的标记点以及设置在所述路标平面上的至少一个用于标识路标的标记点，用于标识路标的多个所述标记点位于至少一个圆周上且所述圆周以同一个极点为圆心，所述校验标记的标记点位于所述圆周上，所述室内的所述路标的所述校验标记的标记点位置相同；依据路标的图像识别所述路标的所述定位标记和所述校验标记；根据所述校验标记，校验所述路标的数据完整性；若所述路标的数据完整，则检测所述移动物体在空间方向上的倾斜角度；通过所述倾斜角度和所述定位标记，计算所述移动物体相对于所述路标的相对位置；并依据所述相对位置和所述路标的世界坐标，定位所述移动物体的世界坐标；所述路标的世界坐标是通过所述路标的定位标记从路标位置表中提取的，其中，路标位置表为按照路标的定位标记而保存的各个路标的世界坐标，且，路标位置表中的各个路标的世界坐标是通过预先标定获得的。
于本发明的一实施例中，所述路标的数据完整性是根据所述校验标记，通过奇偶校验法、异或校验法或循环冗余校验法进行校验的。
本发明公开了一种定位系统，应用于室内的移动物体根据路标进行定位，其特征在于，包括：采集模块，用于采集所述移动物体的视野范围内的路标的图像；其中，路标包括校验标记和定位标记，且所述定位标记和所述校验标记均采用标记点的形式；所述定位标记包括三个确定所述路标平面的标记点以及设置在所述路标平面上的至少一个用于标识路标的标记点，用于标识路标的多个所述标记点位于至少一个圆周上且所述圆周以同一个极点为圆心，所述校验标记的标记点位于所述圆周上，所述室内的所述路标的所述校验标记的标记点位置相同；识别模块，用于依据采集的图像识别所述路标的所述定位标记和所示校验标记；校验模块，用于根据所述校验标记，校验所述路标的数据完整性；倾斜角检测模块，用于检测所述移动物体在空间方向上的倾斜角度；计算模块，用于通过所述定位标记和所述倾斜角度，计算所述移动物体相对于所述路标的相对位置；定位模块，用于依据所述相对位置和所述路标的世界坐标，定位所述移动物体的世界坐标；所述定位模块还包括：存储子模块和提取子模块；所述存储子模块用于保存路标位置表；其中，所述路标位置表是按照路标的定位标记而保存的各个路标的世界坐标，且，所述路标位置表中的各个路标的世界坐标是通过预先标定获得的；所述提取子模块用于根据所述定位标记提取对应的路标的世界坐标。
于本发明的一实施例中，所述校验模块根据识别的所述校验标记，通过奇偶校验法、异或校验法或循环冗余校验法校验路标的数据完整性。
如上所述，本发明的一种应用于移动物体的定位方法和系统，其路标的标记点采用回归反射材料制造，突出了路标，抑制了环境干扰，增强了鲁棒性；且路标中增加了校验标记点，减少了因为标记点识别错误而造成的定位失败。并且本发明的定位方法中还利用了倾斜角检测模块实时检测移动物体在空间三个方向的倾斜角，通过矩阵运算实时得到移动物体所在位置的世界坐标值，保证了移动物体在上下坡过程中的精确定位，且本发明定位原理简单，计算快速，环境适应性强。
附图说明
图1显示为本发明实施例公开的移动物体的移动工作状态示意图。
图2显示为本发明实施例公开的一种应用于移动物体的定位方法和系统的路标的示意图。
图3显示为本发明实施例公开的一种应用于移动物体的定位系统的原理结构示意图。
图4显示为本发明实施例公开的一种应用于移动物体的定位方法的流程示意图。
图5显示为本发明实施例公开的一种应用于移动物体的定位方法中，对移动物体进行定位时各个坐标系之间的关系示意图。
图6显示为本发明另一实施例公开的一种应用于移动物体的定位系统的原理结构示意图。
图7显示为本发明另一实施例公开的一种应用于移动物体的定位方法的流程示意图。
元件标号说明
100 移动物体
200 路标
211,212,213,214 作为定位标记的标记点
220 作为校验标记的标记点
300,600 定位系统
310,610 采集模块
311,611 红外光发射子模块
312,612 摄像头子模块
320,620 识别模块
330,630 校验模块
340,650 计算模块
350,660 定位模块
640 倾斜角检测模块
S41～S43，S71～S73 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅附图。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明的应用于移动物体的定位方法和系统是基于标记点式的人工路标而提出的。在人工路标中，除了传统的定位标记外，还增加了校验标记，使得移动物体对标记点式的人工路标图像进行采集识别后，就根据校验标记对路标的数据完整性进行校验，避免了由于图像采集的因素而引起的定位不够准确。
本发明的实施例的移动物体是工作在室内环境下，并且，人工路标被贴附于室内环境的天花板上。如图1所示，移动物体100在室内移动，根据采集位于天花板上的人工路标200的图像，从而实现其世界坐标的定位。
在本发明的实施例中，设置于天花板上的路标采用标记点的形式，路标分为两部分：定位标记和校验标记。定位标记用于唯一地标识路标；校验标记用于提供数据完整性的校验信息。并且，路标的数量和排布是基于工作的室内环境的面积大小而确定的。
在本实施例中，天花板上的路标的标记点是基于极坐标的思想进行设计排布的。如图2所示，路标200的定位标记包括至少四个标记点；其中三个标记点(211，212，213)是用于确定路标所在平面的极坐标系，不同的路标，标记点211，212和213是相同的。剩余的标记点214是用于唯一地标识路标，即，不同的路标，标记点214的位置以及数量是不同的。并且标记点214位于标记点211、212和213所确定的极坐标系内。根据标记点214的位置和数量，可以唯一地确定路标。当工作环境的面积不大时，一个路标可以仅采用一个标记点214；这种情况下，不同路标对应的标记点214都是位于同一个以极点为圆心的圆周上的。当工作环境的面积过大时，路标的数量也比较多，为了实现标记点214唯一地标识路标，通常采用增加标记点的方式和/或增加标记点的排布位置的方式。增加标记点，是一个路标通过多个标记点214来进行唯一地标识，并且，多个标记点214可位于同一个以极点为圆心的圆周上，也可以位于以极点为圆心的多个同心圆上。增加标记点的排布位置，是指一个路标对应一个标记点214，不同路标对应的标记点214位于以极点为圆心的多个同心圆上。图2所示的路标的标记点(211，212，213和214)用黑色的实心圆圈来表示；其他路标所对应的标记点214用空心的圆圈来表示。不难看出，不同的路标所对应的标记点214是排布在以极点为圆心的两个同心圆上。路标的校验标记包括至少一个标记点220；标记点220是位于路标的固定区域，例如，图2所示的标记点220是位于以标记点211为圆心的圆周上。当然，校验标记的标记点220并不仅限于图2所示的这一个位置，其也可位于路标的其他位置处。并且，位于同一室内环境下的不同的路标，其对应的校验标记的标记点220的数量和位置是完全相同的。
需要说明的是，本发明的路标的标记点并不仅限于基于极坐标的思想进行设计排布的方式，只要是以标记点的形式来标识区分路标的，均在本发明的保护范围内。
本实施例公开了一种应用于移动物体的定位系统300，如图3所示，包括：
采集模块310，用于采集移动物体的视野范围内的路标的图像。其中，路标采用的标记点的形式，且每一个路标的标记点是基于极坐标的思想进行设计排布的。路标的标记点分为两部分：用于标识路标唯一性的定位标记和用于校验路标的数据完整性的校验标记。通常情况下，采集模块310直接采用照相机即可实现路标的图像的采集。
此外，为了避免周围环境对路标采集的影响，采集模块310包括红外光发射子模块311和摄像头子模块312。红外光发射子模块311向移动物体的视野范围内的路标发射红外光；而摄像头子模块312直接摄取红外光照射下的路标的图像。
本实施例中，红外光发射子模块311由红外发射二极管发光实现。为了使单个路标覆盖的定位范围尽可能广，使用的路标数量尽可能的少，所用的摄像头子模块312必须有足够大的视野范围，因此摄像头子模块312采用焦距较小，成像范围大的镜头或者广角镜头。
并且，路标上的标记点均是采用回归反射材料制成。回归反射材料是利用透明体的反射折射原理制造出的反光材料，能够把光照从原来的方向再反射回去。红外光照射到路标的标记点后，采用回归反射材料制成的标记点可以将红外光沿着入射的路径进行反射，这样就凸显了路标的标记点的光照强度，有效抑制了环境灯光和光照等的影响，增强了系统的鲁棒性。
识别模块320，用于依据采集的路标的图像识别路标的定位标记的校验标记。
校验模块330，用于根据校验标记，校验所述路标的数据完整性；
计算模块340，用于通过定位标记，计算移动物体相对于所述路标的相对位置；
定位模块350，用于依据相对位置和路标的世界坐标，定位移动物体的世界坐标。其中，定位模块350还包括：存储子模块和提取子模块(未在说明书附图中标识)；存储子模块用于保存路标位置表；其中，路标位置表是按照路标的定位标记而保存的各个路标的世界坐标，且，路标位置表中的各个路标的世界坐标是通过预先标定获得的；提取子模块用于根据定位标记提取对应的路标的世界坐标。
需要说明的是，定位系统300的结构非常复杂，本实施例中仅将与解决本发明所提出的技术问题关系密切的模块引入，但这并不表明本实施例中的定位系统300不存在其它的模块。
与定位系统300相对应的定位方法，如图4所示，包括：
步骤S41，采集模块310采集所述移动物体的视野范围内的路标的图像；其中，路标包括定位标记和校验标记，且所述定位标记和所述校验标记均采用标记点的形式：
在本实施例中，为了确保采集识别的路标的图像的准确度，还会分两次对路标的图像进行采集：
首先，摄像头子模块312直接拍摄当前环境为背景的路标的图像，即在红外光发射子模块311未向移动物体视野范围内的路标发射红外光的情况下，直接拍摄路标的第一图像；此时，路标的标记点的亮度为自然光亮度。然后，红外光发射子模块311向路标发射红外光，经路标的标记点的回归反射材料反射后，路标的标记点的亮度为高亮(红外光下)，此时利用摄像头子模块312拍摄路标的第二图像。由于路标的第一图像和第二图像中的标记点式肯定有所区别的，更加利于后续的标记点的识别。
步骤S42，识别模块320依据路标的图像识别所述路标的所述定位标记和所述校验标记；
目前图像识别技术已经非常成熟，因此，关于根据路标的图像识别定位标记和校验标记的具体过程，在此处不再赘述。
需要说明的是，在本实施例中，为了确保采集识别的路标的图像的准确度，在步骤S41中，对路标的图像采集了两次：分别采集了第一图像和第二图像。与之对应，在进行图像识别时，对采集的第一图像和第二图像采用差分处理：用带有高亮的标记点的第二图像减去带有自然光亮度的标记点的第一图像，即可得到只含有标记点的路标的图像。第二图像在减去了第一图像后，除了路标的标记点处于高亮外，其他部分的亮度很低，这样更加便于路标的图像识别，极大地降低了环境光照和太阳光线对定位系统的干扰。并且，定位系统300的红外光发射子模块311的红外光的发射是可控的，其只在较短的时间内需要打开，其它时间是处于关闭状态的，如此，有效降低了定位系统300的系统功耗。
步骤S43，校验模块330根据所述校验标记，校验所述路标的数据完整性：
若所述路标的数据完整，则通过所述定位标记，计算所述移动物体相对于所述路标的相对位置；并依据所述相对位置和所述路标的世界坐标，定位所述移动物体的世界坐标。
在实际的应用中，通常因为路标中的标记点识别出错，而导致定位失败。因此，在本实施例中，对路标图像识别之后，还需根据识别的校验标记(一个或多个标记点220)进行验证。利用标记点220进行验证的方法有很多，例如：奇偶校验、异或校验和/或循环冗余校验等等。本发明的保护范围并不仅限于上述罗列的方法，只要是利用标记点来验证识别的路标的数据是否完整的方法均在本发明的保护范围内。
本实施例中，由于采用的是基于极坐标思想而排布的标记点，并且，一个路标中也仅增加了一个作为校验标记的标记点220，因此，优选采用奇偶校验对识别的路标的图像的完整性和准确性进行验证：
如图2所示，由于本实施例的路标的标记点是采用极坐标的思想进行排布的，且，作为定位标记的标记点(211，212，213和214)为4个，作为校验标记的标记点220为1个，因此，对路标的图像进行识别时，如果其识别出的标记点的数量为奇数(4个作为定位标记的标记点，1个作为校验标记的标记点)时，则表明识别的路标的图像是完整的；如果其识别出的标记点的数量为偶数时，则表明识别的路标的图像是不完整的，需要重新进行路标的图像的采集和识别。本实施例采用简单的奇偶校验，就可以解决大多数情况下单个标记点出错导致的路标识别错误的问题。
此外，本发明的通过一个或多个标记点220对识别的路标的图像进行验证，并不仅限于基于极坐标思想排布标记点的路标，只要是采用标记点的形式标识路标的，均可以通过一个或多个标记点220对路标的数据完整性进行校验。
并且，当校验结果为路标的数据不完整的情况下，则需要重新进行路标的图像的采集和识别，或者是对路标的图像进行修复等处理，以获取完整的路标的数据。
通过标记点对识别的路标的数据完整性进行验证，减少了路标图像的识别发送错误的概率，提高了定位的可靠性。
在校验结果为路标的数据完整的情况下，继续通过所述定位标记，计算模块340计算所述移动物体相对于所述路标的相对位置；并依据所述相对位置和所述路标的世界坐标，定位模块350定位所述移动物体的世界坐标。
在本实施例中，对于移动物体的世界坐标的定位涉及到以下几个坐标系的转换，如图5所示：
UOoY表示以像素为单位的图像坐标系，且，Oo为图像坐标系的原点；
XOY表示以物理单位为度量的成像平面坐标系，O为原点，且，原点O是摄像头光轴与图像平面的交点，理论上该点位于图像的中心，其中，成像平面坐标系的X轴和Y轴与图像坐标系的U轴和V轴平行；
XcOcYcZc表示摄像头坐标系，该坐标系的原点Oc位于镜头的光心，Xc轴与Yc轴与成像平面坐标系的X轴和Y轴平行，Zc轴为摄像机的光轴，与成像平面垂直，它与图像坐标系的交点为O1(在图5中未标识)，O1与Oc之间的距离为摄像头的焦距f；
XwOwYwZw表示世界坐标系。
假设成像平面坐标系的原点O在图像坐标系中的坐标为(u0，v0)，成像平面上的每个像素X轴和y轴方向上的物理尺寸为dx和dy，那么，图像中任意一个像素在图像坐标系和成像平面坐标系下的坐标有如下的关系：
用齐次坐标矩阵表示就是：
根据空间相似原理，在摄像头坐标系的点P和其在成像平面坐标系上的投影点p之间有如下的关系：
其中(x，y)为点p在成像平面坐标系中的坐标，(Xc，Yc，Zc)为点P在摄像头坐标中的坐标，用齐次坐标矩阵表示如下：
结合两式即可以求出空间点P与像点p的像素坐标之间的变换关系：
矩阵
即为摄像头的内参矩阵。
以图2所示的路标为例，对移动物体的世界坐标的定位进行详细说明：
根据识别的路标的定位标记建立路标所对应的极坐标系：根据图2所示的路标，利用标记点211、212和213确定路标的极坐标系(r，t)，其中，r表示半径坐标，t表示角坐标。路标所在的极坐标系与图像坐标系的旋转角即为该矢量方向上的θ0。
根据定位系统300的摄像头的内参矩阵、平移矩阵和定位标记的标记点的极坐标值，计算模块340计算移动物体相对于路标的相对位置；其中，
本实施例是通过平移矩阵T和旋转矩阵R来实现摄像头坐标系与世界坐标系XwYwZw的变换的：
与摄像头的内参矩阵M相结合，可以得到图像坐标系与世界坐标系的关系：
设定世界坐标系的原点与当前摄像机坐标系的原点重合，那么，平移矩阵T＝(x0，y0，z0)为0，旋转矩阵R是根据移动物体在三个方向上的倾斜角度(α,β,γ)实时计算获得的。根据上式的矩阵变换关系，可以求得路标原点相对于摄像头坐标系的坐标，而在该实施例中，未对移动物体在三个方向的倾角进行测量，默认为倾斜角为0。如此，就可得到移动物体相对于与所拍摄到的路标的相对位置，实现移动物体与路标的相对定位。
定位模块350根据移动物体相对于路标的相对位置、空间坐标变换关系、以及路标的世界坐标，可定位出移动物体所在位置的世界坐标。
其中，路标的世界坐标是根据路标的定位标记从路标位置表中提取出来的。路标位置表是保存在定位系统中的，且，路标位置表中的各个路标的世界坐标是按照各个路标的定位标记分开保存的，定位系统根据识别出的路标的定位标记，可方便直接地从路标位置表中读取出相应的世界坐标。此外，路标位置表中的各个路标的世界坐标是路标在设置在天花板之后，进行预先标定而获得的。对于路标的世界坐标的预先标定，方法有很多种，在此就不再赘述。
需要说明的是，上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
进一步地，当移动物体在运动过程中，其并不一定始终处于水平位置处，为了适应不同体位的移动物体的定位，本发明对图3所示的定位系统300进行了改良。如图6所示，本实施例的应用于移动物体的定位系统600包括：
采集模块610，用于采集移动物体的视野范围内的路标的图像。其中，路标采用的标记点的形式，且每一个路标的标记点是基于极坐标的思想进行设计排布的。路标的标记点分为两部分：用于标识路标唯一性的定位标记和用于校验路标的数据完整性的校验标记。通常情况下，采集模块610直接采用照相机即可实现路标的图像的采集。
与图3所示的定位系统300的采集模块310相同，本实施例的定位系统600的采集模块610也包括红外光发射子模块611和摄像头子模块612。红外光发射子模块611向移动物体的视野范围内的路标发射红外光；而摄像头子模块612直接摄取红外光照射下的路标的图像。
本实施例中，红外光发射子模块611由红外发射二极管发光实现。红外发射二极管的发光波长一般有850nm和940nm两种，由于850nm的发射功率更大，可以增强标记点与环境的对比度，因此优先选用波长为850nm的红外发射二极管。并且为了使单个路标覆盖的定位范围尽可能广，使用的路标数量尽可能的少，所用的摄像头子模块612必须有足够大的视野范围，因此摄像头子模块612采用焦距为2.5nm或者2.1nm的红外大广角镜头，图像检测单元采用1/3”CMOS。并且，还可在红外大广角镜头前方安装波长为850nm的窄带通滤波片，从而只对850nm的红外光进行感光成像。
识别模块620，用于依据采集的路标的图像识别路标的定位标记的校验标记。
校验模块630，用于根据校验标记，校验所述路标的数据完整性；
倾斜角检测模块640，用于检测所述移动物体在空间方向上的倾斜角度。倾斜角检测模块640实时检测移动物体自身在空间的三个方向上的倾斜角度，从而使移动物体在上下坡和/或左右摇摆的状态下也可精确定位。优选地，本实施例的倾斜角检测模块640采用倾斜角传感器。
计算模块650，用于通过定位标记和倾斜角度，计算移动物体相对于所述路标的相对位置；
定位模块660，用于依据相对位置和路标的世界坐标，定位移动物体的世界坐标。定位模块660还包括：存储子模块和提取子模块(未在说明书附图中标识)；存储子模块用于保存路标位置表；其中，路标位置表是按照路标的定位标记而保存的各个路标的世界坐标，且，路标位置表中的各个路标的世界坐标是通过预先标定获得的；提取子模块用于根据定位标记提取对应的路标的世界坐标。
需要说明的是，定位系统600的结构非常复杂，本实施例中仅将与解决本发明所提出的技术问题关系密切的模块引入，但这并不表明本实施例中的定位系统600不存在其它的模块。
如图7所示，与定位系统600相对应的定位方法与定位系统300相对应的定位方法相似，包括：
步骤S71，采集模块610采集所述移动物体的视野范围内的路标的图像；其中，路标包括定位标记和校验标记，且所述定位标记和所述校验标记均采用标记点的形式。
步骤S71的处理过程与步骤S41相同，在此不再赘述。
步骤S72，识别模块620依据路标的图像识别所述路标的所述定位标记和所述校验标记：参见步骤S42。
步骤S73，校验模块630根据所述校验标记，校验所述路标的数据完整性：
若所述路标的数据不完整，则重新采集所述路标的图像；
若所述路标的数据完整，则倾斜角检测模块640检测所述移动物体在空间方向上的倾斜角度；计算模块650通过所述倾斜角度和所述定位标记，计算所述移动物体相对于所述路标的相对位置；定位模块660依据所述相对位置和所述路标的世界坐标，定位所述移动物体的世界坐标。
校验模块630根据识别的校验标记(一个或多个标记点220)进行验证。利用标记点220进行验证的方法有很多，例如：奇偶校验、异或校验和/或循环冗余校验等等。本发明的保护范围并不仅限于上述罗列的方法，只要是利用标记点来验证识别的路标的数据是否完整的方法均在本发明的保护范围内。
本实施例中，由于采用的是基于极坐标思想而排布的标记点，并且，一个路标中也仅增加了一个作为校验标记的标记点220，因此，优选采用奇偶校验对识别的路标的图像的完整性和准确性进行验证。
进一步地，在校验结果为路标的数据完整的情况下，倾斜角检测模块640检测所述移动物体在空间方向上的倾斜角度。
计算模块650依据倾斜角度和定位标记，计算所述移动物体相对于所述路标的相对位置：
计算模块650对于移动物体的相对位置的计算与步骤S43计算过程一样，只是计算中的旋转矩阵R略有不同，构成旋转矩阵R的参数值的移动物体在空间三个方向上的倾斜角度(α,β,γ)由倾斜角检测模块640实时检测获得。因此，计算模块650计算获得的移动物体的相对位置也是充分考虑了移动物体的位姿情况而获得的。
定位模块660根据移动物体相对于路标的相对位置、空间坐标变换关系、以及路标的世界坐标值，可定位出移动物体所在位置的世界坐标。
其中，路标的世界坐标是根据路标的定位标记从路标位置表中提取出来的。路标位置表是保存在定位系统中的，且，路标位置表中的各个路标的世界坐标是按照各个路标的定位标记分开保存的，定位系统根据识别出的路标的定位标记，可方便直接地从路标位置表中读取出相应的世界坐标。此外，路标位置表中的各个路标的世界坐标是路标在设置在天花板之后，进行预先标定而获得的。对于路标的世界坐标的预先标定，方法有很多种，在此就不再赘述。需要说明的是，上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
综上所述，本发明的一种应用于移动物体的定位方法和系统，其路标的标记点采用回归反射材料制造，突出了路标，抑制了环境干扰，增强了鲁棒性；且路标中增加了校验标记点，消除了实际应用中因为标记点识别错误而造成的定位失败。并且本发明的定位方法中还利用了倾斜角检测模块实时检测移动物体在空间三个方向的倾斜角，通过矩阵运算实时得到移动物体所在位置的世界坐标值，保证了移动物体在上下坡过程中的精确定位，且本发明定位原理简单，计算快速，环境适应性强。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (12)
1.一种定位方法，用于根据至少一个路标为移动物体在室内进行定位，其特征在于，包括：
采集所述移动物体的视野范围内的所述路标的图像；其中，所述路标包括校验标记和定位标记，且所述定位标记和所述校验标记均采用标记点的形式；所述定位标记包括三个确定所述路标平面的标记点以及设置在所述路标平面上的至少一个用于标识路标的标记点，用于标识路标的多个所述标记点位于至少一个圆周上且所述圆周以同一个极点为圆心，所述校验标记的标记点位于所述圆周上，所述室内的所述校验标记的标记点位置相同；
依据所述路标的图像识别所述路标的所述定位标记和所述校验标记；
根据所述校验标记，校验所述路标的数据完整性：
若所述路标的数据完整，则通过所述定位标记，计算所述移动物体相对于所述路标的相对位置；
并依据所述相对位置和所述路标的世界坐标，定位所述移动物体的世界坐标；
所述路标的世界坐标是通过所述路标的定位标记从路标位置表中提取的，其中，路标位置表为按照路标的定位标记而保存的各个路标的世界坐标，且，路标位置表中的各个路标的世界坐标是通过预先标定获得的。
2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于：所述采集所述移动物体的视野范围内的路标的图像的步骤包括：向路标发射红外光；采集红外光下的路标的图像。
3.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于：所述采集所述移动物体的视野范围内的路标的图像的步骤包括：
直接采集路标的第一图像；
向路标发射红外光，采集路标的第二图像。
4.根据权利要求3所述的定位方法，其特征在于：所述定位标记和所述校验标记的识别是通过将采集的所述第一图像和所述第二图像进行差分而获得的。
5.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于：路标的数据完整性是根据路标的所述校验标记，通过奇偶校验法、异或校验法或循环冗余校验法进行校验的。
6.一种定位系统，应用于室内的移动物体根据路标进行定位，其特征在于，包括：
采集模块，用于采集所述移动物体的视野范围内的路标的图像；其中，所述路标包括校验标记和定位标记，且所述定位标记和所述校验标记均采用标记点的形式；
所述定位标记包括三个确定所述路标平面的标记点以及设置在所述路标平面上的至少一个用于标识路标的标记点，用于标识路标的多个所述标记点位于至少一个圆周上且所述圆周以同一个极点为圆心，所述校验标记的标记点位于所述圆周上，所述室内的所述路标的所述校验标记的标记点位置相同；
识别模块，用于依据采集的图像识别所述路标的所述定位标记和所述校验标记；
校验模块，用于根据所述校验标记，校验所述路标的数据完整性；
计算模块，用于通过所述定位标记，计算所述移动物体相对于所述路标的相对位置；
定位模块，用于依据所述相对位置和所述路标的世界坐标，定位所述移动物体的世界坐标；
所述定位模块还包括：存储子模块和提取子模块；
所述存储子模块用于保存路标位置表；其中，所述路标位置表是按照路标的定位标记而保存的各个路标的世界坐标，且，所述路标位置表中的各个路标的世界坐标是通过预先标定获得的；
所述提取子模块用于根据所述定位标记提取对应的路标的世界坐标。
7.根据权利要求6所述的定位系统，其特征在于：所述采集模块包括红外光发射子模块和摄像头子模块；
所述红外光发射子模块用于向所述移动物体的视野范围内的路标发射红外光；
所述摄像头子模块用于获取红外光照射下的路标的图像。
8.根据权利要求6所述的定位系统，其特征在于：所述校验模块根据识别的所述校验标记，通过奇偶校验法、异或校验法或循环冗余校验法校验路标的数据完整性。
9.一种定位方法，用于根据至少一个路标为移动物体在室内进行定位，其特征在于，包括：
采集所述移动物体的视野范围内的所述路标的图像；其中，所述路标包括校验标记和定位标记，且所述定位标记和所述校验标记均采用标记点的形式；
所述定位标记包括三个确定所述路标平面的标记点以及设置在所述路标平面上的至少一个用于标识路标的标记点，用于标识路标的多个所述标记点位于至少一个圆周上且所述圆周以同一个极点为圆心，所述校验标记的标记点位于所述圆周上，所述室内的所述路标的所述校验标记的标记点位置相同；
依据路标的图像识别所述路标的所述定位标记和所述校验标记；
根据所述校验标记，校验所述路标的数据完整性；
若所述路标的数据完整，则检测所述移动物体在空间方向上的倾斜角度；通过所述倾斜角度和所述定位标记，计算所述移动物体相对于所述路标的相对位置；并依据所述相对位置和所述路标的世界坐标，定位所述移动物体的世界坐标；
所述路标的世界坐标是通过所述路标的定位标记从路标位置表中提取的，其中，路标位置表为按照路标的定位标记而保存的各个路标的世界坐标，且，路标位置表中的各个路标的世界坐标是通过预先标定获得的。
10.根据权利要求9所述的定位方法，其特征在于：所述路标的数据完整性是根据所述校验标记，通过奇偶校验法、异或校验法或循环冗余校验法进行校验的。
11.一种定位系统，应用于室内的移动物体根据路标进行定位，其特征在于，包括：
采集模块，用于采集所述移动物体的视野范围内的路标的图像；其中，路标包括校验标记和定位标记，且所述定位标记和所述校验标记均采用标记点的形式；所述定位标记包括三个确定所述路标平面的标记点以及设置在所述路标平面上的至少一个用于标识路标的标记点，用于标识路标的多个所述标记点位于至少一个圆周上且所述圆周以同一个极点为圆心，所述校验标记的标记点位于所述圆周上，所述室内的所述路标的所述校验标记的标记点位置相同；
识别模块，用于依据采集的图像识别所述路标的所述定位标记和所示校验标记；
校验模块，用于根据所述校验标记，校验所述路标的数据完整性；
倾斜角检测模块，用于检测所述移动物体在空间方向上的倾斜角度；
计算模块，用于通过所述定位标记和所述倾斜角度，计算所述移动物体相对于所述路标的相对位置；
定位模块，用于依据所述相对位置和所述路标的世界坐标，定位所述移动物体的世界坐标；
所述定位模块还包括：存储子模块和提取子模块；
所述存储子模块用于保存路标位置表；其中，所述路标位置表是按照路标的定位标记而保存的各个路标的世界坐标，且，所述路标位置表中的各个路标的世界坐标是通过预先标定获得的；
所述提取子模块用于根据所述定位标记提取对应的路标的世界坐标。
12.根据权利要求11所述的定位系统，其特征在于：所述校验模块根据识别的所述校验标记，通过奇偶校验法、异或校验法或循环冗余校验法校验路标的数据完整性。
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