CN107291072B - 一种移动机器人路径规划系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种移动机器人路径规划系统及方法，该移动机器人路径规划系统包括移动机器人和三维空间；所述移动机器人包括逻辑处理模块和摄像头，所述逻辑处理模块和摄像头连接，所述三维空间包括含有位置信息的二维码，所述摄像头用于对所述二维码进行拍摄，并将拍摄图像传输至逻辑处理模块，所述逻辑处理模块用于通过拍摄图像计算移动机器人在三维空间内的位置信息，并根据计算结果规划移动机器人的运动轨迹。通过二维码识别技术和摄像机标定技术来计算移动机器人在已知三维空间中的位置信息，来规划移动机器人的运动轨迹，操作简单，即使没有经过专业的培训，操作者也能正常使用。

Description

一种移动机器人路径规划系统及方法
技术领域
本发明涉及路径规划技术领域，尤其涉及一种移动机器人路径规划系统及方法。
背景技术
移动机器人的路径规划是指机器人根据传感器摄像头获得的信息对所处环境进行感知并自主规划出一条抵达目标位置的路线。传统的移动机器人的路径规划方法存在如下问题：
1、多点启发式随机搜索算法，算法基于自然界中鱼群觅食的自然行为，使得算法具有优良的寻优能力，但是该算法泛用性低，对每个新环境都需要重新进行训练；
2、依据模糊推理系统和学习自动机的原理，提出了混合学习策略，能够与未知环境实时交互并自适应的学习规划策略，但算法同样需要较多的专家知识来获取合适的模糊规则；
3、机器人所处环境状态自适应的调整网络结构的动态神经网络导航算法，通过神经网络来实现机器人状态与动作间的映射关系，但机器人的动作空间只有五个离散动作，大大降低了系统的自由度。
现如今，机器人现在广泛的应用于工业、军事及家庭等各个领域。上述如此复杂的机器人，路径规划方法很难应用到复杂的工业生产中。
发明内容
为了克服现有的相关产品的所有不足，本发明提出一种移动机器人路径规划系统及方法，旨在计算移动机器人在某一个三维空间中的位置信息，并规划出运动轨迹，实现预先设定好的某一项功能，操作者即使没有非常专业的机器人技术背景也可进行操作。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明所提供的一种移动机器人路径规划系统，包括：移动机器人和三维空间；所述移动机器人包括逻辑处理模块和摄像头，所述逻辑处理模块和摄像头连接，所述三维空间包括含有位置信息的二维码，所述移动机器人移动到所述三维空间内的二维码上，所述摄像头用于对二维码进行拍摄，并将拍摄图像传输至逻辑处理模块，所述逻辑处理模块根据所述拍摄图像计算移动机器人在三维空间内的位置信息，并根据所述位置信息规划移动机器人的运动轨迹。
作为本发明的进一步改进，所述逻辑处理模块包括读码系统和视觉轨迹规划模块，所述读码系统用于读取拍摄图像中的二维码信息并计算出移动机器人在三维空间中的位置信息，所述视觉轨迹规划模块用于根据读码系统计算的位置信息规划移动机器人在三维空间内的运动轨迹。
作为本发明的进一步改进，所述二维码包括所述三维空间内摆放物品和二维码自身四个顶点的具体位置信息。
作为本发明的进一步改进，所述二维码分布于三维空间的内表面上具体为：所述二维码分布于三维空间的地面上。
作为本发明的进一步改进，所述移动机器人包括有驱动装置和执行装置，执行装置位于驱动装置上方，所述驱动装置驱动移动机器人移动，所述执行装置末端安装有夹爪，用来实现对物品的取放。
作为本发明的进一步改进，所述摄像头安装于所述执行装置末端。
作为本发明的进一步改进，所述逻辑处理模块通过接收和读取二维码的图像信息来计算出移动机器人在三维空间中的位置信息。
一种移动机器人路径规划方法，包括以下步骤：
步骤S1：将移动机器人放置于三维空间内；
步骤S2：选择移动机器人要实现的功能并控制其移动到三维空间内的二维码上；
步骤S3：移动机器人的摄像头对二维码进行拍摄，并将拍摄图像传输至逻辑处理模块；
步骤S4：逻辑处理模块的读码系统对三维空间内的二维码进行读码，获取所述二维码的位置信息和待抓取物体的位置信息；
步骤S5：视觉轨迹规划模块根据所述位置信息进行移动机器人的轨迹规划；
步骤S6：移动机器人的驱动装置根据规划好的轨迹，将机器人运动到需要抓取的物体旁边；
步骤S7：移动机器人通过夹爪抓取一个待抓取物体；
步骤S8：移动机器人将物体搬运到指定的区域；
步骤S9：根据运动轨迹重复步骤S3-步骤S8，继续抓取下一个待抓取物体，直至所有待抓取物体都抓取完。
与现有技术相比，本发明有以下优点：
通过二维码识别技术和摄像机标定技术来计算移动机器人在已知三维空间中的位置信息，为移动机器人的路径规划或者更深层次的应用提供数据和理论依据，操作简单，即使没有经过专业的培训，操作者也能正常使用。
附图说明
图1为为本发明移动机器人的原理结构图；
图2为本发明移动机器人的路径规划系统结构示意图；
图3为本发明移动机器人的结构示意图；
图4为本发明二维码的示意图；
图5为本发明移动机器人的路径规划系统工作流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
参阅图1和图2所示，所述移动机器人路径规划系统包括移动机器人和三维空间；所述移动机器人包括有一个逻辑处理模块，所述逻辑处理模块规划轨迹并控制移动机器人在三维空间内按规划的轨迹移动；所述逻辑处理模块包括一个读码系统和视觉轨迹规划模块，所述读码系统可以读取二维码的信息并依此计算出移动机器人在三维空间中的位置信息，所述视觉轨迹规划模块是软件，根据读码系统计算的结果来规划移动机器人在三维空间上的移动轨迹，并控制移动机器人按照规划的轨迹运动。
所述三维空间可以是仓库或其他的立体空间。
所述三维空间包括至少一个二维码，所述二维码分布于三维空间的任意平面上，所述二维码在三维空间平面上的分布密度，可以按照实际需求进行调整，在本发明实施例中，所述二维码分布于三维空间的地面上。
所述二维码包括但不限于物品和二维码自身四个顶点的具体位置信息。
参阅图3所示，所述移动机器人包括有驱动装置和执行装置，执行装置位于驱动装置上方，所述驱动装置驱动移动机器人移动，所述执行装置末端安装有夹爪，用来实现对物品的取放。
所述移动机器人的执行装置末端安装有摄像头，所述摄像头与逻辑处理模块连接，用来拍摄三维空间地面上的二维码，并将二维码的图像信息传输给逻辑处理模块。
所述逻辑处理模块通过接收和读取二维码的图像信息来计算出移动机器人在三维空间中的位置信息。
参阅图4所示，所述逻辑处理模块根据二维码得到的位置信息来计算出移动机器人在三维空间中的位置信息的具体的推算过程为：读码系统相机坐标系到空间坐标系的仿射变换(其中空间坐标系是在三维空间中建立的已知坐标系)。
读码系统相机坐标系到空间坐标系的仿射变换可以由一个4×4的矩阵HomMat3D表示：
Figure BDA0000955028900000051
假设(xc,yc,zc)为相机坐标系中的某参考点，则有
Figure BDA0000955028900000052
其中，(Qx,Qy,Qz)为对应的空间坐标系中的点。若已知空间坐标系中四个点的坐标(xc1,yc1,zc1),(xc2,yc2,zc2),(xc3,yc3,zc3)，(xc4,yc4,zc4)及其在读码系统相机坐标系中相应的四个点的坐标(Qx1,Qy1,Qz1),(Qx2,Qy2,Qz2),(Qx3,Qy3,Qz3),(Qx4,Qy4,Qz4),就可以根据以上关系建立三个四元一次方程组：
Figure BDA0000955028900000061
Figure BDA0000955028900000062
Figure BDA0000955028900000063
从而求得仿射变换矩阵HomMat3D。对于位于三维空间内任意位置的移动机器人，只要确定移动机器人在当前位置处的相机坐标系与空间坐标系之间的仿射变换关系，即可得出移动机器人在三维空间中的位置。
参阅图5所示，一种移动机器人路径规划方法，包括以下步骤：
S1：将移动机器人放置于三维空间内；
S2：选择移动机器人要实现的功能并控制其移动到三维空间内的二维码上；
S3：移动机器人的摄像头对二维码进行拍摄，并将拍摄图像传输至逻辑处理模块；
S4：逻辑处理模块的读码系统对三维空间内的二维码进行读码，获取所述二维码的位置信息和待抓取物体的位置信息；
S5：视觉轨迹规划模块根据所述位置信息进行移动机器人的轨迹规划；
S6：移动机器人的驱动装置根据规划好的轨迹，将机器人运动到需要待抓取物体旁边；
S7：移动机器人通过夹爪抓取一个待抓取物体；
S8：移动机器人将物体搬运到指定的区域；
S9：根据运动轨迹重复步骤S3-步骤S8，继续抓取下一个待抓取物体，直至所有待抓取物体都抓取完。
所述移动机器人路径规划系统及方法并不仅限于对物品的搬运，根据三维空间上二维码包含的信息，移动机器人可以进行其他的工作。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种移动机器人路径规划系统，其特征在于，包括：移动机器人和三维空间；所述移动机器人包括逻辑处理模块和摄像头，所述逻辑处理模块和摄像头连接，所述三维空间包括含有位置信息的二维码，所述移动机器人移动到三维空间内的所述二维码上，所述摄像头用于对二维码进行拍摄，并将拍摄图像传输至逻辑处理模块，所述逻辑处理模块根据所述拍摄图像并基于仿射变换矩阵计算移动机器人在三维空间内的位置信息，并根据所述位置信息规划移动机器人的运动轨迹；
所述二维码包括所述三维空间内摆放物品和二维码自身四个顶点的具体位置信息；
其中，所述根据所述位置信息规划移动机器人的运动轨迹具体为：
根据所述三维空间内摆放物品和二维码自身四个顶点的具体位置信息规划移动机器人的运动轨迹。
2.根据权利要求1所述的移动机器人路径规划系统，其特征在于：所述逻辑处理模块包括读码系统和视觉轨迹规划模块，所述读码系统用于读取拍摄图像中的二维码信息并计算出移动机器人在三维空间中的位置信息，所述视觉轨迹规划模块用于根据读码系统计算的位置信息规划移动机器人在三维空间内的运动轨迹。
3.根据权利要求1所述的移动机器人路径规划系统，其特征在于：所述二维码分布于三维空间的地面上。
4.根据权利要求3所述的移动机器人路径规划系统，其特征在于：所述移动机器人包括有驱动装置和执行装置，执行装置位于驱动装置上方，所述驱动装置驱动移动机器人移动，所述执行装置末端安装有夹爪，用来实现对物品的取放。
5.根据权利要求4所述的移动机器人路径规划系统，其特征在于：所述摄像头安装于所述执行装置末端。
6.一种移动机器人路径规划方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：将移动机器人放置于三维空间内；
步骤S2：选择移动机器人要实现的功能并控制其移动到三维空间内的二维码上；所述二维码包括所述三维空间内摆放物品和二维码自身四个顶点的具体位置信息；
步骤S3：移动机器人的摄像头对二维码进行拍摄，并将拍摄图像传输至逻辑处理模块；
步骤S4：逻辑处理模块的读码系统对三维空间内的二维码进行读码，获取所述二维码的位置信息和待抓取物体的位置信息；
步骤S5：视觉轨迹规划模块根据所述二维码的位置信息和待抓取物体的位置信息进行移动机器人的轨迹规划；
步骤S6：移动机器人的驱动装置根据规划好的轨迹，将机器人运动到需要待抓取的物体旁边；
步骤S7：移动机器人通过夹爪抓取一个待抓取物体；
步骤S8：移动机器人将物体搬运到指定的区域；
步骤S9：根据运动轨迹重复步骤S3-步骤S8，继续抓取下一个待抓取物体，直至所有待抓取物体都抓取完。
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