CN107632604A - 自主移动装置导引线导航方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自主移动装置导引线导航方法，包括如下步骤：S1.采集导引线的实时图像并进行检测处理；S2.将获取到的所述导引线检测处理的结果数据进行分析，得到所述导引线的方向信息；S3.将所述导引线的方向信息发送至自主移动装置的运动控制模块，以实现对所述自主移动装置的引导。本发明同时还公开了一种自主移动装置导引线导航装置。本发明铺设导引线施工简便，可以根据任务需要灵活更改路线，而且摄像头成本低，导引线识别算法简洁，通过对导引线的设计可以更加实现对自主移动装置的灵活引导。

Description

自主移动装置导引线导航方法及装置

技术领域

本发明涉及自动控制领域，更具体地说，涉及一种自主移动装置导引线导航方法及装置。

背景技术

“自动导引运输车”(Automated Guided Vehicle，简称自主移动装置)，是指装备有电磁或光学等自动导航装置，它能够沿规定的导引路径行驶，实现移载功能的自动运输车。现有的导航方案包括电磁导航，磁带导航，二维码导航，激光导航。其中电磁导航通过将金属导线预埋在场地，通过检测通电后导线周围磁场方式得到移动的路线；磁带导航方案是将磁条粘贴在路面代替金属线；标签导航方案中通过识别二维码辅助惯性进行导航；激光导航安装位置精确的激光反射板，通过激光雷达发射激光束，同时采集由反射板反射的激光束，来确定其当前的位置和方向，并通过连续的三角几何运算来实现的导航。

现有技术的电磁导航方案中导引原理简单而可靠，便于控制通讯，对声光无干扰，成本比激光导航低；电磁导航缺点：改变或扩充路径较麻烦，导引线铺设相对困难。

而磁带导航优点：定位精确，路径的铺设、变更或扩充相对电磁导航容易，磁带成本较低。磁带导航缺点：磁带需要定期维护，路径变更需要重新铺设磁带。

电磁导航和磁带导航原理类似，都需要磁性传感器对磁场进行检测，因此不能使用在涉及到有磁良导体的(比如金属)工作环境。通常只能沿着铺设的磁带行走。

二维码导航优点定位精确，导航灵活性比较好，铺设、改变或扩充路径也较容易，便于控制通讯，对声光无干扰。二维码导航缺点：路径需要定期维护，如果场地复杂，则需要更换二维码，对陀螺仪的精度及使用寿命要求严格，另对场地平整度有一定要求。

激光导航的优点：定位精确；地面无需其他定位设施；行驶路径可灵活。激光导航的缺点：制造成本高，对环境要求相对较高(外界光线，地面平整度要求，能见度要求等)。

为此，本发明提出一种低成本导航方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述现有技术的缺点,提供一种自主移动装置导引线导航方法及装置。

本发明公开了一种自主移动装置导引线导航方法，包括如下步骤：

S1.采集导引线的实时图像并进行检测处理；

S2.将获取到的所述导引线检测处理的结果数据进行分析，得到所述引导线的方向信息；

S3.将所述导引线的方向信息发送至自主移动装置的运动控制模块，以实现对所述自主移动装置的引导。

本发明中，所述步骤S1中采集导引线的实时图像后，进行检测的步骤包括：

S11.将采集到的图像帧采用等比例缩放的方式以降低图像画面分辨率；

S12.将原始图像的RGB彩色图转换成HSV色彩图；

S13.根据预先设置的HSV分量范围选择合适的HSV参数生成HSV空间颜色特征掩膜版，并将所述掩膜版与步骤S12中的所述HSV图像的每一个像素按位和操作。

本发明中，所述步骤S13中，还包括HSV颜色过滤器根据HSV空间颜色特征将导引线颜色区域与其他干扰物区分开。

本发明中，所述步骤S13中，所述预先设置的HSV分量范围包括所述HSV颜色过滤器设置H,S,V三个分量的各自对应的上限和下限阀值，即H上限阀值，H下限阀值，S上限阀值，S下限阀值，V上限阀值，V下限阀值。

本发明中，所述步骤S13中，所述选择合适的HSV参数的步骤包括：

S131.将步骤S11采集到的一组实时图像作为所述HSV颜色过滤器设置用的待测图片，并将H，S，V分量参数的上限阀值设置为最小值，下限阈值设置为最大值；

S132.选取所述待测图片中的一张作为输入，并按照步骤S12将RGB颜色转换成HSV颜色，并选择H,S,V分量中的一个作为待调参数，其余5个阈值不变；

S133.选择合适的参数的方法是：按照某个固定的值从最小值依次增加至最大值的一组等差参数数列，每个参数对应一个HSV空间的颜色过滤器。对于不同参数的HSV颜色过滤器，待测图像的导引线区域像素数量发生变化，在HSV过滤器处理后的图片中导引线区域像素最多且非导引线区域像素最少的参数值被记录下来作为该参数的阈值；

S134.将其余H,S,V分量的另外一个参数作为待调参数，并重复所述步骤S133，直到6个阈值参数都被确认；

S135.选取下一张所述待测图片，并重复步骤S132～步骤S134，得到另外一组6个阈值；

S136.直到得到全部待测图片的阈值的集合，选取每个分量上限阈值有效值集合的最大值作为最终上限阈值，取下限阈值有效值集合的最小值作为最终下限阈值；

S137.根据透视规律将关注区域设置为梯形区域，即在通过设置相邻顶点矢量来实现该关注区域掩膜版，所述关注区域掩膜版与所述HSV图像的每一个像素按位和操作，并且仅保留掩膜版内的图像。

本发明中，所述步骤S137中，所述关注区域(ROI)的设置满足两个条件：①在合理的可视区域范围；②根据导引线和自主移动装置相对运动的最大夹角。

本发明中，所述步骤S137中，所述梯形高度设置成与图像高度乘以数值范围在(0，1)之间的系数。

本发明中，所述步骤S1进一步包括：

统计所述关注区域掩膜版(ROI Mask)操作后非零像素个数，当坐标点小于某个阈值，则表示没有检测到轨迹线；当坐标点大于某个阈值，则表示检测成功。

本发明中，所述步骤S1是通过摄像头来采集导引线的实时图像。

本发明中，所述步骤S2包括：

S21.获取所述导引线检测结果中的非零像素的位置坐标(X，Y)的集合；

S22.寻找最近坐标点和最远/次远坐标点；

S23.如果最近点坐标和最远点坐标同时检测成功，则根据最近和最远点相连形成的线段与图像Y方向夹角的弧度值作为导引线的方向信息并发送至所述自主移动装置的运动控制模块；

如果最近点坐标检测成功，最远点坐标检测失败，则根据最近和次远点相连形成的线段与图像Y方向夹角的弧度值作为导引线的方向信息并发送至所述自主移动装置的运动控制模块；

如果最近点坐标检测失败，则不计算导引线的偏向弧度；

S24.计算导引线最近点坐标与所述摄像头的距离信息并发送至所述自主移动装置的运动控制模块；

S25.如果检测到停止标识，则发送停止命令给所述自主移动装置的运动控制模块，否则继续。

本发明中，步骤S22中，将图像左上角像素坐标定义为(0，0)，右下角像素坐标定义为(width，height)，width是图像宽度，height是图像高度，所述摄像头的中心位置坐标是(width/2，height/2)。

本发明中，所述步骤S21中，在所述(X,Y)集合中，寻找Y分量最大的坐标作为所述最近坐标点(X_close，Y_close)；寻找Y分量最小的坐标作为所述最远坐标的(X_far,Y_far)。

本发明中，所述步骤S25中，将导引线标记的实际宽度除以Y_close像素宽度作为实际宽度换算值，计算最近点X坐标与所述摄像头X坐标的差值(X_close-width/2)乘以所述实际宽度换算值，得到所述导引线最近点与所述摄像头的距离。

本发明还公开了一种自主移动装置导引线导航装置，所述自主移动装置导引线导航装置包括：

自主移动装置，所述自主移动装置包括摄像头、补光照明灯、图像处理模块以及运动控制模块，所述摄像头将采集到所述导引线的实时图像发给图像处理模块进行处理，所述图像处理模块将处理结果发送给所述运动控制模块以实现导航功能，所述补光照明灯用于在所述自主移动装置工作环境中照亮运动中所需的所述导引线；

导引线，用于对所述自主移动装置实现引导。

本发明中，所述导引线为彩色胶带或涂料、油漆。

本发明中，所述摄像头设置在所述自主移动装置行动方向端的居中位置，摄像头的安装夹角设计为与水平方向所成夹角等于所述摄像头竖直方向的二分之一可视角的余角。

本发明的有益效果是，本发明铺设导引线施工简便，可以根据任务需要灵活更改路线，而且摄像头成本低，导引线识别算法简洁，通过对导引线的设计可以更加实现对自主移动装置的灵活引导。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明所述自主移动装置导引线导航装置的示意图；

图2是本发明所述自主移动装置导引线导航方法的流程示意图；

图3是本发明所述自主移动装置导引线导航方法的示例图；

图4是图3经过HSV颜色过滤器处理后的效果示意图；

图5是图4经过关注区域掩膜版ROI Mask处理后的效果示意图；

图6是图3经过数据分析后得到导引线方向的效果示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述一种自主移动装置导引线导航装置，包括自主移动装置2和用于对所述自主移动装置实现引导的导引线1。所述自主移动装置2包括摄像头3、补光照明灯4(补光照明灯4的位置可以根据实际需要进行调整)、图像处理模块(位于自主移动装置2内部，图中未标示)以及运动控制模块(位于自主移动装置2内部，图中未标示)，摄像头3将采集到导引线1的实时图像发给图像处理模块进行处理，图像处理模块将处理结果发送给运动控制模块以实现导航功能，补光照明灯4用于在自主移动装置2工作环境中照亮运动中所需的导引线1。

其中，导引线1的选择：考虑到成本和铺设的便捷，选择使用背面具有粘性的具备一定耐磨度的彩色胶带的作为导引线。也可以使用其他材料作为替代，比如涂料、油漆或者其他材质拼贴而成。关于颜色选择：与工作环境的地面能够明显区分，例如当地面颜色为米色和蓝色，使用了红色作为导引线颜色。铺设走向根据实际要求进行。

其中，摄像头3安装方式：将摄像头3放置在自主移动装置2行动方向端的居中位置。本发明实施例中安装效果如图1所示，将摄像头3向地板方向倾斜，为了尽量减少摄像头3的盲区，优选地摄像头3的安装夹角设计成与水平方向所成夹角等于所述摄像头竖直方向的二分之一可视角的余角。

摄像头3安装高度以画面中出现清晰导引线，且导引线宽度占据画面宽度的1/6—1/8。特别需要说明考虑到运动过程中光线变化的影响，尽量在靠近地板方向安装补光照明灯4，补光照明灯4亮度尽量能够在自主移动装置2工作环境中照亮运动中所需的导引线1。本发明优选实施例使用了USB摄像头和功率3w LED摄像头作为补光照明设备。摄像头安装高度距离地面20cm。

计算机与USB摄像头连接组成图像处理模块5，计算结果下达给运动控制模块6以实现导航功能。图像处理算法涉及的基本功能借助现有的图像处理库例借助OpenCV来实现，数据分析借助numpy库来实现。具体地，包括导引线检测和导引线数据分析两个主要部分。下面针对本发明所述自主移动装置导引线导航方法对这两个主要部分进行阐述。

如图2所示，本发明所述一种自主移动装置导引线导航方法，包括如下步骤：

步骤S1，采集导引线的实时图像并进行检测处理。

步骤S2，将获取到的所述导引线检测处理的结果数据进行分析，得到所述导引线的方向信息；

步骤S3，将所述导引线的方向信息发送至自主移动装置的运动控制模块，以实现自主移动装置的引导。

其中，导引线检测部分为：

在步骤S1中，进行检测之前需要初始化摄像头，获取摄像头连续帧作为待检测图像，该帧有可能包含了导引线和地面以及其他物体。进行检测处理的步骤包括：

步骤S11,将采集到的图像帧采用等比例缩放的方式以降低图像画面分辨率，减少计算量以及降低原始图像噪声的干扰，提高计算速度和抗干扰能力。其中，比例缩放的方式优选采用金字塔下采样的方式。颜色过滤过程为：

步骤S12，将原始图像的RGB(red，green，blue，简称RGB)彩色图转换成HSV(Hue色度，Saturation饱和度，Value纯度，简称HSV)色彩图。

步骤S13，根据预先设置好的HSV分量范围选择合适的HSV参数生成HSV空间颜色特征掩模版，并将所述掩模版与步骤S12中的所述HSV图像的每一个像素按位和操作。

其中，HSV颜色过滤器根据HSV空间颜色特征将导引线颜色区域与其他干扰物区分开。设计最佳导引线的HSV颜色特征过滤器的需要设置H,S,V三个分量的各自对应的上限和下限阈值，即H上限阈，H下限阈值，S上限阈，S下限阈值，V上限阈，V下限阈值。

为了选择合适的HSV参数，本发明提出一种的利用参数逼近的HSV颜色过滤器参数设置方法：

步骤S131,利用原位摄像头和计算单元采集一组图片作为颜色过滤器设置用待测图片。选择待测图片时尽量覆盖实际工作场景的可能出现的光线变化和干扰物体。H、S、V分量参数将上限阈值设置为最小值，下限阈值设置为最大值。

步骤S132中，挑选一张待测图片作为输入，将RGB颜色转换成HSV颜色，选择H、S、V分量中的一个作为待调参数，其余5个阈值保持不变。

步骤S133中，选择合适的参数的方法是：按照某个固定的值从最小值依次增加至最大值的一组等差参数数列，每个参数对应一个HSV空间的颜色过滤器。对于不同参数的HSV过滤器，待测图像的导引线区域像素数量发生变化，在HSV过滤器处理后的图片中导引线区域像素最多且非导引线区域像素最少的参数值被记录下来作为该参数的阈值。

步骤S134中，将其余H,S,V分量的另外一个参数作为待调参数，并重复上述步骤S133的方法，直到确定6个阈值参数都确认了。

步骤S135中，选取下一张所述待测图片，并重复步骤S132～步骤S134，得到另外一组6个阈值。

步骤S136中，直到得到全部待测图片的阈值的集合。选取每个分量上限阈值有效值集合的最大值作为最终上限阈值，取下限阈值有效值集合的最小值作为最终下限阈值。

步骤S137中，关注区域(ROI)的设置满足两个条件：1.合理的可视区域范围；2.根据导引线和自主移动装置相对运动的最大夹角。根据透视规律将关注区域(ROI)的设计成梯形区域，即在通过设置相邻顶点矢量来实现该区域的掩膜版。该关注区域掩膜版(ROIMask)与HSV图像的每一个像素按位和操作，仅保留掩膜版内的图像。梯形高度(梯形的上底边\下底边的宽度)设置成与图像高度(宽度)乘以数值范围在(0,1)之间的系数。

最后，统计该帧画面经过ROI掩码操作后非零像素个数，当坐标点小于某个阈值，则表示没有检测到轨迹线。大于该阈值则表示检测成功。

导引线检测如图3、图4、图5所示的。其中图3表示输入摄像头采集到的图像帧(已经降低分辨率)，图4表示图经3过HSV颜色过滤器处理后的效果示意图，图5表示图4经过关注区域掩膜版(ROI Mask)处理后的效果示意图。

其中，导引线数据分析部分为：

图3是本发明所述自主移动装置导引线导航方法的示例图，图6是图3所述导引线数据处理后的效果示例图，如图3，图6所示。图3为导引线原始帧(摄像头获得的自动引导小车即将进入电梯间画面，地面上弯曲部分是导引线1)，图6为对该帧画面处理后得到的导引线方向。计算得到导引线方向用末端实心圆的射线线段5表示。导引线检测数据处理具体步骤是：

步骤S21，获得导引线检测结果中非零像素的位置坐标(X,Y)的集合。

步骤S22，寻找最近坐标点和最远/次远坐标点。通常图像坐标系将图像左上角像素坐标定义为(0,0)，右下角像素坐标定义为(width,height)，width是图像宽度，height是图像高度。摄像头中心坐标表示为(width/2,height/2)，即画面的底边中心坐标。在(X,Y)集合中，寻找Y分量最大的坐标作为所述最近坐标点，即为距离摄像头的最近点坐标(X_close,Y_close)；寻找Y分量最小的坐标作为所述最远坐标点，即为距离摄像头的最远点坐标(X_far,Y_far)。

在(X_close,Y_close)点向Y减小方向上设置一个等于某个像素高度的矩形区域(例如15个像素高度)，如果该区域内像素点总数大于某个阈值(说明该区域检测到的图像质量理想，像素坐标点稳定)，取该区域的中心坐标点作为最近点坐标(X_close,Y_close)，更新最近坐标点；如果该区域内像素点总数小于某个阈值，则最近点坐标检测失败。

在(X_far,Y_far)点向Y增加方向上设置一个等于某个像素高度矩形区域(比如15个像素高度)，如果该区域内像素点总数大于某个阈值，取该区域的中心坐标点作为最远点坐标(X_far,Y_far)，更新最远坐标点；如果该区域内像素点总数小于某个阈值，则最远点坐标检测失败。

步骤S23，如果最近点，最远点坐标同时检测成功，则根据最近——最远点相连形成的线段与图像Y方向夹角的弧度值作为导引线的方向信息发送至所述自主移动装置运动控制模块。

如果最近点坐标检测成功，最远点坐标检测失败，在(X,Y)坐标系中选择距离Y_close点上移(Y_close-Y_far)乘以某个数值范围在0～1之间的比例系数，例如0.75，最为次远点，类似上述方法，选择大于某一像素数量阈值的附近区域中心坐标作为次远点坐标。如果0.75系数的次远点检测失败则选取更小的比例(例如0.75-0.7-0.65)进行检测，直到获得次远点坐标为止。根据最近——次远点相连形成的线段与图像Y方向夹角的弧度值作为导引线的方向信息发送至所述自主移动装置的运动控制模块。

如果最近点坐标检测失败，则不计算导引线的偏向弧度。

步骤S24，统计(X,Y)集合中Y分量坐标等于某个值的坐标子集，统计该子集中X坐标值的取值上下限，该上下限的差作为图像该Y值的图像的像素宽度。

计算Y_close像素宽度，将导引线标记的实际宽度除以像素宽度作为实际宽度换算值。计算最近点X坐标与摄像头X坐标的差值(X_close-width/2)乘以实际宽度换算值，得到导引线最近点坐标与所述摄像头的距离并发送至所述自主移动装置的运动控制模块。

步骤S25，停止标识可以使用N倍宽度的同颜色导引线表示。当检测到Y_close像素宽度值大于某个阈值，则发送停止命令给所述自主移动装置的运动控制模块。也可以通过设计不同宽度的导引线代表不同运行速度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种自主移动装置导引线导航方法，其特征在于，所述自主移动装置导引线导航方法包括如下步骤：

S1.采集导引线的实时图像并进行检测处理；

S2.将获取到的所述导引线检测处理的结果数据进行分析，得到所述引导线的方向信息；

S3.将所述导引线的方向信息发送至自主移动装置的运动控制模块，以实现对所述自主移动装置的引导。

2.根据权利要求1所述的自主移动装置导引线导航方法，其特征在于，所述步骤S1中采集导引线的实时图像后，进行检测的步骤包括：

S11.降低采集到的所述实时图像的分辨率；

S12.转换所述S11步骤处理后的图像成HSV色彩图；

S13.生成HSV空间颜色特征掩膜版，并将所述掩膜版与步骤S12中的所述HSV图像的每一个像素按位和操作。

3.根据权利要求2所述的自主移动装置导引线导航方法，其特征在于，所述步骤S13中，还包括HSV颜色过滤器根据HSV空间颜色特征将导引线颜色区域与其他干扰物区分开。

4.根据权利要求1所述的自主移动装置导引线导航方法，其特征在于，

所述步骤S1是通过摄像头来采集导引线的实时图像。

5.根据权利要求4所述的自主移动装置导引线导航方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

S21.获取所述步骤S1导引线检测后的非零像素的位置坐标(X，Y)的集合；

S22.寻找最近坐标点和最远坐标点；

S23.如果最近点坐标和最远点坐标同时检测成功，则根据最近和最远点相连形成的线段与图像Y方向夹角的弧度值作为导引线的方向信息

如果最近点坐标检测失败，则不计算导引线的偏向弧度；

S24.计算导引线最近点坐标与所述摄像头的距离。

6.根据权利要求5所述的自主移动装置导引线导航方法，其特征在于，步骤S22中，将图像左上角像素坐标定义为(0，0)，右下角像素坐标定义为(width，height)，width是图像宽度，height是图像高度，所述摄像头的中心位置坐标是(width/2，height/2)。

7.根据权利要求5所述的自主移动装置导引线导航方法，其特征在于，所述步骤S22中，在所述(X,Y)集合中，寻找Y分量最大的坐标作为所述最近坐标点(X_close，Y_close)；寻找Y分量最小的坐标作为所述最远坐标点(X_far,Y_far)。

8.根据权利要求5所述的自主移动装置导引线导航方法，其特征在于，所述步骤S24中，将导引线标记的实际宽度除以Y_close像素宽度作为实际宽度换算值，计算最近点X坐标与所述摄像头X坐标的差值(X_close-width/2)乘以所述实际宽度换算值，得到所述导引线最近点坐标与所述摄像头的距离。

9.一种自主移动装置导引线导航装置，其特征在于，所述自主移动装置导引线导航装置包括：

自主移动装置，所述自主移动装置包括摄像头、图像处理模块以及运动控制模块，所述摄像头将采集到所述导引线的实时图像发给图像处理模块进行处理，所述图像处理模块将处理结果发送给所述运动控制模块以实现导航功能；

导引线，用于对所述自主移动装置实现引导。

10.根据权利要求9所述的自主移动装置导引线导航装置，其特征在于，所述摄像头设置在所述自主移动装置行动方向端的居中位置，摄像头的安装夹角设计为与水平方向所成夹角等于所述摄像头竖直方向的二分之一可视角的余角。