CN108594822A - 基于二维码的机器人定位方法、机器人充电方法及系统 - Google Patents

基于二维码的机器人定位方法、机器人充电方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于二维码的机器人定位方法，包括以下步骤：在目标位置上设置目标二维码；机器人通过图像获取单元获取图片，并对获取的图片进行识别，判断获取的图片是否为目标二维码，若否则继续获取图片，若是则根据获取的图片中二维码的形状、目标二维码的形状和图像获取单元在机器人上的位置计算出机器人相对于目标二维码的位置信息；根据该位置信息确定机器人移动的速度方向，并以该速度方向向目标位置移动；判断机器人与目标二维码之间的距离是否大于预定距离，若否则重新获取图片进行计算，若是则停止移动，本发明能够实现机器人和目标物的精准对接、结构简单，成本低，应用到充电系统上时，可以实现自主充电，提高机器人效率。

Description

基于二维码的机器人定位方法、机器人充电方法及系统
技术领域
本发明属于机器人控制技术领域，具体涉及一种基于二维码的机器人定位方法、机器人充电方法及系统。
背景技术
在现有的AGV(Automated Guided Vehicle)产品中，绝大部分采用可充电电池作为电源，传统的人工插拔充电方式需要额外的人员进行操作，而且效率较低。而采用自动充电的方式，在电池电量不足时，机器人能自主移动至充电桩位置，并与之建立可靠连接，可以提高AGV的工作效率。
市面上流行的激光导航方式，是通过AGV在地图中的位置进行导航的，一般无法达到充电桩对准的精度要求。所以需要AGV在充电桩附近的位置对充电桩进行二次的识别和定位。
二次定位的方法一般采用磁轨道(CN201420689444.6)或是红外(CN201310567061.1)方式。
磁轨道方式需要不适合磁场紊乱的环境，而且需要额外地在地面或地下上铺(埋)设磁轨道。地面上的铺设磁轨道容易被往来的行人和车辆损毁，而地下埋设磁道，需要凿开地面，一般厂房条件不允许，且成本较大。
红外的方式则对AGV初始的位置要求较高，而且在充电桩需要额外的安装红外发送和接受装置。
因此，如何针对上述现有技术所存在的缺点进行研发改良，实为相关业界所需努力研发的目标。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种定位精度高，能够实现机器人自动充电，提高机器人工作效率，且成本低的基于二维码的机器人定位方法、机器人充电方法及系统。
本发明提供了一种基于二维码的机器人定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，在目标位置上设置目标二维码；
步骤S2，机器人通过图像获取单元获取图片，并对获取的图片进行识别，判断获取的图片是否为目标二维码，若否，则继续获取图片，若是，则进入步骤S3；
步骤S3，根据获取的图片中二维码的形状、目标二维码的形状和图像获取单元在机器人上的位置计算出机器人相对于目标二维码的位置信息；
步骤S4，根据机器人相对于目标二维码的位置信息确定机器人移动的速度方向，并以所述速度方向向所述目标位置移动；
步骤S5，判断机器人与所述目标二维码之间的距离是否大于预定距离，若否，返回步骤S2，若是，则进入步骤S6；
步骤S6，机器人停止移动。
进一步，在本发明提供的基于二维码的机器人定位方法中，还可以具有这样的特征：其中，所述目标二维码包括边框和编码，所述编码被所述边框包围，所述边框为纯色，用于在对二维码进行识别时提取二维码边沿和角点，所述编码为至少两种颜色相间组成的区域，用于标识目标物。
进一步，在本发明提供的基于二维码的机器人定位方法中，还可以具有这样的特征：其中，所述步骤S2中，对获取的图片进行识别的方法包括以下步骤：
采用阈值分割法得到获取的图片中的所述边框颜色的区域；
提取所述边框颜色的区域的外边缘，然后在外边缘上提取出四个角点，得到识别区域；
通过四个角点在图像中的位置计算所述识别区域在图像中的透射矩阵，然后通过计算的透射矩阵把图像中的识别区域矫正为与目标二维码形状相似的形状；
将矫正后的识别区域中的二维码编码进行解码，确认是否和目标二维码编码一致，若一致，则确认识别区域为目标二维码，若不一致，则识别区域不是目标二维码。
进一步，在本发明提供的基于二维码的机器人定位方法中，还可以具有这样的特征：其中，所述步骤S3中，计算机器人相对于目标二维码的位置信息的方法包括：
对确认的二维码区域的各条边进行最小二乘法拟合，得到四条相交的直线，把两两直线相交的交点作为亚像素二维码角点；
根据亚像素角点位置和目标二维码的角点在目标物上的三维位置基于PnP算法得到摄像头相对于目标二维码的位置。
根据摄像头在机器人上的位置得到机器人相对于目标二维码的位置。
进一步，在本发明提供的基于二维码的机器人定位方法中，还可以具有这样的特征：其中，所述步骤S4中，机器人移动的速度方向的确定方法为：
以获取的图片中二维码的中心为坐标系原点建立坐标系，根据机器人相对于目标二维码的位置得到机器人在所述坐标系下的坐标和角度，目标位置在所述坐标系下的坐标和角度；
通过机器人的坐标和角度、目标位置的坐标和角度实时差值计算机器人和目标位置之间的Bezier曲线；
根据Bezier曲线确定机器人移动的速度方向；
根据确定的速度方向控制机器人移动。
本发明还提供了一种机器人充电方法，其特征在于：
在机器人的电池电量不足时，机器人导航至充电桩前预定距离；
机器人移动将充电接口与充电桩的电极接触充电时采用上述的基于二维码的机器人定位方法进行移动定位；
机器人充电接口与充电桩的电极接触进行充电。
本发明还提供了一种机器人充电系统，其特征在于，包括：充电桩，其上安装有相对于充电桩位置已知的目标二维码；
AGV小车，其上安装有相对AGV小车位置已知的图像获取单元、存储单元、计算单元以及控制单元。
所述存储单元存储有目标二维码、目标二维码和目标物的对应关系、目标二维码在对应的目标物上的位置。
所述计算单元对所述图像获取单元获取的图像进行识别，并根据识别出的识别区域、目标二维码和图像获取单元在AGV小车上的位置基于预定规则得到AGV小车运行速度方向。
所述控制单元根据所述速度方向控制AGV小车运行。
进一步，在本发明提供的机器人充电系统中，还可以具有这样的特征：其中，所述图像获取单元为摄像头。
进一步，在本发明提供的机器人充电系统中，还可以具有这样的特征：其中，所述目标二维码为正方形，包括边框和编码，所述边框为纯黑色，用于提取二维码边沿和角点作为定位依据，所述编码被所述边框包围，用于标识充电桩。
本发明的优点如下：
本发明所涉及的基于二维码的机器人定位方法，因为在目标位置上设置有目标二维码，机器人获取图片后通过对图片进行识别，判断获取图片是否为目标二维码，从而确定了目标位置是否为正确的，通过获取的图片中识别区域与目标二维码的形状计算出机器人相对于目标二维码的位置信息，根据机器人相对于目标二维码的位置信息对获取机器人移动的速度和角度，通过实时获取机器人相对于目标二维码的位置信息，从而实时得到机器人移动的速度和角度，直至机器人移动到目标物，从而能够精确控制机器人移动到目标位置，能够实现机器人的充电接口与充电桩对接，自主进行充电，不需要人力辅助，极大地解放了生产力，因此，本发明的基于二维码的机器人定位方法，机器人定位精度高，能够实现自动充电，提高机器人工作效率。
本发明所涉及的机器人充电方法，由于机器人能够识别出与之匹配的充电桩，且移动时定位精度高，因此能够自主进行充电，不需要人力辅助，极大地解放了生产力，提高了机器人工作效率。
本发明所涉及的机器人充电系统，能够自主进行充电，机器人工作效率高，且结构简单、成本低，不必额外增加大量的硬件设施。
附图说明
图1是本发明基于二维码的机器人定位方法的流程图；
图2是本发明实施例中目标二维码的示意图；
图3是本发明实施例中机器人充电系统的示意图；
图4是本发明实施例中充电桩的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明基于二维码的机器人定位方法、机器人充电方法及系统作具体阐述。
如图1所示，基于二维码的机器人定位方法包括以下步骤：
步骤S1-1，在目标位置设置目标二维码。目标二维码存储在机器人的存储设备上，且存储的该目标二维码与目标位置对应，机器人的存储设备上还存储有目标二维码在目标位置的位置，包括目标二维码的四个角点在目标位置处的实际位置。在本实施例中，如图2所示，目标二维码1为正方形，包括边框11和编码12。编码12被边框11包围。边框11为纯色，用于在对二维码进行识别时提取二维码边沿和角点111作为定位依据，在本实施例中，边框11为纯黑色。编码12为至少两种颜色相间组成的区域，编码12用于标识目标位置。在本实施例中，编码12为4x4的黑白相间编码。对于不同的目标位置设置的目标二维码中的编码均不同，通过对编码解码后即可知道该编码对应的目标位置是什么。目标位置可以为具体的物体。在本实施例中，目标位置为充电桩。
步骤S1-2，机器人通过图像获取单元获取图片，并对获取的图片进行识别，判断获取的图片是否为目标二维码，若否，则继续获取图片，若是，则进入步骤S1-3。在本实施例中，图像获取单元为摄像头。
对获取的图片进行识别的方法包括以下步骤：
1、采用阈值分割法获取图片中的边框颜色的区域，在本实施例中，即获取黑色区域。
2、提取黑色区域的外边缘，然后在外边缘上提取出四个角点，得到识别区域。由于目标二维码的边框为黑色，编码中虽然也有黑色区域，但是编码被边框所包围，因此提取的黑色区域的外边缘即为边框区域的外边缘，该识别区域即为二维码区域。提取黑色区域的外边缘时，采用canny算法对图像进行Canny边缘检测。
3、通过四个角点在图像中的位置计算识别区域在图像中的透射矩阵，然后通过计算的透射矩阵把图像中的识别区域矫正为与目标二维码形状相似的形状。具体采用PnP算法计算识别区域在图像中的单应矩阵，单应矩阵即透射矩阵(Perspective Matrix)。在本实施例中，由于目标二维码为正方形，因此，将识别区域矫正为正方形。
4、将矫正后的识别区域中的编码进行解码，确认该编码是否和目标二维码的编码一致，若一致，则确认识别区域为目标二维码，若不一致，则识别区域不是目标二维码。
步骤S1-3，根据获取的图片中二维码的形状、目标二维码的形状和图像获取单元在机器人上的位置计算出机器人相对于目标二维码的位置信息。
在本实施例中，计算机器人相对于目标二维码的位置信息的方法包括以下步骤：
对确认的二维码区域的各条边进行最小二乘法拟合，即对识别区域的边框外边沿的四条边进行最小二乘法拟合，得到四条相交的直线，把两两直线相交的交点作为亚像素二维码角点。将确定的亚像素二维码角点作为二维码的四个角点更加精确。
根据亚像素角点位置(即亚像素角点在图片中的位置)和目标二维码的四个角点在目标位置上的三维位置(即机器人的存储设备上存储的目标二维码在目标位置的位置)基于PnP算法得到摄像头相对于目标二维码的位置。
由于摄像头到重心的距离为已知的，根据摄像头在机器人上的安装位置得到机器人相对于目标二维码的位置。如图3所示，标记M为机器人的重心，M相对于目标二维码的位置即机器人相对于目标二维码的位置。
步骤S1-4，根据机器人相对于目标二维码的位置确定机器人移动的速度方向，并以该速度方向向目标位置移动。
在本实施例中，机器人移动的速度方向的确定方法为：
以目标二维码的中心为坐标系原点建立坐标系，建立的坐标系为右手系坐标系，以平行于目标二维码且平行于地面为x轴，以垂直于目标二维码为y轴,以图3的方向看，x轴方向朝向右，y轴方向朝向上。根据机器人相对于目标二维码的位置得到机器人在该坐标系下的坐标和角度，即M点的坐标和角度(xAGV，yAGV，θAGV)，充电桩在坐标系下的坐标和角度(x，y，θ)。以图3的方向看，由于目标二维码设置在充电桩主体43的上表面(由于充电桩主体43和充电桩电极42分别位于目标二维码的两侧，而充电桩电极42是要与机器人的充电接口对接，因此以充电桩主体43的角度作为充电桩的角度)，所以，充电桩在坐标系下的角度为充电桩在坐标系下的坐标和角度为
2、通过机器人的坐标和角度(xAGV，yAGV，θAGV)、目标位置的坐标和角度实时差值计算机器人和目标位置之间的Bezier曲线。该Bezier曲线即为计算出的机器人的运行路径。
3、根据Bezier曲线确定机器人移动的速度方向。速度方向为Bezier曲线的切线方向。速度的大小可以根据需要设定，可以在到达目标位置前一直保持相同的速度大小，也可以根据机器人到目标位置的距离而设定不同的速度大小。
4、根据确定的速度方向控制机器人移动。在本实施例中，具体控制机器人移动时，可以控制机器人以一定的线速度和/或角速度移动，具体可以根据Bezier曲线得出机器人移动的线速度或角速度。线速度的方向为Bezier曲线的切线方向，线速度的大小根据需要设定，在计算角速度时，首先计算出Bezier曲线的曲率半径rB，然后根据得到的曲率半径rB和机器人移动的线速度v得到机器人移动的角速度ω，ω＝v/rB。
步骤S1-5，判断机器人与目标二维码之间的距离是否大于预定距离，若否，返回步骤S1-2，若是，则进入步骤S1-6。在本实施例中，预定距离根据机器人上的充电接口与充电桩的电极充分接触充电时，摄像头与目标二维码之间的距离设定。
步骤S1-6，机器人停止移动。到达目标位置。
机器人充电方法包括以下步骤：
步骤S2-1，在机器人的电池电量不足时，机器人导航至充电桩前预定距离。该预定距离可以为1米，也可以为0.5米，具体根据需要进行设定。
步骤S2-2，机器人移动将充电接口与充电桩的电极接触充电时采用上述的基于二维码的机器人定位方法进行移动定位。
步骤S2-3，机器人充电接口与充电桩的电极接触进行充电。
如图3所示，机器人充电系统200包括AGV小车2和充电桩4，AGV小车为机器人，充电桩4为机器人要到达的目标位置。
AGV小车2上安装有图像获取单元21、存储单元22、计算单元23和控制单元24。
图像获取单元21相对于AGV小车位置已知，用于获取AGV小车正前方的图像。在本实施例中，图像获取单元21为固定安装于AGV的正前方的摄像头。
存储单元22用于存储目标二维码、目标二维码和充电桩的对应关系、目标二维码在充电桩上的位置。存储单元22可以存储多个目标二维码，每个目标二维码与一个充电桩对应。
计算单元23对图像获取单元21获取的图像进行识别，并根据识别出的识别区域和目标二维码得到摄像头相对于目标二维码的位置，根据摄像头在AGV小车的位置得到AGV小车相对于目标二维码的位置，根据AGV小车相对于目标二维码的位置信息得到AGV小车运行的速度方向。
控制单元24根据计算单元23实时计算得到的速度方向控制AGV小车运行，直至图像获取单元21与目标二维码之间的距离小于等于预定距离，AGV小车的充电接口与充电桩充分接触充电。
如图4所示，充电桩4包括轴承41、充电电极42和充电桩主体43，充电桩主体43上安装有相对于充电桩主体43位置已知的目标二维码1。如图2所示，目标二维码1为正方形，包括边框11和编码12。边框11为纯黑色，用于在对二维码进行识别时提取二维码边沿和角点111作为定位依据，编码12为4x4的黑白相间编码，编码12用于标识充电桩。
以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限制本申请的保护范围，任何熟悉本领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于二维码的机器人定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，在目标位置上设置目标二维码；
步骤S2，机器人通过图像获取单元获取图片，并对获取的图片进行识别，判断获取的图片是否为目标二维码，若否，则继续获取图片，若是，则进入步骤S3；
步骤S3，根据获取的图片中二维码的形状、目标二维码的形状和图像获取单元在机器人上的位置计算出机器人相对于目标二维码的位置信息；
步骤S4，根据机器人相对于目标二维码的位置信息确定机器人移动的速度方向，并以所述速度方向向所述目标位置移动；
步骤S5，判断机器人与所述目标二维码之间的距离是否大于预定距离，若否，返回步骤S2，若是，则进入步骤S6；
步骤S6，机器人停止移动。
2.根据权利要求1所述的基于二维码的机器人定位方法，其特征在于，所述目标二维码包括边框和编码，所述编码被所述边框包围，所述边框为纯色，用于在对二维码进行识别时提取二维码边沿和角点，所述编码为至少两种颜色相间组成的区域，用于标识目标物。
3.根据权利要求2所述的基于二维码的机器人定位方法，其特征在于，所述步骤S2中，对获取的图片进行识别的方法包括以下步骤：
采用阈值分割法得到获取的图片中的所述边框颜色的区域；
提取所述边框颜色的区域的外边缘，然后在外边缘上提取出四个角点，得到识别区域；
通过四个角点在图像中的位置计算所述识别区域在图像中的透射矩阵，然后通过计算的透射矩阵把图像中的识别区域矫正为与目标二维码形状相似的形状；
将矫正后的识别区域中的二维码编码进行解码，确认是否和目标二维码编码一致，若一致，则确认识别区域为目标二维码，若不一致，则识别区域不是目标二维码。
4.根据权利要求1所述的基于二维码的机器人定位方法，其特征在于，所述步骤S3中，计算机器人相对于目标二维码的位置信息的方法包括：
对确认的二维码区域的各条边进行最小二乘法拟合，得到四条相交的直线，把两两直线相交的交点作为亚像素二维码角点；
根据亚像素角点位置和目标二维码的角点在目标物上的三维位置基于PnP算法得到摄像头相对于目标二维码的位置。
根据摄像头在机器人上的位置得到机器人相对于目标二维码的位置。
5.根据权利要求1所述的基于二维码的机器人定位方法，其特征在于，所述步骤S4中，机器人移动的速度方向的确定方法为：
以获取的图片中二维码的中心为坐标系原点建立坐标系，根据机器人相对于目标二维码的位置得到机器人在所述坐标系下的坐标和角度，目标位置在所述坐标系下的坐标和角度；
通过机器人的坐标和角度、目标位置的坐标和角度实时差值计算机器人和目标位置之间的Bezier曲线；
根据Bezier曲线确定机器人移动的速度方向；
根据确定的速度方向控制机器人移动。
6.一种机器人充电方法，其特征在于：
在机器人的电池电量不足时，机器人导航至充电桩前预定距离；
机器人移动将充电接口与充电桩的电极接触充电时采用权利要求1～5中任一权利要求所述的基于二维码的机器人定位方法进行移动定位；
机器人充电接口与充电桩的电极接触进行充电。
7.一种机器人充电系统，其特征在于，包括：
充电桩，其上安装有相对于充电桩位置已知的目标二维码；
AGV小车，其上安装有相对AGV小车位置已知的图像获取单元、存储单元、计算单元以及控制单元，
所述存储单元存储有目标二维码、目标二维码和目标物的对应关系、目标二维码在对应的目标物上的位置，
所述计算单元对所述图像获取单元获取的图像进行识别，并根据识别出的识别区域、目标二维码和图像获取单元在AGV小车上的位置基于预定规则得到AGV小车运行速度方向，
所述控制单元根据所述速度方向控制AGV小车运行。
8.根据权利要求7所述的机器人充电系统，其特征在于，所述图像获取单元为摄像头。
9.根据权利要求7所述的机器人充电系统，其特征在于，所述目标二维码为正方形，包括边框和编码，所述边框为纯黑色，用于提取二维码边沿和角点作为定位依据，所述编码被所述边框包围，用于标识充电桩。
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