CN108955667A - 一种融合激光雷达与二维码的复合导航方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种融合激光雷达与二维码的复合导航方法、装置及系统，方法包括：通过激光导航方式驱动载体运动至接近标记位置的估计位置；获取视觉传感器采集的图像；解析图像，获取图像中二维码的ID信息以及计算载体的精确位姿；判断下一阶段的运行模式，并根据下一阶段的运行模式控制所述载体运动；本发明所提供的融合激光雷达与二维码的复合导航方法、装置及系统，综合了激光导航以及二维码导航两种导航方式的优点，激光导航把握大致路径，二维码提供位置信息以及作为修正位置的参照，且只需在导航区域内的关键位置设置二维码，并在载体上设置视觉传感器，改造维护成本低。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种融合激光雷达与二维码的复合导航方法、装置及系统。
背景技术
当前在工业生产以及生活领域，各类自主导航机器人、自主导航AGV等类型的导航装置越来越普遍，由于其具有可极大地提升生产效率的特征而大受欢迎。
导航技术是自主导航机器人、自主导航AGV等类型的导航装置的最主要的核心技术之一。现有的工业中的用于执行任务的机器人一般都是以激光雷达为核心进行导航或者以二维码为核心进行导航，相关导航技术已经较为成熟。激光导航技术具有很多优点，但是其导航精度仍然较低，一般基于激光雷达进行导航的精度只能达到5CM，对于某些使用场景，该精度还远远不够。采用二维码导航的技术，需要在作业区域密布设置二维码，一般一两米就要设置一个二维码，由于二维码记录有重要信息，且容易磨损，因此需要对二维码进行定期维护，这个过程比较繁琐。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种融合激光雷达与二维码的复合导航方法、装置及系统，旨在提高综合激光雷达导航方式与二维码导航方式两者的优点，在提高导航精度的同时，控制成本。
技术方案：为实现上述目的，本发明的融合激光雷达与二维码的复合导航方法，所述方法包括：
通过激光导航方式驱动载体运动至接近标记位置的估计位置；
获取视觉传感器采集的图像；
解析所述图像，获取图像中二维码的ID信息以及计算载体的精确位姿；
判断下一阶段的运行模式，并根据下一阶段的运行模式控制所述载体运动；
其中，所述下一阶段的运行模式包括下列运行模式中的一种，也可以是下列多种运行模式的按顺序组合，运行模式包括：精确调整载体的位姿、执行在当前标记位置处的任务、离开当前标记位置并前往下一标记位置、结束载体运行。
可选地，所述获取图像中二维码的ID信息以及计算载体的精确位姿具体包括：
对图像按设定处理方式处理得到二维码边框以及二维码边框的角点坐标；
利用所述二维码边框的角点坐标求取单应性矩阵；
对所述二维码边框内的图像进行解码，得到所述二维码记录的ID信息；
根据所述单应性矩阵得到二维码相对于所述视觉传感器的三维坐标与旋转坐标，进而推算出所述所述载体的位姿。
可选地，所述对图像按设定处理方式处理得到二维码边框以及二维码边框的角点坐标具体包括：
对所述图像进行二值化处理，得到灰度图像；
利用区域生长方法对所述灰度图像进行处理，提取得到图像中包含的边框；
对得到的边框进行筛选，得到二维码边框；
根据二维码边框求取其角点坐标。
可选地，所述通过激光导航方式驱动载体运动至接近标记位置的大致位置包括：
根据载体当前位置与标记位置规划导航路线；
驱动所述载体循着所述导航路线向标记位置靠近，过程中实时获取激光雷达采集的点云数据，据此判断位置并智能避障。
可选地，所述二维码设置在地面上，所述获取视觉传感器采集的图像之后还包括：
判断所述图像中是否包含二维码，是则解析图像，否则在所述估计位置附近搜寻所述二维码。
可选地，所述在所述估计位置附近搜寻所述二维码具体包括：
驱动载体在所述估计位置为中心的设定半径区域内运动，并实时获取视觉传感器采集的图像，直至所述图像中出现二维码。
可选地，所述二维码设置在墙面上，所述获取视觉传感器采集的图像之后还包括：
判断所述图像中是否包含二维码，是则解析图像，否则转动所述载体，直至所述图像中出现二维码。
一种融合激光雷达与二维码的复合导航装置，包含
存储单元，用于存储可执行程序；
处理单元，用于执行所述可执行程序以实现上述的基于激光雷达与二维码的混合导航方法；
载体，可受所述处理单元驱动运动，包含至少两个驱动轮，每个驱动轮均配有里程计；
激光雷达，可获取环境内的点云数据并供所述处理单元读取；
视觉传感器，可为所述处理单元采集图像。
一种融合激光雷达与二维码的复合导航系统，包含上述的融合激光雷达与二维码的复合导航装置以及若干固定在导航区域内关键节点处的二维码，每个二维码上记载有唯一的ID信息，且每个二维码的位置坐标均记录在所述存储单元中。
可选地，所述二维码设置在地面或墙面上。
有益效果：本发明所提供的融合激光雷达与二维码的复合导航方法、装置及系统，综合了激光导航以及二维码导航两种导航方式的优点，激光导航把握大致路径，二维码提供位置信息以及作为修正位置的参照，且只需在导航区域内的关键位置设置二维码，并在载体上设置视觉传感器，改造维护成本低。
附图说明
附图1为为实现本发明各个实施例的一种融合激光雷达与二维码的复合导航装置的硬件结构示意图；
附图2为本发明实施例提供的一种融合激光雷达与二维码的复合导航系统的组成图；
附图3为本发明实施例一提供的一种融合激光雷达与二维码的复合导航方法的流程图；
附图4为根据二维码在图像中的位置调整载体的精确位置的流程图。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。
本发明的融合激光雷达与二维码的复合导航装置可以以各种形式来实施。例如，本发明中描述的终端设备为仓储机器人、导览机器人、家用机器人、AGV等可进行自主移动的机器人、车、物的形态。
请参照附图1，其为实现本发明各个实施例的一种融合激光雷达与二维码的复合导航装置(下简称：导航装置100)的硬件结构示意图，该导航装置100可以包括存储单元110、处理单元120、载体130、激光雷达140以及视觉传感器150等部件，本领域技术人员可以理解，图1中示出的导航装置100的结构并不构成对导航装置100的限定，导航装置100可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
下面结合附图1对导航装置100的各个部件作具体介绍：
存储单元110可用于存储软件程序以及其他数据，存储单元110内部可包含软件存储区以及数据存储区，数据存储区可存储该导航装置100的导航区域的地图数据以及二维码200的位置坐标等数据，软件存储区存储有至少一种所需的可执行程序；
处理单元120是导航装置100的控制中心，利用各种接口和线路连接整个导航装置100的各个部分，通过运行或执行存储在存储单元110内的软件程序，以及调用存储在存储单元110内的数据，接收导航装置100各类用于数据采集的传感器的数据，执行导航装置100的各种功能和处理数据，从而对导航装置100进行整体控制；
载体130是导航装置100的机械移动平台，其包含两个主动轮131(主动轮131的数量也可以多于两个)，主动轮131由驱动电机132驱动转动，驱动电机132由处理单元120控制转动，此处的驱动电机132一般为伺服电机或其他带有编码器或霍尔传感器等闭环控制模块的电机，处理单元120通过向驱动电机132发送脉冲驱动驱动电机132的转动角位移量实现对载体130运动的精确控制。载体130可受驱动进行前进、后退、原地旋转等动作。每个主动轮131上均安装有里程计133以获取每个主动轮131的转角数据，处理单元120可获取里程计133采集的角度数据以便计算载体130的位移量，并据此计算载体130的位姿(即位置数据与载体130的角度)。
激光雷达140是导航装置100的最主要的传感器，激光雷达140可对周围环境进行扫描，其最大扫描角度可达360°，其可以获取其四周扫描到的障碍物的角度与距离的信息，处理单元120获取激光雷达140采集的数据可以获得环境内的点云数据，从而用于创建地图或导航避障。
视觉传感器150，可为处理单元120采集地面上的图像。视觉传感器150的形式可以是相机等，也可以是其他形式的专门用途的传感器。
惯性导航模块160，用于为处理单元120提供载体130的加速度数据。处理单元120根据惯性导航模块160提供的加速度数据，并将其对时间进行积分，可算得载体130的速度、位置、角度等信息，其配合里程计133与激光雷达140使用，可提高激光建图与导航的精度。
上述激光雷达140、视觉传感器150以及惯性导航模块160均安装在载体130上，处理单元120与存储单元110一般是固定安装在载体130上，可随载体130运动，也可以外置于载体130，并通过无线通信等手段与载体130进行双向数据交换。
请参照附图2，附图2为基于上述导航装置100的融合激光雷达与二维码的复合导航系统，包含上述的融合激光雷达与二维码的复合导航装置以及若干固定在导航区域内关键节点处的二维码200，每个二维码200上记载有唯一的ID信息，且每个二维码200的位置坐标均记录在存储单元110中。二维码200的位置坐标与存储在存储单元110内的地图数据采用的是同一坐标系，二维码200设置在地面上或墙面上。其中地图数据为人为通过驱动载体130在导航区域内运动，处理单元120通过激光雷达140扫描点云数据结合惯性导航模块160以及里程计133的采集数据自动生成，这种激光建图方式当前已经很成熟，本发明不对其原理作详细说明。
请参照附图3，融合激光雷达与二维码的复合导航方法包括如下步骤S301-S304：
步骤S301，处理单元120通过激光导航方式驱动载体130运动至接近标记位置的估计位置；
步骤S302，获取视觉传感器150采集的图像；
步骤S303，解析图像，获取图像中二维码的ID信息以及计算载体的精确位姿；
步骤S304，判断下一阶段的运行模式，并根据下一阶段的运行模式控制载体130运动；
在步骤S304中，下一阶段的运行模式包括以下可选的运行模式中的一种，也可以是这些运行模式中的多种运行模式按顺序组合，可选的运行模式包括：(A)精确调整载体130的位姿；(B)执行在当前标记位置处的任务；(C)离开当前标记位置并前往下一标记位置；(D)结束载体130运行。
即每个标记位置的二维码200可以作为整个导航过程的运行终点，也可以是导航过程中的中继站。标记位置的二维码200作为终点时，载体130到达后可直接执行(D)，也可以依次执行(A)、(B)、(D)；标记位置的二维码200作为中继站时，载体130到达后可直接执行(C)，此情况下，载体130通过获取二维码200的ID信息确认载体130的大致坐标；标记位置的二维码200作为中继站时，载体130到达后可以依次执行(A)、(B)、(C)，此情况下，载体130在一个标记位置完成一定的任务后再前往下一中继站或终点。
可选地，请参考附图4，获取图像中二维码的ID信息以及计算载体130的精确位姿具体包括如下步骤S401-S403：
步骤S401，对图像按设定处理方式处理得到二维码边框以及二维码边框的角点坐标；
步骤S402，利用所述二维码边框的角点坐标求取单应性矩阵；
步骤S403，对所述二维码边框内的图像进行解码，得到所述二维码200记录的ID信息；
步骤S404，根据所述单应性矩阵得到二维码200相对于所述视觉传感器150的三维坐标与旋转坐标，进而推算出所述所述载体130的位姿。
通过上述步骤可根据二维码200的位置以及二维码200相对于所述视觉传感器150的三维坐标与旋转坐标计算载体130的精确位置，消除激光导航带来的误差。
可选地，上述步骤S401具体包括如下步骤S401a-S401d：
步骤S401a，对所述图像进行二值化处理，得到灰度图像；
步骤S401b，利用区域生长方法对所述灰度图像进行处理，提取得到图像中包含的边框；
步骤S401c，对得到的边框进行筛选，得到二维码边框；
步骤S401d，根据二维码边框求取其角点坐标。
可选地，步骤S301具体包括如下步骤S301a-S301b：
步骤S301a，根据载体130当前位置与标记位置规划导航路线；
步骤S301b，驱动载体130循着导航路线向标记位置靠近，过程中实时获取激光雷达140采集的点云数据，据此判断位置并智能避障。
可选地，当二维码200设置在地上时，获取视觉传感器150采集的图像之后还包括如下步骤：判断图像中是否包含二维码200，是则解析图像，否则在估计位置附近搜寻二维码200。具体方式为：处理单元120驱动载体130在以估计位置为中心的设定半径区域内运动，并实时获取视觉传感器150采集的图像，直至图像中出现二维码200。若仍无法获得包含二维码200的图像，则扩大设定半径继续寻找，直至获得包含二维码200的图像。
可选地，当所述二维码200设置在墙面上，所述获取视觉传感器150采集的图像之后还包括如下步骤：判断所述图像中是否包含二维码，是则解析图像，否则转动所述载体130，直至所述图像中出现二维码。
本发明所提供的融合激光雷达与二维码的复合导航方法、装置及系统，综合了激光导航以及二维码导航两种导航方式的优点，激光导航把握大致路径，二维码提供位置信息以及作为修正位置的参照，且只需在导航区域内的关键位置设置二维码，并在载体上设置视觉传感器，改造维护成本低。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种融合激光雷达与二维码的复合导航方法，其特征在于，所述方法包括：
通过激光导航方式驱动载体运动至接近标记位置的估计位置；
获取视觉传感器采集的图像；
解析所述图像，获取图像中二维码的ID信息以及计算载体的精确位姿；
判断下一阶段的运行模式，并根据下一阶段的运行模式控制所述载体运动；
其中，所述下一阶段的运行模式包括下列运行模式中的一种，也可以是下列多种运行模式的按顺序组合，运行模式包括：精确调整载体的位姿、执行在当前标记位置处的任务、离开当前标记位置并前往下一标记位置、结束载体运行。
2.根据权利要求1所述的融合激光雷达与二维码的复合导航方法，其特征在于，所述获取图像中二维码的ID信息以及计算载体的精确位姿具体包括：
对图像按设定处理方式处理得到二维码边框以及二维码边框的角点坐标；
利用所述二维码边框的角点坐标求取单应性矩阵；
对所述二维码边框内的图像进行解码，得到所述二维码记录的ID信息；
根据所述单应性矩阵得到二维码相对于所述视觉传感器的三维坐标与旋转坐标，进而推算出所述所述载体的位姿。
3.根据权利要求2所述的融合激光雷达与二维码的复合导航方法，其特征在于，所述对图像按设定处理方式处理得到二维码边框以及二维码边框的角点坐标具体包括：
对所述图像进行二值化处理，得到灰度图像；
利用区域生长方法对所述灰度图像进行处理，提取得到图像中包含的边框；
对得到的边框进行筛选，得到二维码边框；
根据二维码边框求取其角点坐标。
4.根据权利要求1所述的融合激光雷达与二维码的复合导航方法，其特征在于，所述通过激光导航方式驱动载体运动至接近标记位置的大致位置包括：
根据载体当前位置与标记位置规划导航路线；
驱动所述载体循着所述导航路线向标记位置靠近，过程中实时获取激光雷达采集的点云数据，据此判断位置并智能避障。
5.根据权利要求1所述的融合激光雷达与二维码的复合导航方法，其特征在于，所述二维码设置在地面上，所述获取视觉传感器采集的图像之后还包括：
判断所述图像中是否包含二维码，是则解析图像，否则在所述估计位置附近搜寻所述二维码。
6.根据权利要求4所述的的融合激光雷达与二维码的复合导航方法，其特征在于，所述在所述估计位置附近搜寻所述二维码具体包括：
驱动载体在所述估计位置为中心的设定半径区域内运动，并实时获取视觉传感器采集的图像，直至所述图像中出现二维码。
7.根据权利要求1所述的融合激光雷达与二维码的复合导航方法，其特征在于，所述二维码设置在墙面上，所述获取视觉传感器采集的图像之后还包括：
判断所述图像中是否包含二维码，是则解析图像，否则转动所述载体，直至所述图像中出现二维码。
8.一种融合激光雷达与二维码的复合导航装置，其特征在于，包含
存储单元，用于存储可执行程序；
处理单元，用于执行所述可执行程序以实现如权利要求1-7任一项所述的基于激光雷达与二维码的混合导航方法；
载体，可受所述处理单元驱动运动，包含至少两个驱动轮，每个驱动轮均配有里程计；
激光雷达，可获取环境内的点云数据并供所述处理单元读取；
视觉传感器，可为所述处理单元采集图像。
9.一种融合激光雷达与二维码的复合导航系统，其特征在于，包含如权利要求8所述的融合激光雷达与二维码的复合导航装置以及若干固定在导航区域内关键节点处的二维码，每个二维码上记载有唯一的ID信息，且每个二维码的位置坐标均记录在所述存储单元中。
10.一种融合激光雷达与二维码的复合导航系统，其特征在于，所述二维码设置在地面或墙面上。
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