CN109760066B - 一种服务机器人地图定位标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种服务机器人地图定位标定方法，方法包括S1，固定世界地图坐标系构建；S2，屏幕地图坐标系标定；S3，屏幕地图角度标定，获得对应的旋转方向向量α₀和旋转角度β₀；S4，坐标系转换，根据用户标定的屏幕地图坐标系和固定世界地图坐标系进行参数转换；S5，角度转换，根据用户标定的方向和固定世界地图坐标系的方向进行参数转换；S6，在执行的过程中，根据步骤S1‑S3中的数据信息，并调取步骤S4和S5转换出来的固定世界地图坐标系上的目标点位坐标值和旋转方向向量α，使机器人执行的相关动作。本方法可以达到很好的具体使用效果，且可操作性高、通用性好、适应性强。

Description

一种服务机器人地图定位标定方法

技术领域

本发明属于服务机器人领域，具体涉及一种服务机器人地图定位标定方法。

背景技术

近年来，随着社会的发展，服务机器人越来越多的出现在人们的面前，在商业场景中，服务机器人可以替代人类的角色完成客户引领，讲解介绍，陪伴聊天等功能。在一些室内场景中，服务机器人在建图和标定点移动的过程中，还需要综合判断客户的位置或者展台的位置等情况，所以需要一种比较好的定位标定的解决办法，使得用户可以在屏幕上通过人性化的操作方式和手势快速设定机器人最终的位置和方向。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提供一种服务机器人地图定位标定方法，其充分利用服务机器人使用建图和定位技术配合操作界面，可以指定服务机器人定位定点移动，并且可以根据屏幕设定角度选取最优路径进行转向确保最终姿态。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种服务机器人地图定位标定方法，包括以下步骤：

S1，固定世界地图坐标系构建，构建固定世界地图对应的三维XYZ的立体坐标系；

S2，屏幕地图坐标系标定，用户在屏幕上点击确定目标点位，获得目标点位对应的屏幕二维xy坐标，并存储至数据库；

S3，屏幕地图角度标定，用户使用单指按住屏幕上的标定目标点位，同时用另一个手指旋转方向，屏幕上的点位箭头会随着用户的手指旋转操作同时改变方向，目标点位方向以屏幕地图坐标系的y轴为基准轴，以当前位置为固定点位，获得对应的旋转方向向量α₀和旋转角度β₀；并将旋转方向向量α₀存储至数据库中；

S4，坐标系转换，根据用户标定的屏幕地图坐标系和固定世界地图坐标系进行参数转换，将屏幕地图坐标系上的目标点位的二维坐标值转换为固定世界地图坐标系上；

S5，角度转换，根据用户标定的屏幕地图坐标系中旋转方向向量和固定世界地图坐标系的方向进行参数转换，将屏幕地图坐标系中旋转方向向量α₀和旋转角度β₀分别转换为固定世界地图坐标系上的旋转方向向量α和旋转角度β；

S6，在执行的过程中，根据步骤S1-S3中的数据信息，并调取步骤S4和S5转换出来的固定世界地图坐标系上的目标点位坐标值和旋转方向向量α，使机器人执行的相关动作。

进一步的，步骤S1中，服务机器人根据传感器数据，构建固定世界地图坐标系，该固定世界地图坐标系的三个坐标轴分别为：横向坐标轴X，纵向坐标轴Y和垂直坐标轴Z，其中，纵向坐标轴Y为正北方向，垂直坐标轴Z垂直向上。

进一步的，步骤S2中，根据屏幕地图信息构建二维的屏幕地图坐标系，该屏幕地图坐标系的两个坐标轴分别为横向坐标轴x和纵向坐标轴y；用户在屏幕上根据已经展现的屏幕地图信息进行点击定位，确定机器人将要执行的目标点位，获得目标点位对应的屏幕二维xy坐标，并存储至数据库。

进一步的，步骤S3中，屏幕地图坐标系的y轴默认为正北方向，默认正北方向的旋转方向向量数值为0，用户在屏幕上通过两指操作法确定屏幕地图坐标系中目标点位的旋转方向向量和旋转角度，具体为：固定一个手指在当前位置，另一个手指由正北方向旋转到目标点位，旋转角度记为β₀，由当前位置指向目标点位的向量记为方向向量α₀，旋转角度β₀为方向向量α₀与坐标轴y轴的夹角；旋转角度所确定的方向，即为设定机器人执行到最后的目标点位方向，然后将旋转方向向量α₀存储至数据库中。

进一步的，步骤S4中，系统根据用户标定的屏幕地图坐标系中目标点位对应的屏幕二维坐标(x₁，y₁)，转化到固定世界地图坐标系中，得到固定世界地图坐标系中的目标点位坐标值(X₁，Y₁，Z₁)，具体转换方法是：根据屏幕地图坐标系的横坐标点位值的x₁除以屏幕的像素宽度，纵坐标点位值y₁除以屏幕的像素高度，获得对应的目标点位比例；同时判断当前点位是否处于屏幕地图范围之内，如果目标点位脱离屏幕地图范围，则显示无效；如果目标点位在屏幕地图范围之内，则根据转换后的比例，进行比例变换，将值分别赋予X₁和Y₁，得到固定世界地图坐标系中目标点位的横坐标点位值X₁和纵坐标点位值Y₁，同时Z₁值默认赋值为1。

进一步的，步骤S5中，坐标系转换后，再根据屏幕地图坐标系中目标点位的旋转方向向量α₀，计算机器人在固定世界地图坐标系中的旋转方向向量α，根据固定世界地图坐标系中旋转方向向量α和机器人当前前进方向向量，计算两个方向向量的差值赋予机器人底盘，使其在屏幕地图坐标系中的旋转角度β₀转换为固定世界地图坐标系中对应的旋转角度β，同时判断旋转角度β是否大于180°，若大于则选择反方向旋转获取最优路径。

进一步的，步骤S6中，在执行过程中，将步骤S1-S3中的坐标系信息、目标点位信息和旋转方向向量输入ROS系统，并调取步骤S4和S5转换出来的固定世界地图坐标系上的目标点位坐标值和旋转方向向量α，根据α顺次执行角度旋转，根据ROS中的对应函数进行顺次执行，根据(X1,Y1,Z1)移动到目标点位后，再根据方向向量α进行转向，以达到机器人最终姿态，与用户在屏幕上标定后的效果一致。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)该方法实现了服务机器人灵活运动特性；

(2)该方法可以有效提高标定点位的效率，通过数据库进行存储和同步；

(3)通过对定位的转化和角度的确定，使得服务机器人执行过程中，最终效果和用户在屏幕上操作的效果可以达到定位一致，方向一致。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是本发明方法中设置的固定世界地图坐标系示意图；

图3是本发明方法中设置的屏幕地图坐标系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明虽然列举了下述服务机器人地图定位标定方法，但是应该说明，本技术领域的技术人员可以进行各种变化，除非这样的变化偏离了本发明的范围，否则都应该包括在本发明的保护范围内。

本发明的一种服务机器人地图定位标定方法，使得服务机器人在地图坐标系建立后，根据屏幕标定的点位和对应方向角度，进行相关坐标系转换和角度转换，并且存储相关数据，并且在执行的过程中，根据已经保存的数据信息执行移动到目标点位，同时根据当前前进方向和标定方向选取最优角度进行转向。如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤S1，固定世界地图坐标系构建，构建固定世界地图对应的三维XYZ的立体坐标系；

如图2所示，构建固定世界地图坐标系，同时在屏幕上展现对应屏幕地图相关信息；

服务机器人根据传感器数据，构建固定世界地图坐标系，依据ROS系统的封装方法，该坐标系的三个坐标轴分别为：横向坐标轴X，纵向坐标轴Y和垂直坐标轴Z，其中，纵向坐标轴Y为正北方向，垂直坐标轴Z垂直向上。

步骤S2，屏幕地图坐标系标定，用户在屏幕上点击确定目标点位，获得目标点位对应的屏幕二维xy坐标，并存储至数据库；

如图3所示，构建屏幕地图坐标系，具体坐标参数为用户点击屏幕后确定点位，同时通过两指操作旋转方向，确认机器人在实际场景用最终旋转的方向。平面点位信息默认基准方向为正北方向。

具体为：根据屏幕地图信息构建二维的屏幕地图坐标系，该屏幕地图坐标系的两个坐标轴分别为横向坐标轴x和纵向坐标轴y；用户在屏幕上根据已经展现的屏幕地图信息进行点击定位，确定机器人将要执行的目标点位，获得目标点位对应的屏幕二维xy坐标，并存储至数据库。

步骤S3，屏幕地图角度标定，用户使用两指旋转点位箭头，获得对应的旋转角度；

用户使用单指按住屏幕上的标定目标点位，同时用另一个手指旋转方向，屏幕上的点位箭头会随着用户的手指旋转操作同时改变方向，目标点位方向以屏幕地图坐标系的y轴为基准轴，以当前位置为固定点位，获得对应的旋转方向向量α₀和旋转角度β₀；并将旋转方向向量α₀存储至数据库中。具体为：

屏幕地图坐标系的y轴默认为正北方向，同时默认正北方向的旋转方向向量数值为0，用户在屏幕上通过两指操作法确定屏幕地图坐标系中目标点位的旋转方向向量和旋转角度，具体为：固定一个手指在当前位置，另一个手指由正北方向旋转到目标点位，旋转角度记为β₀，由当前位置指向目标点位的向量记为方向向量α₀，旋转角度β₀为方向向量α₀与坐标轴y轴的夹角；旋转角度所确定的方向，即为设定机器人执行到最后的目标点位方向，然后将旋转方向向量α₀存储至数据库中。

步骤S4，坐标系转换，根据用户标定的屏幕地图坐标系和固定世界地图坐标系进行参数转换，将屏幕地图坐标系上的目标点位的二维坐标值转换为固定世界地图坐标系上；

系统根据用户标定的屏幕地图坐标系中目标点位对应的屏幕二维坐标(x₁，y₁)，转化到固定世界地图坐标系中，得到固定世界地图坐标系中的目标点位坐标值(X₁，Y₁，Z₁)，具体转换方法是：根据屏幕地图坐标系的横坐标点位值的x₁除以屏幕的像素宽度，纵坐标点位值y₁除以屏幕的像素高度，获得对应的目标点位比例；同时判断当前点位是否处于屏幕地图范围之内，如果目标点位脱离屏幕地图范围，则显示无效；如果目标点位在屏幕地图范围之内，则根据转换后的比例，进行比例变换，将值分别赋予X₁和Y₁，得到固定世界地图坐标系中目标点位的横坐标点位值X₁和纵坐标点位值Y₁，同时Z₁值默认赋值为1。

步骤S5，角度转换，根据用户标定的屏幕地图坐标系中旋转方向向量和固定世界地图坐标系的方向进行参数转换，将屏幕地图坐标系中旋转方向向量α₀和旋转角度β₀分别转换为固定世界地图坐标系上的旋转方向向量α和旋转角度β；

坐标系转换后，再根据屏幕地图坐标系中目标点位的旋转方向向量α₀，计算机器人在固定世界地图坐标系中的旋转方向向量α，根据固定世界地图坐标系中旋转方向向量α和机器人当前前进方向向量，计算两个方向向量的差值赋予机器人底盘，使其在屏幕地图坐标系中的旋转角度β₀转换为固定世界地图坐标系中对应的旋转角度β，同时判断旋转角度β是否大于180°，若大于则选择反方向旋转获取最优路径。

步骤S6，在执行的过程中，根据步骤S1-S3中的数据信息，并调取步骤S4和S5转换出来的固定世界地图坐标系上的目标点位坐标值和旋转方向向量α，使机器人执行的相关动作；

任务执行的过程中机器人根据转换后的世界坐标参数执行动作，在达到标定点位之后，根据当前加速方向和存储的旋转角度数据进行动态计算，达到预设的方向；具体为：

在执行过程中，将步骤S1-S3中的坐标系信息、目标点位信息和旋转方向向量输入ROS系统，并调取步骤S4和S5转换出来的固定世界地图坐标系上的目标点位坐标值和旋转方向向量α，根据α顺次执行角度旋转，根据ROS中的对应函数进行顺次执行，根据(X1,Y1,Z1)移动到目标点位后，再根据方向向量α进行转向，以达到机器人最终姿态，与用户在屏幕上标定后的效果一致。

通过该方法可实现底盘固定世界地图坐标系，屏幕地图坐标系，旋转方向向量和旋转角度的相互转换，实现服务机器人在移动过程中的精准定位同时自动转向设置方向的能力。

服务机器人采用ROS(Robot Operating System)平台，该平台是一个机器人软件平台，提供一些标准操作系统服务，例如硬件抽象，底层设备控制，常用功能实现，进程间消息以及数据包管理。本发明使用了ROS的机器人路径规划方法，使用软件平台的封装方法控制机器人的运动姿态。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

本发明公开了一种服务机器人地图定位标定方法。本方法基于服务机器人对于地图构建后进行地图的有效定位标定，针对屏幕地图坐标系到固定世界地图坐标系进行转换，同时增加了旋转方向向量转换和最优路径判断功能。服务机器人根据屏幕上标定的点位和方向，在实际环境中进行移动和自动转向，达到机器人最终姿态和屏幕上标定姿态相同。本方法可以达到很好的具体使用效果，且可操作性高、通用性好、适应性强。

Claims (4)

1.一种服务机器人地图定位标定方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1，固定世界地图坐标系构建，构建固定世界地图对应的三维XYZ的立体坐标系；

S2，屏幕地图坐标系标定，用户在屏幕上点击确定目标点位，获得目标点位对应的屏幕二维xy坐标，并存储至数据库；

S3，屏幕地图角度标定，用户使用两指旋转点位箭头获取旋转方向向量和旋转角度，并将旋转方向向量存储至数据库中；具体的：

屏幕地图坐标系的y轴默认为正北方向，默认正北方向的旋转方向向量数值为0，用户在屏幕上通过两指操作法确定屏幕地图坐标系中目标点位的旋转方向向量和旋转角度，具体为：固定一个手指在当前位置，另一个手指由正北方向旋转到目标点位，旋转角度记为β₀，由当前位置指向目标点位的向量记为旋转方向向量α₀，旋转角度β₀为方向向量α₀与坐标轴y轴的夹角；旋转角度所确定的方向，即为设定机器人执行到最后的目标点位方向，然后将旋转方向向量α₀存储至数据库中；

S4，坐标系转换，根据用户标定的屏幕地图坐标系和固定世界地图坐标系进行参数转换，将屏幕地图坐标系上的目标点位的屏幕二维xy坐标转换到固定世界地图坐标系中；具体的：

系统根据用户标定的屏幕地图坐标系中目标点位对应的屏幕二维xy坐标（x₁，y₁），转换到固定世界地图坐标系中，得到固定世界地图坐标系中的目标点位坐标值（X₁，Y₁，Z₁），具体转换方法是：根据屏幕地图坐标系的横坐标点位值的x₁除以屏幕的像素宽度，纵坐标点位值y₁除以屏幕的像素高度，获得对应的目标点位比例；同时判断目标点位是否处于屏幕地图范围之内，如果目标点位脱离屏幕地图范围，则显示无效；如果目标点位在屏幕地图范围之内，则根据转换后的比例，进行比例变换，将值分别赋予X₁和Y₁，得到固定世界地图坐标系中目标点位的横坐标值X₁和纵坐标值Y₁，同时垂直坐标值Z₁值默认赋值为1；

S5，角度转换，根据用户标定的屏幕地图坐标系中旋转方向向量和固定世界地图坐标系的方向进行参数转换，将屏幕地图坐标系中旋转方向向量α₀和旋转角度β₀分别转换为固定世界地图坐标系上的旋转方向向量α和旋转角度β；具体的：

坐标系转换后，再根据屏幕地图坐标系中目标点位的旋转方向向量α₀，计算机器人在固定世界地图坐标系中的旋转方向向量α，根据固定世界地图坐标系中旋转方向向量α和机器人当前前进方向向量，计算两个方向向量的差值赋予机器人底盘，使其在屏幕地图坐标系中的旋转角度β₀转换为固定世界地图坐标系中对应的旋转角度β，同时判断旋转角度β是否大于180°，若大于则选择反方向旋转获取最优路径；

S6，在执行的过程中，根据步骤S1-S3中的数据信息，并调取步骤S4和S5转换出来的固定世界地图坐标系上的目标点位坐标值和旋转方向向量α，使机器人执行相关动作。

2.根据权利要求1所述的一种服务机器人地图定位标定方法，其特征在于：步骤S1中，服务机器人根据传感器数据，构建固定世界地图坐标系，该固定世界地图坐标系的三个坐标轴分别为：横向坐标轴X，纵向坐标轴Y和垂直坐标轴Z，其中，纵向坐标轴Y为正北方向，垂直坐标轴Z垂直向上。

3.根据权利要求1所述的一种服务机器人地图定位标定方法，其特征在于：步骤S2中，根据屏幕地图信息构建二维的屏幕地图坐标系，该屏幕地图坐标系的两个坐标轴分别为横向坐标轴x和纵向坐标轴y；用户在屏幕上根据已经展现的屏幕地图信息进行点击定位，确定机器人将要执行的目标点位，获得目标点位对应的屏幕二维xy坐标，并存储至数据库。

4.根据权利要求1所述的一种服务机器人地图定位标定方法，其特征在于：步骤S6中，在执行过程中，将步骤S1-S3中的坐标系信息、目标点位信息和旋转方向向量输入ROS系统，坐标系信息包括屏幕地图坐标系与固定世界地图坐标系，并调取步骤S4和S5转换出来的固定世界地图坐标系上的目标点位坐标值和旋转方向向量α，根据旋转方向向量α顺次执行角度旋转，根据ROS系统中的对应函数进行顺次执行，根据目标点位坐标值（X₁，Y₁，Z₁）移动到目标点位后，再根据旋转方向向量α进行转向，以达到机器人最终姿态，与用户在屏幕上标定后的效果一致。

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