CN110673612A - 一种自主移动机器人二维码引导控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自主移动机器人二维码引导控制方法，属于移动机器人引导控制技术领域。该方法基于二维码视觉并结合移动机器人实时定位与构图，在构建的地图上用多个二维码标记引导目标位置；自主移动机器人移动至二维码区域完成粗定位；然后移动机器人识别二维码，计算该点三维坐标点与位姿坐标，根据识别到的二维码的姿态和二维码相对相机的空间位置调整移动机器人前进的速度与方向，使机器人移动到引导目标位置完成目标引导；本发明的优点在于：使用二维码标签配合摄像头进行视觉引导，位姿特征明显，处理快速，硬件成本低，引导精度高。
Description
技术领域
本发明属于移动机器人技术与机器视觉结合领域，涉及一种自主移动机器人二维码引导控制方法。
背景技术
现如今机器人越来越多的应用到我们的生产和生活当中，移动机器人作为重要的搬运和巡检工具，自动化程度高、工作效率高，可以节省人工成本。当前工业上使用较多的是激光导引和磁导航传感器和地标传感器组成循迹传感器，配合地面铺设的磁条进行引导控制，这类引导控制方法硬件成本高，安装复杂；另外的引导方式是预先在固定路径铺设导航导航标识带、二维码或者各种定位符，使用视觉系统对齐进行图像识别，然后将识别信息发送给控制器，最终对移动机器人进行引导控制。这类引导控制方法自动化程度较低，路径设置有局限性。
二维码作为位置信息承载的工具，具有成本低、数据存储量大、抗损性强、抗光线干扰等特点。为了提高机器人行走的自主地图规划能力，需要进行机器人智能定位设计。采用激光传感器量化跟踪融合方法构建机器人同时定位地图创建模型，根据机器人的环境适应度建立机器人运动空间环境，在存在障碍物的环境下采用最短路径寻优算法进行机器人信息素规划，在运动方向一致性条件下设计SLAM算法构建避障规则，结合激光传感技术实现机器人的移动路径定位。但在定位精度要求较高的场景中，如机器人返回无线充电桩耦合线圈，基于激光雷达SLAM的自主导航定位精度不足以达到精确耦合线圈的误差要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种自主移动机器人二维码引导控制方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种自主移动机器人二维码引导控制方法，该方法包括以下步骤：
S1：目标引导位置通过创建的的ARTag二维码标签进行标记；
S2：机器人自主导航至目标区域后，识别二维码，视觉引导使之准确到达目标引导位置；
S3：目标引导控制方法根据二维码信息判断目标引导位置，计算二维码的位姿和二维码相对摄像头的空间位置；
S4：移动机器人根据摄像头与二维码之间的位姿，调整自身移动的速度与方向；
S5：移动机器人在不同的目标距离上选择不同大小的二维码进行目标引导。
可选的，所述步骤S1中具体包括：
S11：AR Tag二维码标签图案由引导控制方法自动生成，包含目标点二维码编号AR_ID、二维码地图坐标和二维码尺寸信息；
S12：目标点二维码编号AR_ID包含目标点编号，子标签编号以及保留字段；
S13：二维码标签尺寸按照目标引导开始点与停止点间的距离进行设置；
S14：机器人操作系统保存上述信息用于二维码引导；
S15：多个二维码标签的中心应在同一垂直水平线上，二维码之间的垂直高度差，不大于最小二维码的尺寸。
可选的，所述步骤S2中具体包括：
S21：机器人架构于机器人操作系统ROS上，建造增量式地图，实现机器人的自主定位和导航；
S22：引导控制算法在增量式地图中增加引导目标位置信息，其特征在于引导目标位置信息包含引导目标点编号、坐标点、到达该坐标点后机器人的姿态；
S23：目标位置信息标定时，控制机器人使相机正对着二维码标签；
S24：二维码标签与目标引导位置间的坐标关系为正上方；
S25：目标引导控制程序接收传感器以消息形式发送的到位信息，然后结束引导过程。
可选的，所述步骤S3中具体包括：
S31：设置World与Camera之间的坐标变换；包括Label_Size：使用二维码的实际尺寸，单位为厘米；
Camera_Image：提供用于检测二维码标签的摄像机框架的话题名称；
Camera_Info：提供摄像头校准参数以便可以校正图像的话题名称；
Output_Frame：摄像机识别到的每一帧二维码标签的笛卡尔坐标；
S32：棋盘格标定法，标定用来识别二维码的摄像头，生成标定文件，订阅图像数据的等相关话题名；
S33：使用RGB-D深度相机识别二维码比普通摄像头，集成深度数据以进行更好的姿势估计；
S34：加载相机标定文件，识别目标二维码，发布所有识别到的二维码信息，包括ID号和二维码的位姿状态。
可选的，所述步骤S4中具体包括：
机器人使用相机识别二维码，获取二维码ID号和二维码的位姿状态；通过二维码姿态和空间位置获取机器人与二维码坐标水平轴x的偏差，和机器人到二维码坐标纵深轴z的距离；机器人通过反馈的二维码位姿调整角速度angular与线速度linear，使之准到达目标点；具体包括：
移动机器人自主导航到达地图上标定的坐标，调整机器人自身的姿态，相机识别数字标签的二维码，通过机器人到二维码坐标纵深轴z的距离，调整机器人线速度v，若获取的纵深轴z的距离大于设定的摄像头到二维码标签的距离，设定的线速度v为正，机器人向着二维码正向前进；若获取的纵深轴z的距离小于设定的目标区域到二维码标签的距离，设定的线速度v为负，机器人向着二维码后退，且获取的纵深轴z的距离越接近设定的目标区域到二维码标签的距离时，设定的线速度v越小，最终到达目标点；
机器人与二维码坐标水平轴x的偏差为e(k)，通过数字PID增量式控制算法调节调整机器人角速度ω，增量式PID控制输出的是控制量增量。
可选的，所述步骤S5中具体包括：
S51：根据移动机器人自主导航结束后的位置与目标区域的距离，设计二维码标签的尺寸，距离较远时，用大尺寸的二维码标签与小尺寸的二维码标签结合；
S52：移动机器人自主导航到二维码识别区域后，摄像头识别所有的在视野范围内的二维码标号，匹配目标区域的二维码标号，计算该二维码的位置姿态，进行引导控制进入目标区域；
S53：机器人靠近目标位置，摄像头拍摄大尺寸二维码信息丢失后，引导算法识别小尺寸二维码信息并进行目标位置引导。
本发明的有益效果在于：本发明解决了移动机器人定位精度与路径规划等问题，结合SLMA自主导航，充分利用二维码的位姿与承载的信息，引导控制移动机器人，提高自动化水平，节省人工成本。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明引导二维码标签信息格式及二维码样图；
图2为本发明二维码标签布置图；
图3为本发明自主移动机器人二维码引导控制方法算法流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1-图2所示，本发明所述的自主移动机器人二维码引导控制方法运行于自主移动机器人。
其中移动机器人具体包括以下几个部分：
上层控制系统。上层控制系统架构在Ubuntu操作系统中并安装机器人操作系统(Robot Operation System，ROS)，接收上位机发布的控制指令和任务；通过驱动程序获取激光雷达和摄像头的数据，并利用采集到的传感器数据完成SLAM、导航避障和地图构建更新等任务；将速度控制指令通过USB串口下发给底层控制系统，并接收底层控制系统返回的里程计数据。
底层控制系统。底层控制系统位于移动机器人的底层控制器，运行于实时操作系统μC/OS-II中。底层控制系统实现的功能主要有：接收上层控制系统的速度控制指令；根据速度控制指令控制步进电机转动，实现对移动机器人的运动控制；计算移动机器人位姿，将里程计数据返回给上层控制系统。
自主移动机器人由两轮差速控制。两个驱动轮的轮距为L，则移动机器人的最小转弯半径为L/2。移动机器人里程计信息的采样时间为Δt，且在此时间间隔内移动机器人的运动轨迹为一小段圆弧。
(1)地图创建与系统标定
机器人建造增量式地图，实现机器人的自主定位和导航。引导控制算法在增量式地图中增加引导目标位置信息，引导目标位置信息包含引导目标点编号、坐标点、到达该坐标点后机器人的姿态。目标位置信息的标定要求控制机器人使相机正对着二维码标签张贴位置。
(2)生成并张贴目标定位二维码标签
根据工作区域内引导目标点的数量对目标点进行编号，当采用多标签引导时设置子标签编号，例如子标签编号00表示单标签引导，01表示2标签引导，02表示3标签引导；二维码标签尺寸按照目标引导开始点与停止点间的距离进行设置；二维码地图坐标根据地图信息进行设置。
将上述目标点二维码编号AR_ID、二维码地图坐标、二维码尺寸信息，发送到二维码生成器中进行二维码标签生成与打印。
二维码标签与目标引导位置间的坐标关系为正上方，多个二维码标签的中心应在同一水平线上。
(3)自主移动机器人对目标引导相机进行标定。
1)设置world与camera之间的坐标变换。包括Label_Size_size：使用二维码的实际尺寸，单位为厘米；camera_image：提供用于检测二维码标签的摄像机框架的话题名称；camera_info：提供摄像头校准参数以便可以校正图像的话题名称；output_frame：摄像机识别到的每一帧二维码标签的笛卡尔坐标。
2)棋盘格标定法，标定用来识别二维码的摄像头，生成标定文件，订阅图像数据的等相关话题名。
3)加载相机标定文件，识别目标二维码，发布所有识别到的二维码信息，包括ID号和二维码的位姿状态。
(4)自主移动机器人二维码引导控制算法流程见图3。
自主移动机器人首先自主导航的目标引导区域附近，启动二维码引导控制。
1)机器人开启深度相机识别二维码，如果二维码信息与目标引导点二维码信息一致则继续目标引导过程。
2)深度相机获取二维码ID号和二维码的位姿状态(position，orientation)。通过二维码姿态和空间位置获取机器人与二维码坐标水平轴x的偏差，和机器人到二维码坐标纵深轴z的距离。
3)机器人通过反馈的二维码位姿调整角速度(angular)与线速度(linear)，使之准确到达目标点。具体包括：
若获取的纵深轴z的距离大于设定的摄像头到二维码标签的距离，设定的线速度v为正，机器人向着二维码正向前进；若获取的纵深轴z的距离小于设定的目标区域到二维码标签的距离，设定的线速度v为负，机器人向着二维码后退，且获取的纵深轴z的距离越接近设定的目标区域到二维码标签的距离时，设定的线速度v越小，最终到达目标点。为了快速完成二维码目标引导过程，可以对线速度根据纵深误差进行自适应调节。
例如：
机器人与二维码坐标水平轴x的偏差为e(k)，通过数字PID增量式控制算法调节调整机器人角速度ω，增量式PID控制输出的是控制量增量，并无积分作用，因此该方法适用于机器人底盘控制的步进电机这类执行机构带积分部件的对象。一旦确定好了Kp、Ki和Kd，只要使用前后三次测量值的偏差e(k)、e(k-1)和e(k-2)，即可由以下公式求出控制增量：
u(k)＝Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
(5)多标签引导过程
如果目标引导过程为多标签引导则在引导过程中执行以下操作。
在机器人靠近目标引导区域时，大尺寸引导标签逐渐超出摄像头的视野，摄像头不能完整清晰的获取二维码信息。同时在视野中获取到了与目标点定位标签信息相符的小尺寸定位标签。自主移动机器人二维码引导控制算法将小尺寸标签切换为定位引导标签，直到引导过程结束。如果标签信息不符合目标点引导信息，则停止目标引导过程。
(6)引导过程停止
引导过程停止可以采用外部传感器向机器人操作系统发送到位报文的方法结束。也可以在深度相机丢失定位标签后，机器人根据里程计信息计算当前位置与目标引导位置的误差判断是否停止目标引导过程。
本实施案例可以应用在自主导航机器人无线充电、复杂场景通过、多机器人协同等场景。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种自主移动机器人二维码引导控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：目标引导位置通过创建的的AR Tag二维码标签进行标记；
S2：机器人自主导航至目标区域后，识别二维码，视觉引导使之准确到达目标引导位置；
S3：目标引导控制方法根据二维码信息判断目标引导位置，计算二维码的位姿和二维码相对摄像头的空间位置；
S4：移动机器人根据摄像头与二维码之间的位姿，调整自身移动的速度与方向；
S5：移动机器人在不同的目标距离上选择不同大小的二维码进行目标引导。
2.根据权利要求1所述的一种自主移动机器人二维码引导控制方法，其特征在于：所述步骤S1中具体包括：
S11：AR Tag二维码标签图案由引导控制方法自动生成，包含目标点二维码编号AR_ID、二维码地图坐标和二维码尺寸信息；
S12：目标点二维码编号AR_ID包含目标点编号，子标签编号以及保留字段；
S13：二维码标签尺寸按照目标引导开始点与停止点间的距离进行设置；
S14：机器人操作系统保存上述信息用于二维码引导；
S15：多个二维码标签的中心应在同一垂直水平线上，二维码之间的垂直高度差，不大于最小二维码的尺寸。
3.根据权利要求1所述的一种自主移动机器人二维码引导控制方法，其特征在于：所述步骤S2中具体包括：
S21：机器人架构于机器人操作系统ROS上，建造增量式地图，实现机器人的自主定位和导航；
S22：引导控制算法在增量式地图中增加引导目标位置信息，其特征在于引导目标位置信息包含引导目标点编号、坐标点、到达该坐标点后机器人的姿态；
S23：目标位置信息标定时，控制机器人使相机正对着二维码标签；
S24：二维码标签与目标引导位置间的坐标关系为正上方；
S25：目标引导控制程序接收传感器以消息形式发送的到位信息，然后结束引导过程。
4.根据权利要求1所述的一种自主移动机器人二维码引导控制方法，其特征在于：所述步骤S3中具体包括：
S31：设置World与Camera之间的坐标变换；包括Label_Size：使用二维码的实际尺寸，单位为厘米；
Camera_Image：提供用于检测二维码标签的摄像机框架的话题名称；
Camera_Info：提供摄像头校准参数以便可以校正图像的话题名称；
Output_Frame：摄像机识别到的每一帧二维码标签的笛卡尔坐标；
S32：棋盘格标定法，标定用来识别二维码的摄像头，生成标定文件，订阅图像数据的等相关话题名；
S33：使用RGB-D深度相机识别二维码比普通摄像头，集成深度数据以进行更好的姿势估计；
S34：加载相机标定文件，识别目标二维码，发布所有识别到的二维码信息，包括ID号和二维码的位姿状态。
5.根据权利要求1所述的一种自主移动机器人二维码引导控制方法，其特征在于：所述步骤S4中具体包括：
机器人使用相机识别二维码，获取二维码ID号和二维码的位姿状态；通过二维码姿态和空间位置获取机器人与二维码坐标水平轴x的偏差，和机器人到二维码坐标纵深轴z的距离；机器人通过反馈的二维码位姿调整角速度angular与线速度linear，使之准到达目标点；具体包括：
移动机器人自主导航到达地图上标定的坐标，调整机器人自身的姿态，相机识别数字标签的二维码，通过机器人到二维码坐标纵深轴z的距离，调整机器人线速度v，若获取的纵深轴z的距离大于设定的摄像头到二维码标签的距离，设定的线速度v为正，机器人向着二维码正向前进；若获取的纵深轴z的距离小于设定的目标区域到二维码标签的距离，设定的线速度v为负，机器人向着二维码后退，且获取的纵深轴z的距离越接近设定的目标区域到二维码标签的距离时，设定的线速度v越小，最终到达目标点；
机器人与二维码坐标水平轴x的偏差为e(k)，通过数字PID增量式控制算法调节调整机器人角速度ω，增量式PID控制输出的是控制量增量。
6.根据权利要求1所述的一种自主移动机器人二维码引导控制方法，其特征在于：所述步骤S5中具体包括：
S51：根据移动机器人自主导航结束后的位置与目标区域的距离，设计二维码标签的尺寸，距离较远时，用大尺寸的二维码标签与小尺寸的二维码标签结合；
S52：移动机器人自主导航到二维码识别区域后，摄像头识别所有的在视野范围内的二维码标号，匹配目标区域的二维码标号，计算该二维码的位置姿态，进行引导控制进入目标区域；
S53：机器人靠近目标位置，摄像头拍摄大尺寸二维码信息丢失后，引导算法识别小尺寸二维码信息并进行目标位置引导。
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