CN111474935B - 一种移动机器人路径规划和定位方法、装置及系统 - Google Patents

一种移动机器人路径规划和定位方法、装置及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及机器人应用技术领域，具体公开了一种移动机器人路径规划和定位方法，其中，移动机器人路径规划和定位方法应用于移动机器人路径规划和定位系统，移动机器人路径规划和定位方法包括：通过摄像测量装置获取目标位置的场景图片；根据目标位置的场景图片建立全局坐标系；通过立体视觉装置获取移动机器人的初始位置；根据移动机器人的初始位置和全局坐标系得到移动机器人的规划路径；根据移动机器人的规划路径控制移动机器人的移动。本发明还公开了一种移动机器人路径规划和定位装置及系统。本发明提供的移动机器人路径规划和定位方法能够高精度重建三维点，并获得合理的运动路径。

Description

一种移动机器人路径规划和定位方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及机器人应用技术领域，尤其涉及一种移动机器人路径规划和定位方法、移动机器人路径规划和定位装置及包括该移动机器人路径规划和定位装置的移动机器人路径规划和定位系统。
背景技术
视觉引导技术在工业上的应用越来越广泛，应用在移动机器人上的场景也在日益丰富，随着技术的发展，移动机器人在工业生产线上实现自动导航完成相应工位上工序也愈来愈普及。
目前，工业机器人通常由于机械臂长度的限制，往往只能在一定区域内进行操作。使用移动机器人后，可使用范围不再受到限制，也可对大物件进行加工生产或者测量，然而利用传统的人工方法对移动后机器人进行定位费时费力，这显然会影响机器人的生产效率。
随着视觉处理技术的发展，利用工业相机对机器人定位和引导在实际生产中也越来越普遍，通常使用价格不太昂贵的相机便能达到实际生产的工作需要并保证精度。利用三维重建技术建立包含运动路径上关键三维点的全局坐标系点云，便可实现移动机器人在实际场景中的路径规划。但由于实际场景太大，应用中往往难以建立精确的全局坐标系点云。同时，由于移动机器人自身的运动定位精度不高，实际运动路径一般都会偏离预期运动路径，因此在运动中常常需要进行重定位。基于上述原因，移动机器人在工业中完全实现自动化的应用极少。
发明内容
本发明提供了一种移动机器人路径规划和定位方法、移动机器人路径规划和定位装置及包括该移动机器人路径规划和定位装置的移动机器人路径规划和定位系统，解决相关技术中存在的缺乏高效率和高精度的移动机器人的路径规划及定位的问题。
作为本发明的第一个方面，提供一种移动机器人路径规划和定位方法，其中，所述移动机器人路径规划和定位方法应用于移动机器人路径规划和定位系统，所述移动机器人路径规划和定位系统包括摄影测量装置、移动机器人、机械臂和立体视觉装置，所述机械臂设置在所述移动机器人上，所述移动机器人路径规划和定位方法包括：
通过摄像测量装置获取目标位置的场景图片；
根据所述目标位置的场景图片建立全局坐标系；
通过立体视觉装置获取移动机器人的初始位置；
根据移动机器人的初始位置和所述全局坐标系得到所述移动机器人的规划路径；
根据所述移动机器人的规划路径控制所述移动机器人的移动。
进一步地，所述移动机器人路径规划和定位方法还包括在所述根据所述移动机器人的规划路径控制所述移动机器人的移动的步骤后进行的：
通过立体视觉装置获取移动机器人的当前位置；
根据所述移动机器人的当前位置和所述全局坐标系获取移动机器人的重定位位置；
根据所述重定位定位判断所述移动机器人是否在所述移动机器人的规划路径上；
若否，则返回执行所述根据移动机器人的初始位置和所述全局坐标系得到所述移动机器人的规划路径的步骤。
进一步地，所述通过立体视觉装置获取移动机器人的当前位置，包括：
通过手眼标定方法标定所述移动机器人、机械臂和立体视觉装置的位置关系；
通过所述立体视觉装置以及所述移动机器人的规划路径确定所述移动机器人的当前位置。
进一步地，所述根据所述移动机器人的当前位置和所述全局坐标系获取重定位位置，包括：
获取所述立体视觉装置的拍摄路径上的标志点；
根据所述拍摄路径上的标志点建立标志点的三维坐标；
将所述标志点的三维坐标与所述全局坐标系进行匹配，获得所述移动机器人在所述全局坐标系下的位置；
根据所述移动机器人在所述全局坐标系下的位置得到所述移动机器人的重定位位置。
进一步地，所述移动机器人路径规划和定位方法还包括：
若是，则判断所述移动机器人是否到达所述目标位置；
若所述移动机器人到达所述目标位置，则发出停止移动的控制信息。
进一步地，所述根据所述目标位置的场景图片建立全局坐标系包括：
对所述目标位置的场景图片进行图像处理，获得所述目标位置的场景图片中的特征点，其中所述特征点为表示所述目标位置的具体位置点；
根据所述特征点建立三维坐标系。
作为本发明的另一个方面，提供一种移动机器人路径规划和定位装置，其中，所述移动机器人路径规划和定位装置应用于移动机器人路径规划和定位系统，所述移动机器人路径规划和定位系统包括摄影测量装置、移动机器人、机械臂和立体视觉装置，所述机械臂设置在所述移动机器人上，所述移动机器人路径规划和定位装置包括：
第一获取模块，用于通过摄像测量装置获取目标位置的场景图片；
坐标系建立模块，用于根据所述目标位置的场景图片建立全局坐标系；
第二获取模块，用于通过立体视觉装置获取移动机器人的初始位置；
路径规划模块，用于根据移动机器人的初始位置和所述全局坐标系得到所述移动机器人的规划路径；
控制模块，用于根据所述移动机器人的规划路径控制所述移动机器人的移动。
作为本发明的另一个方面，提供一种移动机器人路径规划和定位系统，其中，包括：移动机器人、机械臂、摄影测量装置、立体视觉装置和前文所述的移动机器人路径规划和定位装置，所述机械臂设置在所述移动机器人上，所述移动机器人、所述摄影测量装置和立体视觉装置均与所述移动机器人路径规划和定位装置通信连接，所述机械臂通过所述移动机器人由初始位置移动至目标位置；
所述摄影测量装置用于采集目标位置的场景图片；
所述立体视觉装置用于采集移动机器人的初始位置的图片以及移动过程中的当前位置的图片；
所述移动机器人路径规划和定位装置用于得到所述移动机器人的规划路径，以控制所述移动机器人的移动。
进一步地，所述目标位置处设置多个标志点。
进一步地，所述摄影测量装置包括至少一个摄像机，所述立体视觉装置包括至少两个对称设置的摄像机。
本发明提供的移动机器人路径规划和定位方法，通过摄像测量装置获取移动机器人将要到达的目标位置的场景图片，然后根据该场景图片建立全局坐标系，并通过立体视觉装置获取移动机器人的初始位置，最后根据初始位置和全局坐标系获得移动机器人的规划路径，这种移动机器人路径规划和定位方法能够高精度重建三维点，并获得合理的运动路径。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1为本发明提供的移动机器人路径规划和定位方法的流程图。
图2为本发明提供的移动机器人路径规划和定位系统的结构示意图。
图3为本发明提供的移动机器人路径规划和定位方法的具体实施方式流程图。
图4为本发明提供的移动机器人的路径规划流程图。
图5为本发明提供的摄影测量装置的拍摄示意图。
图6为本发明提供的移动机器人的定位流程图。
图7为本发明提供的移动机器人的定位转换坐标系示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本实施例中提供了一种移动机器人路径规划和定位方法，图1是根据本发明实施例提供的移动机器人路径规划和定位方法的流程图，图2为本发明实施例提供的移动机器人路径规划和定位系统的结构示意图，所述移动机器人路径规划和定位方法应用于移动机器人路径规划和定位系统，所述移动机器人路径规划和定位系统包括摄影测量装置1、移动机器人4、机械臂3和立体视觉装置5，所述机械臂3设置在所述移动机器人4上，如图1和图2所示，所述移动机器人路径规划和定位方法包括：
S110、通过摄像测量装置获取目标位置的场景图片；
S120、根据所述目标位置的场景图片建立全局坐标系；
S130、通过立体视觉装置获取移动机器人的初始位置；
S140、根据移动机器人的初始位置和所述全局坐标系得到所述移动机器人的规划路径；
S150、根据所述移动机器人的规划路径控制所述移动机器人的移动。
本发明实施例提供的移动机器人路径规划和定位方法，通过摄像测量装置获取移动机器人将要到达的目标位置的场景图片，然后根据该场景图片建立全局坐标系，并通过立体视觉装置获取移动机器人的初始位置，最后根据初始位置和全局坐标系获得移动机器人的规划路径，这种移动机器人路径规划和定位方法能够高精度重建三维点，并获得合理的运动路径。
如图2所示，移动机器人路径规划和定位系统由摄影测量装置1、上位机2、机械臂3、移动机器人4、立体视觉装置5和标志点6组成，需要说明的是，所述标志点6即为所述移动机器人4将要达到的目标位置。其中，摄影测量装置1由一个带光源的工业相机组成，带由存储照片功能，用于拍摄场景路径上的标志点；上位机2用于处理图片数据和联动机器人，进行三维重建和移动机器人的路径规划和定位；立体视觉装置5用于拍摄移动机器人到达指定地点的标志点；标志点6分为编码标志点和非编码标志点反光贴纸，以及两端贴有编码标志点的基准尺，编码标志点采用15比特编码，编号范围为从0到428，主要贴于移动机器人运动路径上，用于路径规划和定位，基准尺两端编码标志点距离已经标定，用于赋予摄影测量尺度信息。
具体地，为了能够有效解决移动机器人运动偏离预期路径的为题，所述移动机器人路径规划和定位方法还包括在所述根据所述移动机器人的规划路径控制所述移动机器人的移动的步骤后进行的：
通过立体视觉装置获取移动机器人的当前位置；
根据所述移动机器人的当前位置和所述全局坐标系获取移动机器人的重定位位置；
根据所述重定位定位判断所述移动机器人是否在所述移动机器人的规划路径上；
若否，则返回执行所述根据移动机器人的初始位置和所述全局坐标系得到所述移动机器人的规划路径的步骤。
进一步具体地，所述通过立体视觉装置获取移动机器人的当前位置，包括：
通过手眼标定方法标定所述移动机器人、机械臂和立体视觉装置的位置关系；
通过所述立体视觉装置以及所述移动机器人的规划路径确定所述移动机器人的当前位置。
具体地，如图3所示，移动机器人路径规划和定位方法主要包括以下六个主要步骤：
步骤201，利用摄影测量装置重建运动路径上标志点三维点，建立全局坐标系，再使用手眼标定方法，标定移动机器人、机械臂与立体视觉装置位置关系，通过创建点云规划移动机器人运动路径并初始化定位；
步骤202，根据运动路径向移动机器人下达运动指令；
步骤203，借助立体视觉装置，拍摄当前路径上的标志点，重建标志点的三维坐标，再通过与全局标志点的匹配算法，将当前移动机器人的位置变换到全局坐标系下，重新定位移动机器人位置；
步骤204，根据重定位位置判断移动机器人是否到达预期位置，若是进行下一步操作，若否重新生成移动指令返回步骤202；
步骤205，机器人在当前位置上完成指定工序；
步骤206判断是否完成所有工序，若是结束流程，若否返回步骤202进行下一个位置的工序。
如图4所示，为步骤201的具体实现流程，其中：
步骤301，通过人工贴点的方法，在需要规划的路径上贴标志点；
步骤302，通过摄影测量装置采集场景图片，所采集图片需满足识别和三维重建要求；
步骤303，将采集的图片返回上位机，通过摄影测量软件处理照片并重建标志点三维坐标；
步骤304，使用立体视觉装置对移动机器人、机械臂、立体视觉装置进行手眼标定，并拍摄当前位置的标志点对移动机器人进行初始化定位；
步骤305，通过移动机器人当前位置和所创建的标志点点云，进行移动机器人路径规划。
可以理解的是，通过对移动机器人进行重定位，可有效解决移动机器人运动偏离预期路径问题。
进一步具体地，所述根据所述移动机器人的当前位置和所述全局坐标系获取重定位位置，包括：
获取所述立体视觉装置的拍摄路径上的标志点；
根据所述拍摄路径上的标志点建立标志点的三维坐标；
将所述标志点的三维坐标与所述全局坐标系进行匹配，获得所述移动机器人在所述全局坐标系下的位置；
根据所述移动机器人在所述全局坐标系下的位置得到所述移动机器人的重定位位置。
具体地，所述移动机器人路径规划和定位方法还包括：
若是，则判断所述移动机器人是否到达所述目标位置；
若所述移动机器人到达所述目标位置，则发出停止移动的控制信息。
具体地，所述根据所述目标位置的场景图片建立全局坐标系包括：
对所述目标位置的场景图片进行图像处理，获得所述目标位置的场景图片中的特征点，其中所述特征点为表示所述目标位置的具体位置点；
根据所述特征点建立三维坐标系。
如图4所示，为了实现大场景环境中机器人自动化生产，本发明实施例提出了用摄影测量方法来实现场景中关键位置三维重建，来对移动机器人进行路径规划和定位，其做法具体如下：先通过人工在关键路径上位置上贴标志点，通过摄影测量装置对标志点进行多角度拍摄，通过从运动恢复结构原理，创建标志点点云，建立全局坐标系。
图5为摄影测量实施案例示意图，摄影测量能实现大场景三维重建，相机拍摄位置不能少于三个，每个相机拍摄的编码标志点必须不少于五个，非编码标志点为移动机器人在路径上定位的主要依据，在相机视场内应尽可能的包含标志点。摄影测量具有高精度、高效率的优点，并且只需一次创建点云就可反复使用。
如图6所示，为步骤203与步骤304中移动机器人定位的具体实现过程。为了解决移动机器人重定位问题本发明实施例提出一种通过立体视觉装置计算移动机器人当前位置变换矩阵的方法。
步骤501，利用立体视觉装置左右相机采集图片，先对图片进行识别，若识别不合格则通过机械臂变换立体视觉装置采集位置，重新采集。
步骤502，利用视觉几何原理匹配左右相机对应标志点，通过三角法计算当前坐标系下标志点的三维坐标。
步骤503，将当前坐标系下的点云与全局坐标系的点云进行匹配，在匹配的过程中还需将上一步误匹配创建的三维点去除，重新计算正确立体视觉匹配的三维点。
步骤504，计算当前坐标系与全局坐标系之间的变换关系，并根据之前手眼标定的结果，计算移动机器人在全局坐标系下的位置。
具体的坐标系转换关系如图7所示，通过摄影测量创建点云的坐标系为全局坐标系，移动机器人所在的坐标系为坐标系1，立体视觉装置创建点云的坐标系为坐标系2。通过手眼标定，坐标系1与坐标系2之间的位姿变换关系为RT1。通过步骤504，坐标系2与全局坐标系之间的位姿变换关系为RT。最后，通过三个坐标系之间的相互关系，利用RT和RT1可以计算坐标系1与全局坐标系之间的位姿变换关系RT2，至此移动机器人的定位完成。
作为本发明的另一实施例，提供一种移动机器人路径规划和定位装置，其中，所述移动机器人路径规划和定位装置应用于移动机器人路径规划和定位系统，所述移动机器人路径规划和定位系统包括摄影测量装置、移动机器人、机械臂和立体视觉装置，所述机械臂设置在所述移动机器人上，所述移动机器人路径规划和定位装置包括：
第一获取模块，用于通过摄像测量装置获取目标位置的场景图片；
坐标系建立模块，用于根据所述目标位置的场景图片建立全局坐标系；
第二获取模块，用于通过立体视觉装置获取移动机器人的初始位置；
路径规划模块，用于根据移动机器人的初始位置和所述全局坐标系得到所述移动机器人的规划路径；
控制模块，用于根据所述移动机器人的规划路径控制所述移动机器人的移动。
本发明实施例提供的移动机器人路径规划和定位装置，通过摄像测量装置获取移动机器人将要到达的目标位置的场景图片，然后根据该场景图片建立全局坐标系，并通过立体视觉装置获取移动机器人的初始位置，最后根据初始位置和全局坐标系获得移动机器人的规划路径，这种移动机器人路径规划和定位装置能够高精度重建三维点，并获得合理的运动路径。
需要说明的是，关于本发明实施例提供的移动机器人路径规划和定位装置的具体实施过程可以参照前文的移动机器人路径规划和定位方法的描述，此处不再赘述。
作为本发明的另一实施例，提供一种移动机器人路径规划和定位系统，其中，如图2所示，包括：移动机器人4、机械臂3、摄影测量装置1、立体视觉装置5和前文所述的移动机器人路径规划和定位装置，所述机械臂设置在所述移动机器人上，所述移动机器人、所述摄影测量装置和立体视觉装置均与所述移动机器人路径规划和定位装置通信连接，所述机械臂通过所述移动机器人由初始位置移动至目标位置；
所述摄影测量装置1用于采集目标位置的场景图片；
所述立体视觉装置5用于采集移动机器人的初始位置的图片以及移动过程中的当前位置的图片；
所述移动机器人路径规划和定位装置用于得到所述移动机器人的规划路径，以控制所述移动机器人的移动。
本发明实施例提供的移动机器人路径规划和定位系统，采用了前文的移动机器人路径规划和定位装置，通过摄像测量装置获取移动机器人将要到达的目标位置的场景图片，然后根据该场景图片建立全局坐标系，并通过立体视觉装置获取移动机器人的初始位置，最后根据初始位置和全局坐标系获得移动机器人的规划路径，这种移动机器人路径规划和定位系统能够高精度重建三维点，并获得合理的运动路径。
应当理解的是，此处所述移动机器人路径规划和定位装置即为前文所述的上位机2。
需要说明的是，所述目标位置处设置多个标志点。
具体地，如图2所示，所述摄影测量装置包括至少一个摄像机，所述立体视觉装置包括至少两个对称设置的摄像机。
需要说明的是，关于本发明实施例提供的移动机器人路径规划和定位系统的具体实施过程可以参照前文的移动机器人路径规划和定位方法的描述，此处不再赘述。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种移动机器人路径规划和定位方法，其特征在于，所述移动机器人路径规划和定位方法应用于移动机器人路径规划和定位系统，所述移动机器人路径规划和定位系统包括摄影测量装置、移动机器人、机械臂和立体视觉装置，所述机械臂设置在所述移动机器人上，所述移动机器人路径规划和定位方法包括：
通过摄像测量装置获取目标位置的场景图片；
根据所述目标位置的场景图片建立全局坐标系；
通过立体视觉装置获取移动机器人的初始位置；
根据移动机器人的初始位置和所述全局坐标系得到所述移动机器人的规划路径；
根据所述移动机器人的规划路径控制所述移动机器人的移动；
所述移动机器人路径规划和定位方法还包括在所述根据所述移动机器人的规划路径控制所述移动机器人的移动的步骤后进行的：
通过立体视觉装置获取移动机器人的当前位置；
根据所述移动机器人的当前位置和所述全局坐标系获取移动机器人的重定位位置；
根据所述重定位位置判断所述移动机器人是否在所述移动机器人的规划路径上；
若否，则返回执行所述根据移动机器人的初始位置和所述全局坐标系得到所述移动机器人的规划路径的步骤；
所述通过立体视觉装置获取移动机器人的当前位置，包括：
通过手眼标定方法标定所述移动机器人、机械臂和立体视觉装置的位置关系；
通过所述立体视觉装置以及所述移动机器人的规划路径确定所述移动机器人的当前位置；
所述根据所述移动机器人的当前位置和所述全局坐标系获取重定位位置，包括：
获取所述立体视觉装置的拍摄路径上的标志点；
根据所述拍摄路径上的标志点建立标志点的三维坐标；
将所述标志点的三维坐标与所述全局坐标系进行匹配，获得所述移动机器人在所述全局坐标系下的位置；
根据所述移动机器人在所述全局坐标系下的位置得到所述移动机器人的重定位位置。
2.根据权利要求1所述的移动机器人路径规划和定位方法，其特征在于，所述移动机器人路径规划和定位方法还包括：
若是，则判断所述移动机器人是否到达所述目标位置；
若所述移动机器人到达所述目标位置，则发出停止移动的控制信息。
3.根据权利要求1或2所述的移动机器人路径规划和定位方法，其特征在于，所述根据所述目标位置的场景图片建立全局坐标系包括：
对所述目标位置的场景图片进行图像处理，获得所述目标位置的场景图片中的特征点，其中所述特征点为表示所述目标位置的具体位置点；
根据所述特征点建立三维坐标系。
4.一种移动机器人路径规划和定位装置，用于实现权利要求1至3中任意一项所述的移动机器人路径规划和定位方法，其特征在于，所述移动机器人路径规划和定位装置应用于移动机器人路径规划和定位系统，所述移动机器人路径规划和定位系统包括摄影测量装置、移动机器人、机械臂和立体视觉装置，所述机械臂设置在所述移动机器人上，所述移动机器人路径规划和定位装置包括：
第一获取模块，用于通过摄像测量装置获取目标位置的场景图片；
坐标系建立模块，用于根据所述目标位置的场景图片建立全局坐标系；
第二获取模块，用于通过立体视觉装置获取移动机器人的初始位置；
路径规划模块，用于根据移动机器人的初始位置和所述全局坐标系得到所述移动机器人的规划路径；
控制模块，用于根据所述移动机器人的规划路径控制所述移动机器人的移动。
5.一种移动机器人路径规划和定位系统，其特征在于，包括：移动机器人、机械臂、摄影测量装置、立体视觉装置和权利要求4所述的移动机器人路径规划和定位装置，所述机械臂设置在所述移动机器人上，所述移动机器人、所述摄影测量装置和立体视觉装置均与所述移动机器人路径规划和定位装置通信连接，所述机械臂通过所述移动机器人由初始位置移动至目标位置；
所述摄影测量装置用于采集目标位置的场景图片；
所述立体视觉装置用于采集移动机器人的初始位置的图片以及移动过程中的当前位置的图片；
所述移动机器人路径规划和定位装置用于得到所述移动机器人的规划路径，以控制所述移动机器人的移动。
6.根据权利要求5所述的移动机器人路径规划和定位系统，其特征在于，所述目标位置处设置多个标志点。
7.根据权利要求5所述的移动机器人路径规划和定位系统，其特征在于，所述摄影测量装置包括至少一个摄像机，所述立体视觉装置包括至少两个对称设置的摄像机。
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