CN111486849A - 一种基于二维码路标的移动视觉导航方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二维码路标的移动视觉导航方法及系统。所述移动视觉导航方法根据用户所指定的目的地自主规划最优路线，然后在小车摄像头所捕获的画面中定位并识别路标信息，据此调整位姿并前往路径上的路标，在此过程中实时进行定位和路线规划的更新，并且配以鲁棒的异常恢复决策，用户在小车导航过程中可以随时更改目的地。本发明公开的基于二维码路标的移动视觉导航方法不仅提出了一种在室内不依赖GPS信号以及强计算资源的导航方案，而且可以有效地满足需要智能规划路径的室内调度场景。

Description

一种基于二维码路标的移动视觉导航方法及系统

技术领域

本发明涉及移动视觉导航技术领域，特别是涉及一种基于二维码路标的移动视觉导航方法及系统。

背景技术

导航技术是目前移动机器人自主特征与智能行为的核心体现，并且具有广阔的应用前景。目前很多自主导航技术或装置都基于GPS(全球卫星定位系统)技术，通过接收GPS信号进行导航。然而，具体到室内场景，由于GPS信号强度衰减严重，造成基于GPS技术的导航系统在室内场景失效。故而需要为室内的各种调度场景开发基于视觉的导航系统。

目前室内导航技术按照所采用的信号不同可以大致分为三类：(1)基于视觉及红外线的图像处理技术。这种技术的缺点在于稳定性往往较低。(2)基于加速度计等惯性测量单元的航位推算技术。这种技术的缺点在于误差会逐渐累积，进而导致较大偏差。(3)基于Zigbee或Wifi等无线信号的定位导航技术。这种技术的缺点在于需要在室内布设信号网，测定信号源位置等，布置及维护成本较高。

为了解决上述问题，现有技术出现了一些基于视觉技术和利用二维码作为路标的方法。其中一部分方法要求摄像头光轴方向与铺设二维码的地面成垂直关系，甚至要求摄像头与地面距离非常接近。这就对地面的清洁程度提出了较高的要求，一旦有尘土等污渍污染镜头，将大大影响二维码路标的识别率和导航精度。专利(CN106969766)提出的基于单目视觉和二维码路标的室内自主导航方法虽然解决了上述摄像头与地面接近的问题，但是在其提出的方法中，二维码路标包含方向信息，可以认为导航的路线在铺设二维码路标之后就部分确定，即：该方法只能使得机器人(小车)沿事先规定好的路线移动而无法自主规划路线，一旦需要大范围更改移动路线(例如按原路线逆向行驶)，就需要重新铺设路标。这极大地限制了该方法的应用场景，提高了维护成本，并且不适用于要求自主规划路径的室内智能调度场景。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于二维码路标的移动视觉导航方法及系统，以解决现有的基于单目视觉和二维码路标的室内自主导航方法无法自主规划路线，从而导致其应用场景受限且维护成本高的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于二维码路标的移动视觉导航方法，所述方法包括：

获取室内铺设的多个二维码路标的二维码路标地图；

获取小车当前位置及用户设置的目的地；

判断所述当前位置是否与所述目的地一致，获得第一判断结果；

若所述第一判断结果为所述当前位置与所述目的地一致，导航结束；

若所述第一判断结果为所述当前位置与所述目的地不一致，根据所述当前位置、所述目的地以及所述二维码路标地图自动规划从所述当前位置到所述目的地的最优路线；

根据所述当前位置和所述最优路线确定所述小车将要前往的下一个二维码路标为目的路标，并获取所述目的路标的路标编码作为目标编码；

获取小车摄像头捕获的当前画面；

根据所述当前画面检测二维码路标，根据所述目标编码判断二维码路标是否检测成功，获得第二判断结果；

若所述第二判断结果为二维码路标检测成功，根据所述二维码路标在所述当前画面中的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进；

所述小车前进过程中，获取所述小车车底安装的红外传感器捕获的亮度信息；

根据所述亮度信息判断所述小车是否到达所述二维码路标，获得第四判断结果；

若所述第四判断结果为所述小车到达所述二维码路标，返回所述获取小车当前位置及用户设置的目的地的步骤；

若所述第四判断结果为所述小车未到达所述二维码路标，返回所述根据所述二维码路标在所述当前画面中的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进的步骤；

若所述第二判断结果为二维码路标检测失败，则采用异常恢复决策方法确定所述小车的前进方式。

可选的，所述根据所述当前位置、所述目的地以及所述二维码路标地图自动规划从所述当前位置到所述目的地的最优路线，具体包括：

对所述二维码路标地图进行深度优先搜索，确定从所述当前位置到所述目的地的多条路线，并记录每条所述路线的转向次数和路线距离；

确定多条所述路线中所述转向次数最少且所述路线距离最短的路线为所述最优路线。

可选的，所述根据所述当前画面检测二维码路标，根据所述目标编码判断二维码路标是否检测成功，获得第二判断结果，具体包括：

根据所述当前画面检测二维码路标，若所述当前画面中存在所述二维码路标且能够检测出所述二维码路标的路标编码，且所述路标编码与所述目标编码一致，则所述第二判断结果为所述二维码路标检测成功；否则，所述第二判断结果为所述二维码路标检测失败。

可选的，所述根据所述二维码路标在所述当前画面中的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进，具体包括：

对所述当前画面进行二值化处理，生成二值化图像；

对所述二值化图像进行轮廓检测处理，得到所述当前画面中的多个轮廓；

对多个所述轮廓进行多边形拟合处理，得到多个所述轮廓的形状；

根据所述轮廓的形状去除多个所述轮廓中非四边形的轮廓，得到多个四边形轮廓；

根据所述四边形轮廓所围的面积大小对多个所述四边形轮廓进行过滤，得到二维码路标轮廓；

扫描所述二维码路标轮廓中的二维码路标，得到所述二维码路标的路标编码；

确定所述二维码路标轮廓的四个顶点在所述当前画面中的位置坐标；

根据所述四个顶点在所述当前画面中的位置坐标确定所述二维码路标的重心横坐标；

获取所述当前画面的画面中心横坐标；

根据所述二维码路标的重心横坐标与所述画面中心横坐标的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进。

可选的，所述采用异常恢复决策方法确定所述小车的前进方式，具体包括：

根据所述当前画面检测二维码路标，判断所述当前画面中是否存在二维码路标，获得第五判断结果；

若所述第五判断结果为所述当前画面中不存在二维码路标，控制所述小车以之字型启发式搜索路径前进，寻找附近的二维码路标；

若所述第五判断结果为所述当前画面中存在二维码路标，判断是否能够识别出所述二维码路标的路标编码，获得第六判断结果；

若所述第六判断结果为无法识别出所述二维码路标的路标编码，返回所述根据所述二维码路标在所述当前画面中的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进的步骤；

若所述第六判断结果为能够识别出所述二维码路标的路标编码，判断所述路标编码是否与所述目标编码一致，获得第七判断结果；

若所述第七判断结果为所述路标编码与所述目标编码不一致，判断预留的纠正错误目标路标的机会是否用尽，获得第八判断结果；

若所述第八判断结果为所述预留的纠正错误目标路标的机会尚未用尽，根据所述二维码路标在所述二维码路标地图中的位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述目的路标并前进；

若所述第八判断结果为所述预留的纠正错误目标路标的机会已经用尽，返回所述根据所述二维码路标在所述当前画面中的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进的步骤；

若所述第七判断结果为所述路标编码与所述目标编码一致，则所述第二判断结果为所述二维码路标检测成功。

一种基于二维码路标的移动视觉导航系统，所述系统包括：

二维码路标地图获取模块，用于获取室内铺设的多个二维码路标的二维码路标地图；

位置信息获取模块，用于获取小车当前位置及用户设置的目的地；

位置判断模块，用于判断所述当前位置是否与所述目的地一致，获得第一判断结果；

导航结束模块，用于若所述第一判断结果为所述当前位置与所述目的地一致，导航结束；

最优路线规划模块，用于当所述第一判断结果为所述当前位置与所述目的地不一致时，根据所述当前位置、所述目的地以及所述二维码路标地图自动规划从所述当前位置到所述目的地的最优路线；

目的路标获取模块，用于根据所述当前位置和所述最优路线确定所述小车将要前往的下一个二维码路标为目的路标，并获取所述目的路标的路标编码作为目标编码；

摄像头画面获取模块，用于获取小车摄像头捕获的当前画面；

二维码路标检测模块，用于根据所述当前画面检测二维码路标，根据所述目标编码判断二维码路标是否检测成功，获得第二判断结果；

小车方向调整模块，用于若所述第二判断结果为二维码路标检测成功，根据所述二维码路标在所述当前画面中的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进；

亮度信息获取模块，用于在所述小车前进过程中，获取所述小车车底安装的红外传感器捕获的亮度信息；

亮度信息判断模块，用于根据所述亮度信息判断所述小车是否到达所述二维码路标，获得第四判断结果；

第一返回模块，用于若所述第四判断结果为所述小车到达所述二维码路标，返回所述获取小车当前位置及用户设置的目的地的步骤；

第二返回模块，用于若所述第四判断结果为所述小车未到达所述二维码路标，返回所述根据所述二维码路标在所述当前画面中的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进的步骤；

异常恢复决策模块，用于若所述第二判断结果为二维码路标检测失败，则采用异常恢复决策方法确定所述小车的前进方式。

可选的，所述最优路线规划模块，具体包括：

路线搜索单元，用于对所述二维码路标地图进行深度优先搜索，确定从所述当前位置到所述目的地的多条路线，并记录每条所述路线的转向次数和路线距离；

最优路线规划单元，用于确定多条所述路线中所述转向次数最少且所述路线距离最短的路线为所述最优路线。

可选的，所述二维码路标检测模块，具体包括：

二维码路标检测单元，用于根据所述当前画面检测二维码路标，若所述当前画面中存在所述二维码路标且能够检测出所述二维码路标的路标编码，且所述路标编码与所述目标编码一致，则确定所述第二判断结果为所述二维码路标检测成功；否则，确定所述第二判断结果为所述二维码路标检测失败。

可选的，所述小车方向调整模块，具体包括：

二值化处理单元，用于对所述当前画面进行二值化处理，生成二值化图像；

轮廓检测处理单元，用于对所述二值化图像进行轮廓检测处理，得到所述当前画面中的多个轮廓；

多边形拟合处理单元，用于对多个所述轮廓进行多边形拟合处理，得到多个所述轮廓的形状；

轮廓筛选单元，用于根据所述轮廓的形状去除多个所述轮廓中非四边形的轮廓，得到多个四边形轮廓；

轮廓过滤单元，用于根据所述四边形轮廓所围的面积大小对多个所述四边形轮廓进行过滤，得到二维码路标轮廓；

路标编码扫描单元，用于扫描所述二维码路标轮廓中的二维码路标，得到所述二维码路标的路标编码；

顶点位置坐标确定单元，用于确定所述二维码路标轮廓的四个顶点在所述当前画面中的位置坐标；

重心横坐标确定单元，用于根据所述四个顶点在所述当前画面中的位置坐标确定所述二维码路标的重心横坐标；

画面中心横坐标获取单元，用于获取所述当前画面的画面中心横坐标；

第一小车方向调整单元，用于根据所述二维码路标的重心横坐标与所述画面中心横坐标的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进。

可选的，所述异常恢复决策模块，具体包括：

二维码路标判断单元，用于根据所述当前画面检测二维码路标，判断所述当前画面中是否存在二维码路标，获得第五判断结果；

启发式搜索单元，用于若所述第五判断结果为所述当前画面中不存在二维码路标，控制所述小车以之字型启发式搜索路径前进，寻找附近的二维码路标；

路标编码识别单元，用于若所述第五判断结果为所述当前画面中存在二维码路标，判断是否能够识别出所述二维码路标的路标编码，获得第六判断结果；

第一返回单元，用于若所述第六判断结果为无法识别出所述二维码路标的路标编码，返回所述根据所述二维码路标在所述当前画面中的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进的步骤；

路标编码判断单元，用于若所述第六判断结果为能够识别出所述二维码路标的路标编码，判断所述路标编码是否与所述目标编码一致，获得第七判断结果；

预留机会判断单元，用于若所述第七判断结果为所述路标编码与所述目标编码不一致，判断预留的纠正错误目标路标的机会是否用尽，获得第八判断结果；

第二小车方向调整单元，用于若所述第八判断结果为所述预留的纠正错误目标路标的机会尚未用尽，根据所述二维码路标在所述二维码路标地图中的位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述目的路标并前进；

第二返回单元，用于若所述第八判断结果为所述预留的纠正错误目标路标的机会已经用尽，返回所述根据所述二维码路标在所述当前画面中的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进的步骤；

第二判断结果确定单元，用于若所述第七判断结果为所述路标编码与所述目标编码一致，则所述第二判断结果为所述二维码路标检测成功。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种基于二维码路标的移动视觉导航方法及系统，所述方法根据用户所指定的目的地自主规划最优路径，然后在小车摄像头所捕获的画面中定位并识别路标信息，据此调整位姿并前往路径上的目的路标，在此过程中实时进行小车定位和路径规划的更新。本发明公开的移动视觉导航方法不仅在室内不依赖GPS信号以及强计算资源，而且可以有效地满足需要智能规划路径的室内调度场景，解决了现有的基于单目视觉和二维码路标的室内自主导航方法无法自主规划路线，应用场景受限且维护成本高的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的基于二维码路标的移动视觉导航方法的流程图；

图2为本发明所提供的基于二维码路标的移动视觉导航方法的原理图；

图3为本发明所提供的二维码路标示意图；

图4为本发明所提供的二维码路标地图示意图；

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于二维码路标的移动视觉导航方法及系统，以解决现有的基于单目视觉和二维码路标的室内自主导航方法无法自主规划路线，从而导致其应用场景受限且维护成本高的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的基于二维码路标的移动视觉导航方法的流程图；图2为本发明所提供的基于二维码路标的移动视觉导航方法的原理图。如图1和图2所示，本发明提供的一种基于二维码路标的移动视觉导航方法具体包括：

步骤1：获取室内铺设的多个二维码路标的二维码路标地图。

图3为本发明所提供的二维码路标示意图。图4为本发明所提供的二维码路标地图示意图。如图3、图4所示，本发明方法应用之前，需要在室内环境预先铺设二维码(QR code)作为路标，考虑到真实的楼内地图通常为直线或直角，偶尔有矩形，路标构成的地图被要求为格点的模式，每个可以作为起点或终点或位置参考的点都是一个可行的格点，不需要保证格点之间的距离等长，但要保证相邻的可行节点之间是可以通行的。导航系统初始化地图时需要提供这些可行结点的坐标以及供小车识别的二维码路标信息(二维码内容，即路标编码)。

步骤2：获取小车当前位置及用户设置的目的地。

如图4所示，用户选择目标位置(目的地)后，编码5标明小车当前位置，编码22标明小车目标位置，编码1表明小车起始出发位置，编码2、3、5是小车在这次行程中走过的路径，编码6、7、8、9、10、17显示出规划的预期路径，用箭头表示行驶方向。

步骤3：判断所述当前位置是否与所述目的地一致，获得第一判断结果。

获取小车的当前位姿(包括所在当前位置和朝向)，根据当前位姿与用户设置的目的地自动规划最优路线，若已到达目的地，则导航结束，否则返回路径上将要前往的下一个路标。

步骤4：若所述第一判断结果为所述当前位置与所述目的地一致，导航结束。

步骤5：若所述第一判断结果为所述当前位置与所述目的地不一致，根据所述当前位置、所述目的地以及所述二维码路标地图自动规划从所述当前位置到所述目的地的最优路线。

本发明所述小车搭载有控制模块、摄像头模块、红外传感器模块以及运动模块。其中，所述控制模块中搭载开发的路径规划算法与图像检测算法，控制并协调其余各模块。摄像头模块用于捕获视觉图像用以定位路标并导航。红外传感器模块用于检测亮度，判断小车是否到达路标。运动模块用于移动小车和调整小车位姿。

所述步骤5具体包括：

对所述二维码路标地图进行深度优先搜索，确定从所述当前位置到所述目的地的多条路线，并记录每条所述路线的转向次数和路线距离。

确定多条所述路线中所述转向次数最少且所述路线距离最短的路线为所述最优路线。

步骤6：根据所述当前位置和所述最优路线确定所述小车将要前往的下一个二维码路标为目的路标，并获取所述目的路标的路标编码作为目标编码。

步骤7：获取小车摄像头捕获的当前画面。

所述小车采用摄像头模块捕获当前画面，并根据小车摄像头所捕获画面判断下一个二维码路标的相对位置并进行位姿调整，使路标在小车前进方向。

步骤8：根据所述当前画面检测二维码路标，根据所述目标编码判断二维码路标是否检测成功，获得第二判断结果。

采用所述控制模块中搭载的图像检测算法对所述当前画面进行二值化、轮廓检测、多边形拟合等一系列图像处理，以检测画面中的二维码路标；并对画面中扭曲的二维码路标进行校正；识别二维码路标信息，生成二维码路标编码及其在画面中的位置。

具体的，所述步骤8包括，根据所述当前画面检测二维码路标，若所述当前画面中存在所述二维码路标且能够检测出所述二维码路标的路标编码，且所述路标编码与所述目标编码一致，则所述第二判断结果为所述二维码路标检测成功；否则，所述第二判断结果为所述二维码路标检测失败。

步骤9：若所述第二判断结果为二维码路标检测成功，根据所述二维码路标在所述当前画面中的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进。

本发明支持单目或双目摄像头，读取摄像头模块一帧捕获的画面用于后续处理。后续处理为对画面进行二值化、轮廓检测、多边形拟合等一系列图像处理以检测画面中的二维码路标。

为了提高在实际应用中路标检测的正确率，在二维码路标(简称路标)周围加上黑色矩形边框便于识别。为检测画面中的路标，对当前画面图像进行如下步骤的处理：

1)高斯滤波并且OSTU(大津算法)自适应二值化：由于二维码是黑色，一般可以与环境区分开，因此先进行自适应二值化以利用这一特征。

2)轮廓检测。

3)对检测到的轮廓进行多边形拟合。

4)除去非四边形轮廓：只保留有可能是路标矩形边框的轮廓。

5)根据四边形所围面积大小过滤掉过小或过大的轮廓：路标的大小在画面中应有一定范围，可以去除面积明显过大或过小的候选项。

6)获取路标四个顶点。

7)对扭曲的二维码路标进行校正；

为提高二维码识别率，需要对扭曲的二维码进行校正。在上一步得出路标顶点的基础上进行如下步骤的处理：

以路标在画面中的四个顶点为对应点计算单应性矩阵。

根据单应性矩阵对原图中的路标进行单应性变换。

对变换后的二维码进行二值化。

8)识别二维码路标信息；

采用集成的python库pyzbar进行识别，识别得到二维码路标的路标编码。

9)检测二维码路标在画面中的位置。

在得到路标的四个顶点之后，先计算出路标在画面中所构成四边形的重心，然后以重心横坐标与画面中心的相对位置为评判标准判断路标的位置。根据所述二维码路标的重心横坐标与所述画面中心横坐标的相对位置偏左或偏右反复调整小车位姿，使二维码路标在小车正前方。

因此，所述步骤9具体包括：

对所述当前画面进行二值化处理，生成二值化图像；

对所述二值化图像进行轮廓检测处理，得到所述当前画面中的多个轮廓；

对多个所述轮廓进行多边形拟合处理，得到多个所述轮廓的形状；

根据所述轮廓的形状去除多个所述轮廓中非四边形的轮廓，得到多个四边形轮廓；

根据所述四边形轮廓所围的面积大小对多个所述四边形轮廓进行过滤，得到二维码路标轮廓；

扫描所述二维码路标轮廓中的二维码路标，得到所述二维码路标的路标编码；

确定所述二维码路标轮廓的四个顶点在所述当前画面中的位置坐标；

根据所述四个顶点在所述当前画面中的位置坐标确定所述二维码路标的重心横坐标；

获取所述当前画面的画面中心横坐标；

根据所述二维码路标的重心横坐标与所述画面中心横坐标的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进。

驱动小车前进，用车底红外传感器判断是否到达二维码路标。如果已到达，则转向步骤2更新路径规划；否则转向步骤9继续调整位姿并前进。

步骤10：所述小车前进过程中，获取所述小车车底安装的红外传感器捕获的亮度信息。

由于二维码是黑色，在亮度上与普通环境有所区分，因此可以用装置于车底的红外传感器检测是否到达二维码路标。

步骤11：根据所述亮度信息判断所述小车是否到达所述二维码路标，获得第四判断结果。

步骤12：若所述第四判断结果为所述小车到达所述二维码路标，返回所述获取小车当前位置及用户设置的目的地的步骤。

如此用户可以在小车运行的任意步骤设置目的地或更改之前所设置的目的地，系统会在下一次进入步骤2时更新目的地及规划的路线。在行驶过程中，小车当前位姿由导航系统更新，目标位置由用户输入，导航系统记录并显示一次行驶过程中全部的历史路径。小车具有等待目的地输入和向目的地行驶的两种状态，输入目的地后转为行驶状态，到达目的地后转变为等待状态，从一次等待状态到下一次等待状态被看作一个整体的路径。

步骤13：若所述第四判断结果为所述小车未到达所述二维码路标，返回所述根据所述二维码路标在所述当前画面中的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进的步骤。

步骤14：若所述第二判断结果为二维码路标检测失败，则采用异常恢复决策方法确定所述小车的前进方式。

小车在丢失路标定位时会进行异常恢复决策，重新定位后系统会自适应规划新的路线。具体的，小车丢失既定路标定位有三种情况：

1)成功定位路标，但无法识别信息：假设该路标即为需前往的路标，继续前进，留做后续再次识别。

2)成功定位路标，识别后发现该路标并不在规划路线上：预留纠正错误目的路标的机会，若机会用尽，则前往该路标并更新小车位姿为当前所识别的路标，重新规划路线。

无法定位路标：“之”字型启发式搜索寻找附近的路标。

在第一种情况中，说明路标位于小车视野范围内，但是由于环境光线、位置角度不佳，导致识别算法无法识别路标内容(路标编码)，由于之前步骤调整小车面向目的路标的大致位置，于是假定当前无法识别的路标即为目的路标，后续多次循环识别路标的步骤。

在第二种情况中，说明导航过程中积累偏差较大，使得小车偏离规划路线，识别到不属于规划路线上的路标。本发明设定计数器chance，每次从路标出发时设置初值为1，每次识别到不属于规划路线上的点时，若chance为1，则根据识别到的路标以及地图上的路标分布调整方向，是小车朝向目的路标的方向，同时chance减一；若chance为0，则将识别到的路标作为当前的目的路标，并重新规划路线，完成后续导航步骤。

在第三种情况中，说明小车距离目的路标距离过大或者过小，如果当前移动过程中未观察到路标，设定状态为“远”，否则设定状态为“近”。同时，启动计数器cnt，每次从路标出发时设置初值为0，当cnt为小于10的奇数时，向左转向，每次线性增加旋转角度同时cnt加一；当cnt为小于10的偶数时，向右转向，每次线性增加旋转角度同时cnt加一，当cnt等于10时，计数器置零，如果状态为“远”，则前进一定距离使得与目的路标距离缩短，否则后退一定距离使得视野更加宽阔，利于识别目的路标。这样完成“之”字型启发式搜索寻找附近的路标。

因此，所述步骤14具体包括：

根据所述当前画面检测二维码路标，判断所述当前画面中是否存在二维码路标，获得第五判断结果；

若所述第五判断结果为所述当前画面中不存在二维码路标，控制所述小车以之字型启发式搜索路径前进，寻找附近的二维码路标；

若所述第五判断结果为所述当前画面中存在二维码路标，判断是否能够识别出所述二维码路标的路标编码，获得第六判断结果；

若所述第六判断结果为无法识别出所述二维码路标的路标编码，返回所述步骤9；

若所述第六判断结果为能够识别出所述二维码路标的路标编码，判断所述路标编码是否与所述目标编码一致，获得第七判断结果；

若所述第七判断结果为所述路标编码与所述目标编码不一致，判断预留的纠正错误目标路标的机会是否用尽，获得第八判断结果；

若所述第八判断结果为所述预留的纠正错误目标路标的机会尚未用尽，根据所述二维码路标在所述二维码路标地图中的位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述目的路标并前进；

若所述第八判断结果为所述预留的纠正错误目标路标的机会已经用尽，返回所述步骤9；

若所述第七判断结果为所述路标编码与所述目标编码一致，则所述第二判断结果为所述二维码路标检测成功。

本发明提供的基于二维码路标的移动视觉导航方法，根据用户所指定的目的地自主规划最优路线，然后在小车摄像头所捕获的画面中定位并识别路标信息，据此调整位姿并前往路径上的路标，在此过程中实时进行定位和路线规划的更新，并且配以鲁棒的异常恢复决策，用户在小车导航过程中可以随时更改目的地。该方法不仅提出了一种在室内不依赖GPS信号以及强计算资源的导航方案，而且可以有效地满足需要智能规划路径的室内调度场景。

基于本发明的一种基于二维码路标的移动视觉导航方法，本发明还公开了一种基于二维码路标的移动视觉导航系统，所述系统包括：

二维码路标地图获取模块，用于获取室内铺设的多个二维码路标的二维码路标地图；

位置信息获取模块，用于获取小车当前位置及用户设置的目的地；

位置判断模块，用于判断所述当前位置是否与所述目的地一致，获得第一判断结果；

导航结束模块，用于若所述第一判断结果为所述当前位置与所述目的地一致，导航结束；

最优路线规划模块，用于当所述第一判断结果为所述当前位置与所述目的地不一致时，根据所述当前位置、所述目的地以及所述二维码路标地图自动规划从所述当前位置到所述目的地的最优路线；

目的路标获取模块，用于根据所述当前位置和所述最优路线确定所述小车将要前往的下一个二维码路标为目的路标，并获取所述目的路标的路标编码作为目标编码；

摄像头画面获取模块，用于获取小车摄像头捕获的当前画面；

二维码路标检测模块，用于根据所述当前画面检测二维码路标，根据所述目标编码判断二维码路标是否检测成功，获得第二判断结果；

小车方向调整模块，用于若所述第二判断结果为二维码路标检测成功，根据所述二维码路标在所述当前画面中的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进；

亮度信息获取模块，用于在所述小车前进过程中，获取所述小车车底安装的红外传感器捕获的亮度信息；

亮度信息判断模块，用于根据所述亮度信息判断所述小车是否到达所述二维码路标，获得第四判断结果；

第一返回模块，用于若所述第四判断结果为所述小车到达所述二维码路标，返回所述获取小车当前位置及用户设置的目的地的步骤；

第二返回模块，用于若所述第四判断结果为所述小车未到达所述二维码路标，返回所述根据所述二维码路标在所述当前画面中的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进的步骤；

异常恢复决策模块，用于若所述第二判断结果为二维码路标检测失败，则采用异常恢复决策方法确定所述小车的前进方式。

其中，所述最优路线规划模块，具体包括：

路线搜索单元，用于对所述二维码路标地图进行深度优先搜索，确定从所述当前位置到所述目的地的多条路线，并记录每条所述路线的转向次数和路线距离。

最优路线规划单元，用于确定多条所述路线中所述转向次数最少且所述路线距离最短的路线为所述最优路线。

所述二维码路标检测模块，具体包括：

二维码路标检测单元，用于根据所述当前画面检测二维码路标，若所述当前画面中存在所述二维码路标且能够检测出所述二维码路标的路标编码，且所述路标编码与所述目标编码一致，则确定所述第二判断结果为所述二维码路标检测成功；否则，确定所述第二判断结果为所述二维码路标检测失败。

所述小车方向调整模块具体包括：

二值化处理单元，用于对所述当前画面进行二值化处理，生成二值化图像；

轮廓检测处理单元，用于对所述二值化图像进行轮廓检测处理，得到所述当前画面中的多个轮廓；

多边形拟合处理单元，用于对多个所述轮廓进行多边形拟合处理，得到多个所述轮廓的形状；

轮廓筛选单元，用于根据所述轮廓的形状去除多个所述轮廓中非四边形的轮廓，得到多个四边形轮廓；

轮廓过滤单元，用于根据所述四边形轮廓所围的面积大小对多个所述四边形轮廓进行过滤，得到二维码路标轮廓；

路标编码扫描单元，用于扫描所述二维码路标轮廓中的二维码路标，得到所述二维码路标的路标编码；

顶点位置坐标确定单元，用于确定所述二维码路标轮廓的四个顶点在所述当前画面中的位置坐标；

重心横坐标确定单元，用于根据所述四个顶点在所述当前画面中的位置坐标确定所述二维码路标的重心横坐标；

画面中心横坐标获取单元，用于获取所述当前画面的画面中心横坐标；

第一小车方向调整单元，用于根据所述二维码路标的重心横坐标与所述画面中心横坐标的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进。

所述异常恢复决策模块，具体包括：

二维码路标判断单元，用于根据所述当前画面检测二维码路标，判断所述当前画面中是否存在二维码路标，获得第五判断结果；

启发式搜索单元，用于若所述第五判断结果为所述当前画面中不存在二维码路标，控制所述小车以之字型启发式搜索路径前进，寻找附近的二维码路标；

路标编码识别单元，用于若所述第五判断结果为所述当前画面中存在二维码路标，判断是否能够识别出所述二维码路标的路标编码，获得第六判断结果；

第一返回单元，用于若所述第六判断结果为无法识别出所述二维码路标的路标编码，返回所述根据所述二维码路标在所述当前画面中的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进的步骤；

路标编码判断单元，用于若所述第六判断结果为能够识别出所述二维码路标的路标编码，判断所述路标编码是否与所述目标编码一致，获得第七判断结果；

预留机会判断单元，用于若所述第七判断结果为所述路标编码与所述目标编码不一致，判断预留的纠正错误目标路标的机会是否用尽，获得第八判断结果；

第二小车方向调整单元，用于若所述第八判断结果为所述预留的纠正错误目标路标的机会尚未用尽，根据所述二维码路标在所述二维码路标地图中的位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述目的路标并前进；

第二返回单元，用于若所述第八判断结果为所述预留的纠正错误目标路标的机会已经用尽，返回所述根据所述二维码路标在所述当前画面中的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进的步骤；

第二判断结果确定单元，用于若所述第七判断结果为所述路标编码与所述目标编码一致，则所述第二判断结果为所述二维码路标检测成功。

本发明所提供的基于二维码路标的移动视觉导航方法，首先初始化小车的位置和地图。其次，等待用户输入目的地。然后，根据当前位置和目的地规划路线。接着，小车摄像头进行检测识别二维码路标，若成功检测，则根据位置信息调整方向使小车面向路标并前进，重复此过程直到到达目的，若检测失败，则进入异常恢复决策，通过启发式搜索重新定位。本发明提供的基于二维码路标的移动视觉导航方法及其系统，根据用户所指定的目的地自主规划最优路线，然后在小车摄像头所捕获的画面中定位并识别路标信息，据此调整位姿并前往路径上的路标，在此过程中实时进行定位和路线规划的更新，并且配以鲁棒的异常恢复决策，用户在小车导航过程中可以随时更改目的地。该方法不仅提出了一种在室内不依赖GPS信号以及强计算资源的导航方案，而且可以有效地满足需要智能规划路径的室内调度场景，从而解决了现有的基于单目视觉和二维码路标的室内自主导航方法无法自主规划路线，从而导致其应用场景受限且维护成本高的问题。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于二维码路标的移动视觉导航方法，其特征在于，所述方法包括：

获取室内铺设的多个二维码路标的二维码路标地图；

获取小车当前位置及用户设置的目的地；

判断所述当前位置是否与所述目的地一致，获得第一判断结果；

若所述第一判断结果为所述当前位置与所述目的地一致，导航结束；

若所述第一判断结果为所述当前位置与所述目的地不一致，根据所述当前位置、所述目的地以及所述二维码路标地图自动规划从所述当前位置到所述目的地的最优路线；

根据所述当前位置和所述最优路线确定所述小车将要前往的下一个二维码路标为目的路标，并获取所述目的路标的路标编码作为目标编码；

获取小车摄像头捕获的当前画面；

根据所述当前画面检测二维码路标，根据所述目标编码判断二维码路标是否检测成功，获得第二判断结果；

若所述第二判断结果为二维码路标检测成功，根据所述二维码路标在所述当前画面中的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进；

所述小车前进过程中，获取所述小车车底安装的红外传感器捕获的亮度信息；

根据所述亮度信息判断所述小车是否到达所述二维码路标，获得第四判断结果；

若所述第四判断结果为所述小车到达所述二维码路标，返回所述获取小车当前位置及用户设置的目的地的步骤；

若所述第四判断结果为所述小车未到达所述二维码路标，返回所述根据所述二维码路标在所述当前画面中的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进的步骤；

若所述第二判断结果为二维码路标检测失败，则采用异常恢复决策方法确定所述小车的前进方式。

2.根据权利要求1所述的移动视觉导航方法，其特征在于，所述根据所述当前位置、所述目的地以及所述二维码路标地图自动规划从所述当前位置到所述目的地的最优路线，具体包括：

对所述二维码路标地图进行深度优先搜索，确定从所述当前位置到所述目的地的多条路线，并记录每条所述路线的转向次数和路线距离；

确定多条所述路线中所述转向次数最少且所述路线距离最短的路线为所述最优路线。

3.根据权利要求2所述的移动视觉导航方法，其特征在于，所述根据所述当前画面检测二维码路标，根据所述目标编码判断二维码路标是否检测成功，获得第二判断结果，具体包括：

根据所述当前画面检测二维码路标，若所述当前画面中存在所述二维码路标且能够检测出所述二维码路标的路标编码，且所述路标编码与所述目标编码一致，则所述第二判断结果为所述二维码路标检测成功；否则，所述第二判断结果为所述二维码路标检测失败。

4.根据权利要求3所述的移动视觉导航方法，其特征在于，所述根据所述二维码路标在所述当前画面中的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进，具体包括：

对所述当前画面进行二值化处理，生成二值化图像；

对所述二值化图像进行轮廓检测处理，得到所述当前画面中的多个轮廓；

对多个所述轮廓进行多边形拟合处理，得到多个所述轮廓的形状；

根据所述轮廓的形状去除多个所述轮廓中非四边形的轮廓，得到多个四边形轮廓；

根据所述四边形轮廓所围的面积大小对多个所述四边形轮廓进行过滤，得到二维码路标轮廓；

扫描所述二维码路标轮廓中的二维码路标，得到所述二维码路标的路标编码；

确定所述二维码路标轮廓的四个顶点在所述当前画面中的位置坐标；

根据所述四个顶点在所述当前画面中的位置坐标确定所述二维码路标的重心横坐标；

获取所述当前画面的画面中心横坐标；

根据所述二维码路标的重心横坐标与所述画面中心横坐标的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进。

5.根据权利要求4所述的移动视觉导航方法，其特征在于，所述采用异常恢复决策方法确定所述小车的前进方式，具体包括：

根据所述当前画面检测二维码路标，判断所述当前画面中是否存在二维码路标，获得第五判断结果；

若所述第五判断结果为所述当前画面中不存在二维码路标，控制所述小车以之字型启发式搜索路径前进，寻找附近的二维码路标；

若所述第五判断结果为所述当前画面中存在二维码路标，判断是否能够识别出所述二维码路标的路标编码，获得第六判断结果；

若所述第六判断结果为无法识别出所述二维码路标的路标编码，返回所述根据所述二维码路标在所述当前画面中的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进的步骤；

若所述第六判断结果为能够识别出所述二维码路标的路标编码，判断所述路标编码是否与所述目标编码一致，获得第七判断结果；

若所述第七判断结果为所述路标编码与所述目标编码不一致，判断预留的纠正错误目标路标的机会是否用尽，获得第八判断结果；

若所述第八判断结果为所述预留的纠正错误目标路标的机会尚未用尽，根据所述二维码路标在所述二维码路标地图中的位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述目的路标并前进；

若所述第八判断结果为所述预留的纠正错误目标路标的机会已经用尽，返回所述根据所述二维码路标在所述当前画面中的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进的步骤；

若所述第七判断结果为所述路标编码与所述目标编码一致，则所述第二判断结果为所述二维码路标检测成功。

6.一种基于二维码路标的移动视觉导航系统，其特征在于，所述系统包括：

二维码路标地图获取模块，用于获取室内铺设的多个二维码路标的二维码路标地图；

位置信息获取模块，用于获取小车当前位置及用户设置的目的地；

位置判断模块，用于判断所述当前位置是否与所述目的地一致，获得第一判断结果；

导航结束模块，用于若所述第一判断结果为所述当前位置与所述目的地一致，导航结束；

最优路线规划模块，用于当所述第一判断结果为所述当前位置与所述目的地不一致时，根据所述当前位置、所述目的地以及所述二维码路标地图自动规划从所述当前位置到所述目的地的最优路线；

目的路标获取模块，用于根据所述当前位置和所述最优路线确定所述小车将要前往的下一个二维码路标为目的路标，并获取所述目的路标的路标编码作为目标编码；

摄像头画面获取模块，用于获取小车摄像头捕获的当前画面；

二维码路标检测模块，用于根据所述当前画面检测二维码路标，根据所述目标编码判断二维码路标是否检测成功，获得第二判断结果；

小车方向调整模块，用于若所述第二判断结果为二维码路标检测成功，根据所述二维码路标在所述当前画面中的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进；

亮度信息获取模块，用于在所述小车前进过程中，获取所述小车车底安装的红外传感器捕获的亮度信息；

亮度信息判断模块，用于根据所述亮度信息判断所述小车是否到达所述二维码路标，获得第四判断结果；

第一返回模块，用于若所述第四判断结果为所述小车到达所述二维码路标，返回所述获取小车当前位置及用户设置的目的地的步骤；

第二返回模块，用于若所述第四判断结果为所述小车未到达所述二维码路标，返回所述根据所述二维码路标在所述当前画面中的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进的步骤；

异常恢复决策模块，用于若所述第二判断结果为二维码路标检测失败，则采用异常恢复决策方法确定所述小车的前进方式。

7.根据权利要求6所述的移动视觉导航系统，其特征在于，所述最优路线规划模块，具体包括：

路线搜索单元，用于对所述二维码路标地图进行深度优先搜索，确定从所述当前位置到所述目的地的多条路线，并记录每条所述路线的转向次数和路线距离；

最优路线规划单元，用于确定多条所述路线中所述转向次数最少且所述路线距离最短的路线为所述最优路线。

8.根据权利要求7所述的移动视觉导航系统，其特征在于，所述二维码路标检测模块，具体包括：

二维码路标检测单元，用于根据所述当前画面检测二维码路标，若所述当前画面中存在所述二维码路标且能够检测出所述二维码路标的路标编码，且所述路标编码与所述目标编码一致，则确定所述第二判断结果为所述二维码路标检测成功；否则，确定所述第二判断结果为所述二维码路标检测失败。

9.根据权利要求8所述的移动视觉导航系统，其特征在于，所述小车方向调整模块，具体包括：

二值化处理单元，用于对所述当前画面进行二值化处理，生成二值化图像；

轮廓检测处理单元，用于对所述二值化图像进行轮廓检测处理，得到所述当前画面中的多个轮廓；

多边形拟合处理单元，用于对多个所述轮廓进行多边形拟合处理，得到多个所述轮廓的形状；

轮廓筛选单元，用于根据所述轮廓的形状去除多个所述轮廓中非四边形的轮廓，得到多个四边形轮廓；

轮廓过滤单元，用于根据所述四边形轮廓所围的面积大小对多个所述四边形轮廓进行过滤，得到二维码路标轮廓；

路标编码扫描单元，用于扫描所述二维码路标轮廓中的二维码路标，得到所述二维码路标的路标编码；

顶点位置坐标确定单元，用于确定所述二维码路标轮廓的四个顶点在所述当前画面中的位置坐标；

重心横坐标确定单元，用于根据所述四个顶点在所述当前画面中的位置坐标确定所述二维码路标的重心横坐标；

画面中心横坐标获取单元，用于获取所述当前画面的画面中心横坐标；

第一小车方向调整单元，用于根据所述二维码路标的重心横坐标与所述画面中心横坐标的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进。

10.根据权利要求9所述的移动视觉导航系统，其特征在于，所述异常恢复决策模块，具体包括：

二维码路标判断单元，用于根据所述当前画面检测二维码路标，判断所述当前画面中是否存在二维码路标，获得第五判断结果；

启发式搜索单元，用于若所述第五判断结果为所述当前画面中不存在二维码路标，控制所述小车以之字型启发式搜索路径前进，寻找附近的二维码路标；

路标编码识别单元，用于若所述第五判断结果为所述当前画面中存在二维码路标，判断是否能够识别出所述二维码路标的路标编码，获得第六判断结果；

第一返回单元，用于若所述第六判断结果为无法识别出所述二维码路标的路标编码，返回所述根据所述二维码路标在所述当前画面中的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进的步骤；

路标编码判断单元，用于若所述第六判断结果为能够识别出所述二维码路标的路标编码，判断所述路标编码是否与所述目标编码一致，获得第七判断结果；

预留机会判断单元，用于若所述第七判断结果为所述路标编码与所述目标编码不一致，判断预留的纠正错误目标路标的机会是否用尽，获得第八判断结果；

第二小车方向调整单元，用于若所述第八判断结果为所述预留的纠正错误目标路标的机会尚未用尽，根据所述二维码路标在所述二维码路标地图中的位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述目的路标并前进；

第二返回单元，用于若所述第八判断结果为所述预留的纠正错误目标路标的机会已经用尽，返回所述根据所述二维码路标在所述当前画面中的相对位置调整所述小车的方向，使所述小车面向所述二维码路标并前进的步骤；

第二判断结果确定单元，用于若所述第七判断结果为所述路标编码与所述目标编码一致，则所述第二判断结果为所述二维码路标检测成功。

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