CN112462762A - 一种基于路侧二维码单元的机器人室外自主移动系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于路侧二维码单元的机器人室外自主移动系统及其方法，属于移动机器人领域。由移动机器人单元、云服务器单元和路侧二维码单元组成，移动机器人单元首先与云端服务器单元进行通讯，获取目标位置和机器人当前位置，云端服务器单元根据目标位置和当前位置计算前进轨迹，下发给移动机器人单元，开始前进。前进过程中，移动机器人单元依靠摄像头获取前方的直线车道信息，识别可行驶区域，不断进行左右纠偏；对于弯道处，移动机器人单元检测路侧二维码，更新全局位置信息，并结合目标轨迹信息，指导机器人进行转弯。移动机器人单元的状态信息在云端服务器实时可查。本发明无需对地面进行大规模改造，不影响道路车辆正常行驶。
Description
技术领域
本发明涉及移动机器人领域，尤其涉及一种基于路侧二维码单元的机器人室外自主移动系统及其方法。
背景技术
目前，移动机器人应用越来越广泛，从室内扫地机器人到室外搬运物流车，移动机器人在日常生活与工业生产中起到了越来越重要的作用。移动机器人系统是一个多学科知识交叉的复杂系统，机器人需要解决定位问题，感知问题，规划问题，控制问题等等。
室外移动机器人解决方案根据传感器的不同，主要包括磁传感器解决方案，激光解决方案等，然而，目前已有的方案至少存在以下问题：
1、基于的激光雷达解决方案由于使用了激光雷达作为主传感器，而激光雷达目前单个价格较高，同时使用激光雷达在室内走廊往往存在定位失效的问题，对环境特征要求要高，通用性受限。
2、基于磁传感器解决方案使用磁传感器作为主传感器，对环境改造要求较高，要求地面进行改造，比如大规模铺设磁导条，机器人只能沿着已经铺设好磁导条的路线行走，灵活性受限。
3、基于摄像头的常规巡线方案，需要在前进路线上铺设视觉引导线，对地面也需要一定的改造工作，同时在路口转弯处容易丢失对视觉引导线的视野，从而无法跟踪视觉引导线。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供了一种基于路侧二维码单元的机器人室外自主移动系统及其方法。基于视觉寻直线，基于二维码弯道定位，实现了室外移动机器人自主寻线功能，本发明无需对地面进行大规模改造，不影响道路车辆正常行驶。
为了达到上述目的，本发明所采用的的技术方案如下：
一种基于路侧二维码单元的机器人室外自主移动系统，由移动机器人单元、云服务器单元和路侧二维码单元组成；
所述的移动机器人单元包括：
机器人本体，其由车身和动力模块组成，所述的动力模块包括转向电机和动力电机；
摄像头，其用于采集机器人周围的图像信息，位于机器人本体前部；
惯性测量单元，其用于测量机器人前进加速度和机器人转向角速度，位于机器人本体上；
终端计算模块，其用于接收摄像头采集的图像信息、以及惯性测量单元获取的机器人前进加速度和转向角速度信息，输出左右转向控制信息；
控制模块，其用于接收云服务器单元发送的全局规划路径和终端计算模块输出的左右转向控制信息，将左右转向控制信息转换为电机驱动信号，控制机器人本体上的转向电机和动力电机运转；
终端通讯模块，其用于向云服务器单元发送移动机器人单元的状态信息，并接收云服务器单元发布的目标终点位置指令；
电源模块，其用于为移动机器人单元提供电源；
所述的云服务器单元包括：
云端计算模块，其用于根据移动机器人单元的当前位置和目标终点位置，计算机器人的全局规划路径；
云端通讯模块，其用于接收终端通讯模块发送的移动机器人单元的状态信息，并向终端通讯模块发送目标终点位置指令及全局规划路径；
所述的路侧二维码单元包括：
多个带有二维码标签的路侧杆，不同路侧杆上的二维码进行相对定位，其用于移动机器人单元根据路侧杆上的二维码信息更新自身全局位置。
作为本发明的优选，所述的终端通讯模块每间隔1s向云端通讯模块发送移动机器人单元的状态信息，所述的状态信息包括机器人身份识别ID、机器人前进速度、机器人全局位置以及机器人朝向姿态。
作为本发明的优选，所述的终端通讯模块和云端通讯模块采用5G网络进行通讯连接。
作为本发明的优选，所述的终端计算模块接收摄像头采集的道路图像和路侧二维码图像，根据道路图像计算出机器人本体相对于道路车道线的左右偏移距离，得到机器人本体的左右转向控制信息；根据路侧二维码图像更新自身全局位置。
作为本发明的优选，所述的多个带有二维码标签的路侧杆设置在弯道入口处和直线道路上，所述直线道路上的路侧杆间隔50m距离分散摆放，所述弯道入口处的路侧杆对应的二维码标签上设有转弯标记。
作为本发明的优选，所述的终端计算模块接收惯性测量单元输出的机器人前进加速度和机器人转向角速度信息，通过积分得到机器人前进速度和机器人朝向姿态。
作为本发明的优选，所述的云端计算模块内部预设有全局拓扑地图和Dijkstra算法，通过读取目标终点位置和机器人当前的全局位置，输出全局规划路径。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供了一种基于路侧二维码单元的机器人室外自主移动系统，采用二维码进行路口相对定位导航，利用二维码相对定位简单且准确的特点，指引机器人进行转弯，避免了传统视觉巡线方案里弯道容易丢失视觉引导线的问题，可靠的完成直线和弯道的自主前进。
(2)本发明中的系统在直线道路上的前进摆脱了视觉引导线的束缚，使用语义分割网络检测道路车道线间的可行驶区域图像，以及可行驶区域的左右边界，通过两条可行驶区域边界线的延长线焦点与可行驶区域图像的中心点之间的水平像素距离确定左右偏移量，进一步获得左右转向控制信息，能够实现前进方向的实时纠偏，可以灵活适用于更多场景。
(3)本发明中的系统全程可自动化运行，不需要人工干预，无需对地面进行大规模改造，不影响道路机器人正常行驶。
附图说明
图1为本发明中的机器人室外自主移动系统的总体框架图。
图2为终端计算模块进行方向纠偏的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的解释说明。
本发明提出了一种基于路侧二维码单元的机器人室外自主移动系统，移动机器人单元首先与云端服务器单元进行通讯，获取目标地点的位置和机器人当前位置，云端服务器单元根据目标位置和当前位置计算前进轨迹，下发给移动机器人单元，开始前进。移动机器人单元依靠摄像头获取前方的直线车道信息，通过计算模块识别前方的可行驶区域，计算模块使用ENet语义分割算法计算出可行驶区域，从而前进，对于弯道处，移动机器人单元检测路侧二维码单元的二维码，获取机器人与固定二维码的相对位置，指导机器人进行转弯，同时获取当前二维码的弯道ID信息，上传给云端服务器单元。本发明使用摄像头视觉传感器，相比于激光雷达成本较低，可以安装多个摄像头联合工作，同时不存在走廊定位失效的问题。不需要大规模地面改造，只需要检测前方可行驶区域，灵活性相比于磁传感器方案更好。在路口使用二维码进行导航，检测路口的二维码来相对定位进行转弯，相比于常规视觉巡线方案，可以避免路口丢失视觉引导线视野的问题，同时在直线道路上基于检测可行驶区域进行前进，不需要视觉引导线，灵活性更好。
图1是本发明的机器人室外自主移动系统的总体框架图，主要由移动机器人单元、云服务器单元和路侧二维码单元组成。
所述的移动机器人单元包括：
机器人本体，其由车身和动力模块组成，所述的动力模块包括转向电机和动力电机，作为机器人控制指令的执行机构。
摄像头，其用于采集机器人周围的图像信息，位于机器人本体前部；
惯性测量单元，其用于测量机器人前进加速度和机器人转向角速度，位于机器人本体上；
终端计算模块，其用于接收摄像头采集的图像信息、以及惯性测量单元获取的机器人前进加速度和转向角速度信息，完成图像处理任务和多传感器融合任务，输出左右转向控制信息；
控制模块，其用于接收云服务器单元发送的全局规划路径和终端计算模块输出的左右转向控制信息，将左右转向控制信息转换为电机驱动信号，控制机器人本体上的转向电机和动力电机运转；
终端通讯模块，其用于向云服务器单元发送移动机器人单元的状态信息，并接收云服务器单元发布的目标终点位置指令；
电源模块，其用于为移动机器人单元提供电源；
所述的云服务器单元包括：
云端计算模块，其用于根据移动机器人单元的当前位置和目标终点位置，计算机器人的全局规划路径；
云端通讯模块，其用于接收终端通讯模块发送的移动机器人单元的状态信息，并向终端通讯模块发送目标终点位置指令及全局规划路径；
所述的路侧二维码单元包括：
多个带有二维码标签的路侧杆，不同路侧杆上的二维码进行相对定位，其用于移动机器人单元根据路侧杆上的二维码信息更新自身全局位置，纠正移动过程中累积的误差信息，及时调整机器人位姿。
在本发明的一项具体实施中，所述的终端通讯模块每间隔1s向云端通讯模块发送移动机器人单元的状态信息，所述的状态信息包括机器人身份识别ID、机器人前进速度、机器人全局位置以及机器人朝向姿态。具体的，终端通讯模块和云端通讯模块采用5G网络进行通讯连接。本系统可以同时控制很多室外机器人，通过不同的机器人身份识别ID分别进行监控。云服务器单元收到机器人的实时状态信息后，用户可以通过其他终端访问云端进行查看，当云端检测到危险信号后，也可以向移动机器人单元发布紧急停止指令。
在本发明的一项具体实施中，摄像头用于采集机器人周围的图像信息，包括道路图像和路侧二维码图像。所述的终端计算模块接收摄像头采集的道路图像和路侧二维码图像，根据道路图像计算出机器人本体相对于道路车道线的左右偏移距离，得到机器人本体的左右转向控制信息；根据路侧二维码图像更新自身全局位置。优选的，多个带有二维码标签的路侧杆设置在弯道入口处和直线道路上，所述直线道路上的路侧杆间隔50m距离分散摆放，所述弯道入口处的路侧杆对应的二维码标签上设有转弯标记，转弯标记能够被机器人读取并识别，指导机器人进行转弯，与目标规划路径相结合，实现精准转弯。
惯性测量单元采用使用razor_imu_9dof传感器，其实际输出机器人的前进加速度和转向角速度，通过积分得到机器人速度和转向角度，转向角度即机器人朝向姿态。
在本发明的一项具体实施中，终端计算模块使用NVIDIA Jetson TX2作为计算板，内部预设有像素级语义分割模型和PID控制模型。
其接收摄像头采集的图像，计算出终端机器人相对于道路车道线左右偏移距离，进而得到左右转向控制信息，其具体过程如下：
摄像头采集前方道路图像，基于预先训练的像素级语义分割模型，输出道路车道线间的可行驶区域图像，检测图像中可行驶区域左右边界，得到两条可行驶区域边界线的参数化描述方程，计算两条可行驶区域边界线的延长线焦点，作为终端机器人前进方向的预瞄点，计算预瞄点与图像中点的水平像素距离，作为终端机器人相对车道线的左右偏移量，输入该偏移量到PID控制模型，输出转向控制信息。
其接收惯性测量单元输出的机器人的前进加速度和转向角速度，通过积分得到机器人速度和转向角度，转向角度即机器人朝向姿态。并结合上一个路侧二维码栏杆识别到的全局定位信息，在短时间内实时估算机器人全局位置。
所述的云端计算模块内部预设有应用场景下的全局拓扑地图、Dijkstra算法。通过读取目标终点位置和机器人当前的全局位置，输出全局规划路径。其中，目标终点位置是通过其他终端人为设置并存储在云端的，可以根据不同应用场景下的执行任务灵活设置，同时，其他终端也可以发布紧急停止指令，通过云端控制该机器人停止。
本发明系统自动前进的方式主要分为两个部分来进行：直线车道和弯道。
直线车道主要依靠视觉传感器检测前方道路，由计算模块输出可行驶区域，可行驶区域计算算法使用Enet语义分割网络，该网络运算速度快，适合在机器人移动端平台进行部署。得到的可行驶区域需要计算可行驶区域的边界，如图2所示。可行驶区域的边界线是非平行线，计算非平行线的焦点与图片中线点比较，得到横向偏移量，输入给模糊PID算法，进而得到横向控制量，输入给控制模块控制机器人。
弯道依靠二维码相对定位算法，二维码自身的位置存储在云端，机器人在弯道处检测到二维码，获取二维码ID并从云端得到该路口的二维码的实际准确位置信息，同时算法模块使用二维码进行相对定位，得到机器人距离二维码的实时相对位置，结合准确的二维码位置信息，得到机器人的实时准确位置信息。机器人获取了自身实时实际位置，结合目标轨迹信息，进行转弯。
本发明的系统全程可自动化运行，不需要人工干预，可靠的完成直线和弯道的自主前进。
在本发明的一项具体实施中，上述的基于路侧二维码单元的机器人室外自主移动系统的机器人室外自主移动方法步骤为：
步骤1，初始化：将移动机器人单元放置在带有二维码标签的路侧杆处，移动机器人单元根据路侧杆上的二维码进行相对定位，获取自身的当前位置信息；
移动机器人单元与云端服务器单元建立通讯，云端通讯模块获取移动机器人单元当前位置，并将移动机器人单元当前位置及目标终点位置发动给云端计算模块，由云端计算模块计算并返回全局规划路径；
步骤2，云端通讯模块将收到的全局规划路径通过终端通讯模块传输至控制模块，控制机器人本体前进；
所述的机器人本体在前进过程中，终端计算单元不断读取惯性测量单元测得的机器人前进加速度和机器人转向角速度，通过积分得到机器人前进速度和机器人朝向姿态；同时，移动机器人单元根据最近一次检测到的路侧杆上的二维码进行相对定位，结合机器人前进速度和机器人朝向姿态实时更新机器人全局位置；所述的终端计算单元将机器人身份识别ID、机器人前进速度、机器人全局位置以及机器人朝向姿态实时通过终端通讯模块反馈至云服务器单元；
所述的机器人本体在前进过程中，终端计算模块不断获取摄像头采集到的图像信息进行方向纠偏，所述的方向纠偏过程具体为：
1)通过机器人本体上的摄像头采集前方道路图像并传输至终端计算模块，在终端计算模块中经预训练的像素级语义分割模型得到道路车道线间的可行驶区域图像，检测可行驶区域的左右边界，得到两条可行驶区域边界线；优选的，所述的预训练的像素级语义分割模型采用Enet模型。
2)将两条可行驶区域边界线的延长线焦点作为移动机器人单元前进方向的预瞄点，计算预瞄点与可行驶区域图像的中心点之间的水平像素距离，得到机器人本体相对车道线的左右偏移量；将左右偏移量作为终端计算模块中的PID控制模型的输入，得到左右转向控制信息。
在本发明的一项具体实施中，当移动机器人单元行驶到全局规划路径中的弯道处时，通过弯道入口处的带有二维码标签的路侧杆更新自身位置并进行转弯，避免了传统视觉巡线方案里弯道容易丢失视觉引导线的问题。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的单元或模块仅仅是示意性的，为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元/模块可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。单元/模块之间的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
另外，对各个模块/单元的控制器可以集成在一个处理单元中，也可以是各个处理单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元/模块的控制器集成在一个单元中。上述集成的单元或者单独的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于路侧二维码单元的机器人室外自主移动系统，其特征在于，由移动机器人单元、云服务器单元和路侧二维码单元组成；
所述的移动机器人单元包括：
机器人本体，其由车身和动力模块组成，所述的动力模块包括转向电机和动力电机；
摄像头，其用于采集机器人周围的图像信息，位于机器人本体前部；
惯性测量单元，其用于测量机器人前进加速度和机器人转向角速度，位于机器人本体上；
终端计算模块，其用于接收摄像头采集的图像信息、以及惯性测量单元获取的机器人前进加速度和转向角速度信息，输出左右转向控制信息；
控制模块，其用于接收云服务器单元发送的全局规划路径和终端计算模块输出的左右转向控制信息，将左右转向控制信息转换为电机驱动信号，控制机器人本体上的转向电机和动力电机运转；
终端通讯模块，其用于向云服务器单元发送移动机器人单元的状态信息，并接收云服务器单元发布的目标终点位置指令；
电源模块，其用于为移动机器人单元提供电源；
所述的云服务器单元包括：
云端计算模块，其用于根据移动机器人单元的当前位置和目标终点位置，计算机器人的全局规划路径；
云端通讯模块，其用于接收终端通讯模块发送的移动机器人单元的状态信息，并向终端通讯模块发送目标终点位置指令及全局规划路径；
所述的路侧二维码单元包括：
多个带有二维码标签的路侧杆，不同路侧杆上的二维码进行相对定位，其用于移动机器人单元根据路侧杆上的二维码信息更新自身全局位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于路侧二维码单元的机器人室外自主移动系统，其特征在于，所述的终端通讯模块每间隔1s向云端通讯模块发送移动机器人单元的状态信息，所述的状态信息包括机器人身份识别ID、机器人前进速度、机器人全局位置以及机器人朝向姿态。
3.根据权利要求1所述的一种基于路侧二维码单元的机器人室外自主移动系统，其特征在于，所述的终端通讯模块和云端通讯模块采用5G网络进行通讯连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于路侧二维码单元的机器人室外自主移动系统，其特征在于，所述的终端计算模块接收摄像头采集的道路图像和路侧二维码图像，根据道路图像计算出机器人本体相对于道路车道线的左右偏移距离，得到机器人本体的左右转向控制信息；根据路侧二维码图像更新自身全局位置。
5.根据权利要求1所述的一种基于路侧二维码单元的机器人室外自主移动系统，其特征在于，所述的多个带有二维码标签的路侧杆设置在弯道入口处和直线道路上，所述直线道路上的路侧杆间隔50m距离分散摆放，所述弯道入口处的路侧杆对应的二维码标签上设有转弯标记。
6.根据权利要求1所述的一种基于路侧二维码单元的机器人室外自主移动系统，其特征在于，所述的终端计算模块接收惯性测量单元输出的机器人前进加速度和机器人转向角速度信息，通过积分得到机器人前进速度和机器人朝向姿态。
7.根据权利要求1所述的一种基于路侧二维码单元的机器人室外自主移动系统，其特征在于，所述的云端计算模块内部预设有全局拓扑地图和Dijkstra算法，通过读取目标终点位置和机器人当前的全局位置，输出全局规划路径。
8.一种基于权利要求1所述的基于路侧二维码单元的机器人室外自主移动系统的机器人室外自主移动方法，其特征在于，
步骤1，初始化：将移动机器人单元放置在带有二维码标签的路侧杆处，移动机器人单元根据路侧杆上的二维码进行相对定位，获取自身的当前位置信息；
移动机器人单元与云端服务器单元建立通讯，云端通讯模块获取移动机器人单元当前位置，并将移动机器人单元当前位置及目标终点位置发动给云端计算模块，由云端计算模块计算并返回全局规划路径；
步骤2，云端通讯模块将收到的全局规划路径通过终端通讯模块传输至控制模块，控制机器人本体前进；
所述的机器人本体在前进过程中，终端计算单元不断读取惯性测量单元测得的机器人前进加速度和机器人转向角速度，通过积分得到机器人前进速度和机器人朝向姿态；同时，移动机器人单元根据最近一次检测到的路侧杆上的二维码进行相对定位，结合机器人前进速度和机器人朝向姿态实时更新机器人全局位置；所述的终端计算单元将机器人身份识别ID、机器人前进速度、机器人全局位置以及机器人朝向姿态实时通过终端通讯模块反馈至云服务器单元；
所述的机器人本体在前进过程中，终端计算模块不断获取摄像头采集到的图像信息进行方向纠偏，所述的方向纠偏过程具体为：
1)通过机器人本体上的摄像头采集前方道路图像并传输至终端计算模块，在终端计算模块中经预训练的像素级语义分割模型得到道路车道线间的可行驶区域图像，检测可行驶区域的左右边界，得到两条可行驶区域边界线；
2)将两条可行驶区域边界线的延长线焦点作为移动机器人单元前进方向的预瞄点，计算预瞄点与可行驶区域图像的中心点之间的水平像素距离，得到机器人本体相对车道线的左右偏移量；将左右偏移量作为终端计算模块中的PID控制模型的输入，得到左右转向控制信息。
9.根据权利要求8所述的基于路侧二维码单元的机器人室外自主移动系统的机器人室外自主移动方法，其特征在于，当移动机器人单元行驶到全局规划路径中的弯道处时，通过弯道入口处的带有二维码标签的路侧杆更新自身位置并进行转弯。
10.根据权利要求8所述的基于路侧二维码单元的机器人室外自主移动系统的机器人室外自主移动方法，其特征在于，所述的预训练的像素级语义分割模型采用Enet模型。
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