CN113361674A - 一种嵌套引导二维码的编码解码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种嵌套引导二维码的编码解码方法，属于计算机视觉领域，包括以下步骤：S1：构建嵌套二维码：采用AprilTag作为嵌套二维码基础码，将两个或多个不同尺寸的二维码图标进行嵌套，确保在识别距离动态改变过程中至少有一个二维码可被识别；S2：部署嵌套二维码；S3：对嵌套二维码进行解码：识别装置移动到能够识别外层编码的区域，基于识别到的信息，调整识别装置的位置和姿态，并向嵌套二维码移动，直到解码过程结束。本发明识别角度广，识别距离远，位姿特征明显，处理快速，硬件成本低，引导精度高。

Description

一种嵌套引导二维码的编码解码方法
技术领域
本发明属于计算机视觉领域，涉及一种嵌套引导二维码的编码解码方法
背景技术
随着“工业4.0”的提出，移动机器人开始越来越被人们所熟知了解，越来越多的相关企业与机构加入对移动机器人的研究。移动机器人是一个庞大的多功能综合系统，其具有高自动化、高工作效率,低成本等优点。自主移动机器人在工作中需要指定自己“在哪里”，“要到哪里去”以及“怎么去”，因此机器人功能的实现需要依靠传感器感知周围环境，到达指定区域完成后续工作。因此对移动机器人进行引导定位，对控制方法的研究越来越重要，对定位精度的要求也越来越高。
二维码作为信息承载的工具,具有成本低、数据存储量大、抗损性强、抗光线干扰等特点，在代码编制上巧妙的利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图像输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理。因此在越来越多的导航工作场所中被用作为地点标签。
目前基于二维码的定位主要是利用摄像头对二维码图像进行采集，但对二维码图像的采集限制较多。使用单一的二维码受限于识别装置的识别距离与识别精度，若二维码较小，较远距离不能准确识别二维码信息，若二维码较大，在较近距离无法识别二维码全貌，也无法识别二维码并获取二维码信息，因此对于移动机器人定位与导航，可改进二维码的运用技术，结合机器人自身的多传感器融合进行提高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种嵌套引导二维码的编码解码方法，应用于自主移动机器人的引导控制，来解决移动机器人定位精度与路径规划等问题，结合SLAM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，降低成本。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种嵌套引导二维码的编码解码方法，包括以下步骤：
S1：首先是对嵌套二维码的设计，在对二维码的识别过程中，二维码图标在识别装置成像平面下占用的像素数量会随着识别装置与图标之间的相对距离的不同而发生变化，二维码图标在识别装置成像平面下占用的像素越多，二维码图标的细节保留更全，计算出来的相对位姿信息也会更加准确。因此在较远距离时，要保证二维码图标在识别装置成像平面下占用的像素足够多，同时在识别装置逐渐靠近时，识别装置与图标之间的距离会发生变换，远距离可使用的图标势必会超出识别装置的视野，因此将两个或多个不同尺寸的二维码图标嵌套在一起，确保装置在移动过程中至少有一个二维码图标在识别装置的视野下。
S2：其次是对嵌套二维码的识别及信息获取，对二维码的识别需要先对识别装置进行标定，随后机器人订阅相关话题，在工作过程中，先自主导航到可识别图像的区域，随后进行二维码图标的获取和识别。
S3：对嵌套二维码进行解码：识别装置移动到能够识别外层编码的区域，基于识别到的信息，调整识别装置的位置和姿态，并向嵌套二维码移动，直到解码过程结束。
进一步，步骤S1中，首先是对嵌套二维码的编码设计，针对动态识别距离的变换，以及识别精度的要求，可构建多层嵌套二维码，确保识别距离动态改变的过程中至少有一个二维码图标在摄像机的视野下。具体包括以下步骤：
步骤1，嵌套二维码图标包括大尺寸的外层图标和小尺寸的内层图标，二维码图标采用AprilTag作为基础二维码来进行嵌套。
步骤2，对与嵌套二维码图标中的不同大小的二维码的尺寸进行设计，根据识别装置的识别精度，识别装置的识别范围，以及工作环境的识别距离，确定图标的尺寸。步骤2，具体包括：
(1)在设计过程中约定，二维码中的每个小方格区域中的像素超过一半为白色，则认为整个小方格是白色，同理小方格区域中的像素超过一半是黑色的则认为整个小方格是黑色，根据这些黑白格子组成二维码编码。
(2)为了保证嵌套二维码都能识别，在设计时小尺寸的图标的四分之一的面积要小于大尺寸图标中每个白色格子区域的一半
步骤3，编码生成AprilTag二维码，黑格子表示0，白格子表示1，外层为黑色格子用于边缘检测求取二维码标志的四个顶点坐标，内部区域则包含ID信息，作为有效的二维码标志编码。
步骤4，对内外层二维码图标进行嵌套，使得识别装置在不同距离时能够准确发现所需二维码图标，并能识别二维码获取相应信息。为了避免坐标系间的转换，内层二维码图标嵌套在外层二维码图标的中间，同时为了检测小尺寸的内层二维码图标的四个顶点，大尺寸的外层二维码图标的中间位置编码时设为白色区域。
进一步，步骤S2中，具体的实现步骤如下：
步骤1，对识别装置进行标定，矫正畸变，求解识别装置坐标系标系与世界坐标系之间的转换关系。
步骤2，在求解嵌套二维码算法时，存在一定的误差，需要进行误差补偿，并且采用方法进提高数据精度。步骤2具体包括：
(1)生成嵌套二维码。将确定嵌套二维码ID，根据二维码唯一ID从AprilTag家族中寻找对应二维码，发送给生成器，生成并打印出嵌套二维码。
(2)张贴二维码。将嵌套二维码垂直平整张贴在所编码信息对应的地点。
进一步，步骤S3中，具体包括以下步骤：
(1)第一阶段识别装置视野下只存在大尺寸的外层二维码图标，此时处于目标点远处，小尺寸的内层二维码图标在识别装置成像平面上占用像素过少，无法检测，只能识别外层二维码图标。
(2)第二阶段，识别装置视野下存在两个大小尺寸的二维码图标，随着二维码图标与识别装置之间距离的缩小，内层二维码图标在成像平面所占用像素变多，识别装置能够识别出内层二维码图标，此时外层二维码图标仍在识别装置视野范围下，此时存在两个大小尺寸的二维码图标，该阶段使用加权融合的方法，融合大小二维码图标的信息。
(3)第三阶段，识别装置视野下只存在小尺寸的内层二维码图标，此时识别装置离内层二维码距离较近，外层二维码图标已经超出识别装置视野范围，视野下只有内层二维码图标，此时只能识别内层二维码图标信息。
(4)第四阶段，当识别装置到达预定地点，识别装置解码给出结束信息提示。当识别装置与嵌套二维码距离小于二维码中的最小读码距离时，识别装置给出提示信息。
进一步，在步骤S32中所述的第二阶段，内外层二维码的观察值相互独立，采用无偏估计，通过使估计的均方误差最小从而获取各个二维码定位信息测量值的权值，使用加权融合方法，采用误差补偿和数据平滑处理，针对识别的靠近阶段，融合外层和内层二维码的定位数据。
进一步，所述的误差补偿，本发明设计的嵌套二维码图标，将两个不同尺寸的二维码融合在同一个坐标系中，它们之间并不存在旋转和平移的关系，解算出来的定位信息理论上是相同的，所以两个不同尺寸的二维码图标求解出来的摄像机坐标系与两个不同尺寸的二维码之间的转换关系跟实际值的差都是二维码图标算法的误差，本发明中使用回归分析研究识别装置与二维码的位置信息跟两者距离之间的关系，得到求解用于误差补偿。
进一步，所述的数据平滑处理，因为通过传感器获取信息难免存在噪声，需要经过滤波处理，数据才能真实反映工作状态，提高对控制正确率，本发明中使用中值滤波器，将融合后的位姿信息进行滤波平滑处理。
本发明的有益效果在于：使用嵌套二维码标签通过识别装置做解码处理，克服单一使用二维码定位远距离无法识别二维码信息，近距离无法获取整个二维码图像的问题，该发明识别角度广，识别距离远，位姿特征明显，处理快速，硬件成本低，引导精度高。
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为本发明嵌套二维码布置图案；
图2为本发明工作过程图；
图3为本发明编码流程图；
图4为本发明识别解码流程图。
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。
请参阅图1～图4，本发明所述的提供一种嵌套引导二维码的编码解码方法用于自主移动机器人的引导控制，通过设计嵌套的AprilTag二维码图标，确定不同距离下的二维码图标的特征信息，得到不同的引导点，之后根据引导点在世界坐标系下的坐标与图标上点的对应关系，解析获得二维码位姿，通过使用嵌套的二维码图标引导，保证识别装置在不同的距离均可得到准确的引导控制，提高了机器人自主导航的精度与准确性。
本发明主要用于自主移动机器人的引导定位控制，本例选用基于机器人操作系统(Robot Operation System,ROS)控制的自主移动机器人。
作为本发明一优选实例，主要包括以下步骤：
步骤1，生成嵌套的二维码图标，图标包括大尺寸的外层二维码和小尺寸的内层二维码，二维码图标采用AprilTag作为目标二维码来进行嵌套。
步骤11，设计不同二维码图标的尺寸大小，对与嵌套图标中的不同大小的图标的尺寸，本发明视觉传感器选用深度相机，根据相机的识别精度，相机的视野范围，以及工作环境的识别距离，确定二维码图标的尺寸。二维码中的每个小方格区域中的黑色像素sdi等于或大于格子面积Sd的一半，则认为整个小方格是黑色，编码值di为1，同理小方格区域中的黑色像素sdi小于格子面积Sd的一半则认为整个小方格是黑色，编码值di为0，根据这些黑白格子组成二维码编码。
Figure BDA0003101375970000051
内层二维码总面积Sin的四分之一要小于外层二维码图标中每个白色格子区域面积
Figure BDA0003101375970000052
的一半，本例中内层二维码内嵌于外层二维码中心白色格子处。
Figure BDA0003101375970000053
步骤12，生成嵌套April Tag二维码图标，并张贴在指定地点，根据工作区域内引导目标点的数量对目标点进行编号，一目标点二维码图标由外层和内层二维码嵌套而成，外层二维码用于远距离引导定位，内层二维码用于近距离引导定位，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。
对每一个生成的二维码标签根据张贴地点进行编号，并建立地图坐标对应图标库存放在移动机器人系统中，对每一地点采用子标签编号，用于区分同一地点不同大小的图标用于后续识别解码时的对比。
步骤2，移动机器人完成地图的创建，机器人首先需要创建增量式地图，实现机器人的自主定位和导航。
步骤3，对图像识别装置进行标定。
步骤31，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。
步骤32，采用棋盘格标定法，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。
步骤33，加载相机标定文件。
步骤4，移动机器人自主移动到指定二维码图标识别区域，识别二维码图标信息，开启二维码引导控制，逐步移动到二维码指定区域。
步骤41，第一阶段摄像机视野下只存在大尺寸的外层二维码图标，此时机器人处于目标点远处，小尺寸的内层二维码图标在摄像机成像平面上占用像素过少，无法检测，只能识别外层二维码图标，由外层二维码进行引导靠近。
步骤42，第二阶段，摄像机视野下存在两个大小尺寸的二维码图标，随着图标与摄像机之间距离的缩小，内层二维码图标在相机成像平面所占用像素变多，相机能够识别出小尺寸的内层二维码图标，此时外层二维码图标仍在相机视野范围下，此时存在两个大小尺寸的二维码图标，该阶段使用加权融合的方法，融合内外层二维码的信息，继续进行引导。
步骤43，第三阶段，相机视野下只存在小尺寸的内层二维码图标，此时移动机器人离目的点距离较近，外层二维码图标已经超出相机视野范围，相机视野下只有小尺寸的内层二维码图标，此时只能识别内层二维码，由内层二维码标进行引导移动到目的区域。
最终到达内层二维码引导的目标区域后，引导过程停止。
引导过程停止可以采用传送报文的方法结束。也可以在深度相机丢失定位标签后，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 (7)

1.一种嵌套引导二维码的编码解码方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：构建嵌套二维码：采用AprilTag作为嵌套二维码基础码，将两个或多个不同尺寸的二维码图标进行嵌套，确保在识别距离动态改变过程中至少有一个二维码可被识别；
S2：部署嵌套二维码；
S3：对嵌套二维码进行解码：识别装置移动到能够识别外层编码的区域，基于识别到的信息，调整识别装置的位置和姿态，并向嵌套二维码移动，直到解码过程结束。
2.根据权利要求1所述的嵌套引导二维码的编码解码方法，其特征在于：步骤S1中，具体包括以下步骤：
S11：据识别装置的识别精度，识别装置的视野范围，以及工作环境的识别距离，确定外层二维码的尺寸；
S12：编码生成多层AprilTag二维码，所述AprilTag二维码的外围区域为用于边缘检测求取二维码标志的四个顶点坐标的黑色格子，内部区域则包含ID信息，作为有效的二维码编码，中心区域设为嵌套区域，所述嵌套区域为白色；
S13：将内层二维码嵌套在外层二维码的嵌套区域中，内层二维码的面积的四分之一小于外层二维码中每个白色格子区域的一半。
3.根据权利要求1所述的嵌套引导二维码的编码解码方法，其特征在于：步骤S2中，具体包括以下步骤：
S21：对识别装置进行标定，矫正畸变，求解识别装置坐标系标系与世界坐标系之间的转换关系；
S22：确定嵌套二维码ID，根据二维码唯一ID从AprilTag家族中寻找对应二维码，发送给生成器，生成并打印出嵌套二维码；
S23：将嵌套二维码垂直平整张贴在所编码信息对应的地点。
4.根据权利要求1所述的嵌套引导二维码的编码解码方法，其特征在于：步骤S3中，具体包括以下步骤：
S31：第一阶段，识别装置处于目标点远处，视野下只能识别外层二维码；
S32：第二阶段，识别装置靠近嵌套二维码过程中，视野下能识别两层二维码，使用加权融合的方法，融合两层二维码的信息；
S33：第三阶段，识别装置处于目标点近处，视野下只能识别内层二维码；
S34：第四阶段，识别装置到达目标点，识别装置解码给出结束信息提示。
5.根据权利要求4所述的嵌套引导二维码的编码解码方法，其特征在于：在步骤S32中所述的第二阶段，内外层二维码的观察值相互独立，采用无偏估计，通过使估计的均方误差最小从而获取各个二维码定位信息测量值的权值，使用加权融合方法，采用误差补偿和数据平滑处理，针对识别的靠近阶段，融合外层和内层二维码的定位数据。
6.根据权利要求4所述的嵌套引导二维码的编码解码方法，其特征在于：所述误差补偿为：使用回归分析研究识别装置与二维码的位置信息跟两者距离之间的关系，得到求解用于误差补偿。
7.根据权利要求5所述的嵌套引导二维码的编码解码方法，其特征在于：所述数据平滑处理为使用中值滤波器，将融合后的位姿信息进行滤波平滑处理。
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