CN115056264A - 一种辅助双角钢轨道巡检机器人精准定位的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辅助双角钢轨道巡检机器人精准定位的系统和方法，主要涉及轨道机器人定位技术领域；包括安装在相邻两段双角钢轨道之间的轨道连接件上的RFID标签、设置在双角钢轨道的内侧用于视觉检测轨道巡检机器人相对位置的特征标识、安装在轨道巡检机器人上的RFID读写器、安装在轨道巡检机器人上的电机和编码器、安装在轨道巡检机器人上的微处理器和适用于近景成像的定焦相机，所述定焦相机用于拍摄轨道巡检机器人所在位置的特征标识；本发明能解决输送机巡检机器人在复杂环境的应用场景中的定位精度不足的问题，形成了一套低成本、高实时性且高精度的定位系统，另一方面还具有抗灰尘干扰、抗环境光干扰的特点。

Description

一种辅助双角钢轨道巡检机器人精准定位的系统和方法

技术领域

本发明涉及轨道机器人定位技术领域，具体是一种辅助双角钢轨道巡检机器人精准定位的系统和方法。

背景技术

在工业场景中，轨道式机器人行进过程因机械振动环境影响，常常很难平稳，为了保证视觉检测类应用的效果，常常是采取定点检测的方式，为保证检测目标的视觉成像质量和检测结果的准确性，将需求机器人具有较高的定位精度，特别对于检测尺寸较小的目标，将需求更高的定位精度。机器人常采用红外和激光测距等高精度定位方法，但是在工业场景中常存在灰尘、颗粒、环境变化等影响因素，这类定位方法不适合应用。

目前，在工业领域，轨道式机器人常采用的是受环境影响较小的RFID结合电机里程计的定位方法，最多可以实现厘米级的定位精度，而在读取不到RFID标签的区域，如果轨道面还存在污损的情况，则容易造成机器人主动轮打滑现象，仅仅依赖电机里程计，定位精度更难有保证。为优化这类问题，基于计算机视觉测距辅助定位是很好的解决思路，而双目视觉仅仅是依赖环境原有的特征，并不能总是很容易提取特征，因此很难保证测距稳定性，更难保证测距精度；而深度相机和红外、激光测距类似，又容易受环境影响，且计算量大需要高性能处理器支持；因此，现有的定位系统应用到环境较恶劣的工业场景的轨道式机器人上时，很难实现好于厘米级的定位精度。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种可应用于工业环境中辅助双角钢轨道巡检机器人精准定位的系统和方法，能解决输送机巡检机器人在复杂环境的应用场景中的定位精度不足的问题，形成了一套低成本、高实时性且高精度的定位系统，另一方面还具有抗灰尘干扰、抗环境光干扰的特点。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

一种辅助双角钢轨道巡检机器人精准定位的系统，包括安装在相邻两段双角钢轨道之间的轨道连接件上的RFID标签、设置在双角钢轨道的内侧用于视觉检测轨道巡检机器人相对位置的特征标识、安装在轨道巡检机器人上的RFID读写器、安装在轨道巡检机器人上的电机和编码器、安装在轨道巡检机器人上的微处理器和适用于近景成像的定焦相机，所述RFID标签用于记录每段双角钢轨道的起止里程，所述特征标识为沿着双角钢轨道的内侧面矩形中具有已知物理尺寸并与轨道长度之间存在函数关系的图案，所述RFID读写器用于读取RFID标签所记载的信息，所述定焦相机用于拍摄轨道巡检机器人所在位置的特征标识。

优选的，所述特征标识分为适用于平直轨道的第一标识和适用于非平直轨道的第二标识。

优选的，所述第一标识为沿着双角钢轨道的内侧面矩形对角线划分的两个三角形，其中一个三角形的填充色为黑色，另外一个三角形的填充色为白色。

优选的，所述第二标识由多组不同的栅格矩形框沿着双角钢轨道的内侧面等间隔分布组成，栅格矩形框的不同点在于栅格的数量，在双角钢轨道的内侧面上，栅格矩形框的骨架填充为黑色，其它区域填充为白色。

优选的，在所述双角钢轨道的两个内侧面上均设有特征标识。

一种辅助双角钢轨道巡检机器人精准定位的系统的定位方法，包括步骤：

S1、向每个RFID标签中写入每段双角钢轨道的起止里程；

S2、轨道巡检机器人在行驶过程中，利用编码器实时获取电机里程计；

S3、轨道巡检机器人在行驶过程中，先由RFID读写器读取RFID标签中记录的该段双角钢轨道的起止里程，用于对电机里程计进行校准；

S4、再由定焦相机拍摄第一标识或第二标识，获得轨道巡检机器人距该段双角钢轨道起点的距离，即获得轨道巡检机器人距轨道起点的距离。

对比现有技术，本发明的有益效果在于：

1、本发明旨在解决输送机的巡检机器人在复杂环境的应用场景中的定位精度不足的问题，结合巡检机器人自身的RFID定位、编码器、定焦相机、双角钢轨道及轨道上刻印的特征标识，形成了一套低成本、高实时性且高精度的定位系统，另一方面还具有抗灰尘干扰、抗环境光干扰的特点。

2、本发明采用RFID和里程计定位方法辅助，在轨道巡检机器人行驶轨道上构造一种与里程有映射关系的标记，仅采用用单目视觉即可实现高精度的视觉里程计功能，能够很好的解决轨道巡检机器人因打滑或轮径变化造成的里程误差问题，使机器人定位精度优于厘米级，有助于提高轨道巡检机器人的视觉检测精度，减少误识别。

附图说明

图1是本发明的辅助双角钢轨道巡检机器人精准定位的系统的结构示意图；

图2是轨道连接件的连接结构示意图；

图3是双角钢轨道的内侧面的结构示意图；

图4是第一标识的成像图；

图5是第二标识的示意图；

附图中标号：1、双角钢轨道；2、轨道连接件；3、RFID标签；4、第一标识；5、轨道巡检机器人；6、RFID读写器；7、定焦相机；8、第二标识。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

实施例：本发明是基于RFID和里程计定位方法的一种高精度改良，结合实际应用条件，致力于提供一种全新的高精度双轨道巡检机器人定位系统。考虑双角钢轨道可以用一面水平一面垂直、开口向下、轴对称安装的方式，角钢开口内侧面将有很好的防尘、防磨损条件，且具有构造用于视觉识别的特征标识的条件，因此，可以用RFID和里程计定位方法辅助，在机器人行驶轨道上构造一种与里程有映射关系的标记，仅用单目视觉即可实现高精度的视觉里程计功能。可很好的解决机器人因打滑或轮径变化造成的里程误差问题，使机器人定位精度优于厘米级，有助于提高机器人的视觉检测精度，减少误识别。

如附图1-5所示，本发明所述是一种辅助双角钢轨道巡检机器人精准定位的系统和方法，该系统包括应用于带式输送机托辊检测的轨道巡检机器人5、安装在相邻两段双角钢轨道1之间的轨道连接件2上的RFID标签3、设置在双角钢轨道1的内侧用于视觉检测的第一标识4、安装在轨道巡检机器人5上的RFID读写器6、安装在轨道巡检机器人5上的电机和编码器、安装在轨道巡检机器人5上的微处理器和适用于近景成像的定焦相机7，具体的：

如附图1，机器人运行轨道使用国标4#角钢的双角钢轨道1，双轨间距300毫米，一段平直实施双角钢轨道1长3米，两段双角钢轨道1之间采用轨道连接件2连接(如附图2)，连接间隙不超过2mm；每个轨道连接件2上均安装RFID标签3，用于记录每段轨道的起止里程。

如附图3，机器人运行轨道内侧印刷了用于视觉检测的第一标识4，第一标识4为延轨道侧面矩形对角线划分的两个不同填充色的三角形，填充色优选为黑色和白色；轨道上某位置点与起始点的距离d与该位置特征标识的黑白物理长度比值s是一一对应的；且理论上存在函数关系d＝f(s)。

轨道巡检机器人5上配置了适用于近景成像的定焦相机7，分辨率最大可支持1080p，水平视场角为90°，定焦相机7安装于轨道巡检机器人5前端对称中心上；还配置了直流电机和编码器，根据主动轮齿轮、电机齿轮、编码器齿轮之间的齿轮比和主动轮周长，即可实时获取电机里程计，但并不能严格反应轨道巡检机器人5的位移里程；还配置了超高频RFID读写器6，读取距离小于5cm，用于校准电机里程计反应的轨道巡检机器人5位移里程的误差，但由于读取距离存在厘米级误差，因此校准里程也只能达到厘米级精度。

进一步的，如附图4，距离定焦相机7大于150mm的第一标识4可清晰成像；在平直轨道上，轨道特征标识面与轨道巡检机器人上的定焦相机7的相对位姿几乎是恒定的，即第一标识4所在平面的成像区域几乎是恒定的，那么，特征标识4中的某处特征对应的里程即为轨道巡检机器人当前里程。

进一步的，第一标识4的黑白物理长度比值s在定焦相机7成像中的黑白像素大小比值为s’，根据图像像素坐标系与物理坐标系的坐标变换关系，对于定焦相机7，内参矩阵为K，则像素特征s’与物理特征s的关系为s’＝K*s，则轨道上某位置点与起始点的距离与像素特征的函数关系为d＝f(inv(K)*s’)。定焦相机7内参标定精度优于毫米级，则根据图像特征获得的里程精度也可以达到毫米级。

进一步的，上述的图像识别及定位方法计算量小，轨道巡检机器人5仅配置了微处理器RK3399，视觉定位帧率可达到25FPS。

进一步的，双角钢轨道1的双轨上具有相同的第一标识4，轨道巡检机器人5同时识别双轨上的第一标识4，可一定程度上避免污损或环境光干扰。

进一步的，为弥补视觉定位的低采样率，以及为避免视觉识别的不确定因素干扰，导致识别结果错误，视觉里程计将与机器人里程计融合，保证里程的即时稳定测量。

对于实际情形，现场使用的轨道通常存在有一定弧度的弯轨，另外轨道巡检机器人5行进过程不能百分百的保证行进方向与轨道平行，也就是安装在轨道巡检机器人5上的定焦相机7成像，并不能总是保证外参(轨道巡检机器人5与标识平面的相对位姿)不变；因此，构造可实时计算外参的第二标识8；第二标识8也是一种特征标识，如图5，所述第二标识8由多组不同的栅格矩形框沿着双角钢轨道1的内侧面等间隔分布组成，栅格矩形框的不同点在于栅格的数量，在双角钢轨道1的内侧面上，栅格矩形框的骨架填充为黑色，其它区域填充为白色。

第二标识8具有以下特点：整体图案只存在两种对比度明显的颜色，容易做角点提取；标识特征有规律，具有可识别性、易构造的特点；因轨道巡检机器人5的定焦相机7的观测方向几乎相同，标识不用考虑方向，结构简单；高精度物理尺寸。

进一步的，已知特征标识的四个角点相对轨道原点的实际物理坐标、特征标识在图像中的像素坐标、定焦相机7的内参矩阵、定焦相机7的畸变参数矩阵，计算定焦相机7与特征标识之间的外参是典型的PnP相机位姿估计(perspective n point，n点透视)问题，进一步可求得定焦相机7相对轨道原点的实际物理坐标。

进一步的，在3米长的双角钢轨道段上设计了6个第二标识8，每个第二标识8的外框长度为450mm，两第二标识8间的空白长度为50mm，定焦相机7视野中总是至少包含1个完整的特征标识，保证第二标识8识别的连续性，从而实现轨道巡检机器人5的实时定位；而且并没有明显增加特征提取的难度和定位的计算量，视觉定位帧率仍然可以达到20FPS。

Claims (6)

1.一种辅助双角钢轨道巡检机器人精准定位的系统，其特征在于：包括安装在相邻两段双角钢轨道(1)之间的轨道连接件(2)上的RFID标签(3)、设置在双角钢轨道(1)的内侧用于视觉检测轨道巡检机器人(5)相对位置的特征标识、安装在轨道巡检机器人(5)上的RFID读写器(6)、安装在轨道巡检机器人(5)上的电机和编码器、安装在轨道巡检机器人(5)上的微处理器和适用于近景成像的定焦相机(7)，所述RFID标签(3)用于记录每段双角钢轨道(1)的起止里程，所述特征标识为沿着双角钢轨道(1)的内侧面矩形中具有已知物理尺寸并与轨道长度之间存在函数关系的图案，所述RFID读写器(6)用于读取RFID标签(3)所记载的信息，所述定焦相机(7)用于拍摄轨道巡检机器人(5)所在位置的特征标识。

2.根据权利要求1所述的一种辅助双角钢轨道巡检机器人精准定位的系统，其特征在于：所述特征标识分为适用于平直轨道的第一标识(4)和适用于非平直轨道的第二标识(8)。

3.根据权利要求2所述的一种辅助双角钢轨道巡检机器人精准定位的系统，其特征在于：所述第一标识(4)为沿着双角钢轨道(1)的内侧面矩形对角线划分的两个三角形，其中一个三角形的填充色为黑色，另外一个三角形的填充色为白色。

4.根据权利要求2所述的一种辅助双角钢轨道巡检机器人精准定位的系统，其特征在于：所述第二标识(8)由多组不同的栅格矩形框沿着双角钢轨道(1)的内侧面等间隔分布组成，栅格矩形框的不同点在于栅格的数量，在双角钢轨道(1)的内侧面上，栅格矩形框的骨架填充为黑色，其它区域填充为白色。

5.根据权利要求1所述的一种辅助双角钢轨道巡检机器人精准定位的系统，其特征在于：在所述双角钢轨道(1)的两个内侧面上均设有特征标识。

6.一种权利要求1-5任一项所述的一种辅助双角钢轨道巡检机器人精准定位的系统的定位方法，其特征在于，包括步骤：

S1、向每个RFID标签(3)中写入每段双角钢轨道(1)的起止里程；

S2、轨道巡检机器人(5)在行驶过程中，利用编码器实时获取电机里程计；

S3、轨道巡检机器人(5)在行驶过程中，先由RFID读写器(6)读取RFID标签(3)中记录的该段双角钢轨道(1)的起止里程，用于对电机里程计进行校准；

S4、再由定焦相机(7)拍摄第一标识(4)或第二标识(8)，获得轨道巡检机器人(5)距该段双角钢轨道(1)起点的距离，即获得轨道巡检机器人(5)距轨道起点的距离。

Images