CN1707223A

CN1707223A - 基于条形码的室内移动机器人定位系统和方法

Info

Publication number: CN1707223A
Application number: CN 200410059618
Authority: CN
Inventors: 杨建华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-06-12
Filing date: 2004-06-12
Publication date: 2005-12-14

Abstract

本发明公开了一种基于条形码的室内移动机器人定位系统和方法，包括设置于移动机器人上的条码扫描装置、译码器、电子地图映射表以及置于室内环境中的至少一个条码标签；条码标签上印制了若干个以一定规则编排的定长条码，译码器对扫描信息进行截取、拼接、译码、查表、计算，以较低的实施成本获取高精度的定位数据。

Description

基于条形码的室内移动机器人定位系统和方法

技术领域

总体上讲，本发明涉及移动机器人的导航定位，更具体地讲，本发明涉及一种利用条码技术进行室内移动机器人定位的系统和方法，尤指具有清洁、保安功能的家用机器人的定位导航。

背景技术

室内环境中的移动机器人定位导航技术具有定位精度要求高、环境复杂的特点，因而GPS系统不适用，测量地磁的电子罗盘也由于杂散磁场干扰而无法可靠工作。以家用清洁机器人为例，要实现整个居室内的遍历清洁作业以及自动与充电部件准确对接的功能，其定位精度应该在厘米甚至毫米级。

室内移动机器人定位的最典型的方法是测距法。测距法也叫做推算定位法。利用两个轮子加装的编码器测出的微小位移，计算出移动机器人的位置和姿态的变化量，通过累加实现移动机器人的自定位。测距法方法仅使用移动机器人中所生成的信息，无需来自一个外部源的附加信息的输入，在一段相当短的距离上，测距法方法拥有很高的精度，而且较为便宜。然而，测距法方法也有不足之处：由于它通过一种积分方法计算移动机器人的位置与方向，所以对于移动机器人的行走距离来说，积累了测量误差。而且由于轮子滑动所导致的误差不能得以校正，而是随时间而积累，从而进一步导致定位精度的降低。

中国发明专利第02150239.0号提供了关于推算定位的改良方案：利用多个轮子的编码器实现信息冗余，通过多传感器信息融合技术进行推算定位，定位精度的提高是以增加机构复杂度、增大控制单元的数学运算量为代价的。

韩国专利第2002-19039号公布了一种使用射频标识卡(RFID)和RFID阅读器的方法。在这种方法中，一系列RFID卡，每一个具有赋予其唯一的位置信息，放置在移动机器人工作区的场地中。移动机器人在工作区的场地上移动的同时，凭借RFID阅读器，通过检测一个相应的RFID卡，获得一个相应的唯一号码，并针对相应于唯一号码的RFID坐标值搜寻参照表，从而可识别移动机器人的当前位置。RFID卡的分布密度决定移动机器人定位的精度。但是RFID的分布密度过高，从RFID卡所输出的RFID信号之间的相互干扰，可能会读取多个卡号，导致无法定位。

韩国专利第2002-32714号公布了基于上述方案的改进方法：采用推算定位与RFID定位结合的方法，减少RFID卡的分布密度的同时保证定位精度，用RFID的定位信息修正航位推算的累积误差。由于RFID阅读器的有效读取范围在几个至几十个厘米内，具体取决于射频的发射功率、读取角度、位置以及杂散电磁波的干扰等诸多不确定因素的影响，因此其定位精度很难达到厘米级。

中国发明专利第02105980.2号、第02105988.8号、第03136285.0号等一系列专利公布了用于吸尘机器人的视觉定位方案：通过一个垂直设置的摄像机获取天花板的图像信息，利用图像分析、对比技术判定机器人的位置，实现整个居室内的遍历清洁作业以及自动与充电部件准确对接的功能。而图像分析需要强大的数据运算能力以及大容量存储介质，远非一般的嵌入式系统所能胜任，大大增加了实施成本；而且视觉定位的精度无法实现高效率的机器人自动与充电部件准确对接功能，还要借助于其他的传感器，并且很难保证一次对接成功。

发明内容

针对上述情况，本发明旨在提供一种室内移动机器人的定位系统和方法，通过该定位系统和方法，可以满足室内移动机器人的导航定位要求，实现特定作业及高效率、准确的自动充电对接功能。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于条形码定位的技术方案：定位系统包括设置于移动机器人上的条码扫描装置、译码器、电子地图映射表以及置于室内环境中的至少一个条码标签；条码标签上连续印制了若干个定长条码，相邻条码以一个空白区间隔，每个条码的数据字符分为两部分：相同数据字符表示的绝对地址码，可代表该条码标签；按照一定规则编排的数据字符表示的位置偏移码，可代表该条码在条码标签上的位置，该编排规则可采用依次顺序递加的数字码或直接代表条码在标签上实际位置的数字码；电子地图映射表位于移动机器人控制系统的存储单元，内含所有绝对地址码及其所代表的条码标签在室内环境中的实际地理位置，其内还包括一个2位的条码标签方向状态字，代表标签的设置方向，被用于条码相对位置数据叠加到标签位置数据上时，确定叠加坐标轴及符号；译码器通过对绝对地址码和位置偏移码的译码、鉴别、分离、查表、运算系列操作，可获取所读取条码所处的室内地理位置。

译码器可鉴别条码扫描装置所读取的条码信息中第一个出现的空白区，利用相邻条码的绝对地址码相同、位置偏移码规律编排的特点，通过对第一个空白区左右两侧的数据信息的拼接而获取一个完整的条码数据；或者条码扫描装置的扫描宽度不小于两个完整条码单元的长度，以保证至少扫描到一个完整条码。译码器可通过确定第一个空白区或一个完整条码在整个扫描区间的位置，推算出条码扫描装置相对于所识读条码的位置偏移量。通过绝对地址码得到的条码标签在室内环境中的地理位置数据、通过位置偏移码得到的条码在条码标签上的位置数据、以及条码识读装置相对于所识读条码的位置偏移量，这三个数据叠加，便可以得到高精度的移动机器人在室内环境中的地理位置信息。其精度取决于组成条码字符的单元(窄条、窄空或模块)的宽度，这个宽度一般在0.2-0.5MM的范围内，因此基于条形码的室内移动机器人定位系统的定位精度很容易做到毫米级。

条形码的码制可选用EAN码、交叉25码、39码或自定义的编码。基于条形码的室内移动机器人定位系统可与采用轮式编码器等的推算定位法结合，基于条形码的室内移动机器人定位系统所获取的定位信息用于校正推算定位法获取的定位数据，以减少推算定位法的累积误差，减少条码标签在室内环境中的分布密度。

本发明所提供的室内移动机器人定位系统与方法采用了成熟而应用广泛的条形码技术，实施成本低于RFID定位及视觉定位，对控制系统的要求很低，常规的单片机系统即可胜任，非常适用于家用机器人产品的导航定位。较常规的条形码应用系统不同，本发明中的条形码应用于封闭的单一的环境中，使条码从常规的物品识别领域转向了导航定位领域，通过条码数据的组合、编排以及专用的译码流程，解决了不完整条码的译码问题，提高了定位精度。

附图简述

参照附图，通过对本发明的优选实施例进行描述，本发明的上述目的和特性将变得更加清楚，其中：

图1a为一个标准EAN-8条码符号构成示意图；

图1b为置于室内环境中，用于确定其所在的地理位置的条码标签结构示意图

图1c为采用EAN-8条码组成的条码标签(a)；

图1d为采用EAN-8条码组成的条码标签(b)；

图2a为采用EAN码字符集，自定义条码结构的条码构成示意图；

图2b为采用交叉25码的条码标签；

图2c为采用39码的条码标签；

图3为基于条形码的室内移动机器人定位系统方框图；

图4a为条码扫描位置示意图，扫描宽度大于两个条码长度；

图4b为条码扫描位置示意图，扫描宽度介于1-2个条码长度之间；

图5为条码扫描脉冲序列拼接过程示意图；

图6为译码器的译码流程图。

具体实施方式

下面将参照附图，根据本发明的优选实施例详细的讲述基于条形码的室内移动机器人定位系统和方法。

条形码是由宽度不同、反射率不同的条和空，按照一定的编码规则(码制)编制成的，用以表达一组数字或字母符号信息的图形标识符。常用的码制有EAN码、交叉25码、39码等，一个条码一般包括空白区、启始符、中止符、分割符和数据符等几部分，如图1a所示的一个标准EAN-8条码符号结构。图1b为置于室内环境中，用于确定其所在的地理位置的条码标签结构示意图，图1b中，条码标签(1)上印制了一排共n各条码，条码之间间隔一个空白区(2)，每个条码的数据码分为两部分：绝对地址码(3)和位置偏移码(4)。图1c为采用EAN-8条码组成的条码标签(a)，一个条码标签包括5个条码，每个条码的左侧4位数据符代表绝对地址码，每个标签具有唯一的绝对地址码，图中的绝对地址码为0001；每个条码右侧的前3位数据符是位置偏移码，图中采用顺序编号001-005，第4位是依据特定算法产生的校验码。读取条码标签上的任一个条码(如00010023)，便可依据条码中的绝对地址码(0001)，查询电子地图映射表而获得条码标签的地理位置，依据位置偏移码(002)可计算出该条码在标签中的相对位置，两个数据叠加即可得到该条码在室内环境中的实际地理位置。

印制在标签上的条码结构、尺寸一旦确定，其相对于标签的位置也就确定，因此位置偏移码可直接用数字码代表条码在标签上实际位置，如图1d所示采用EAN-8条码组成的条码标签(b)。图中，一个条码标签包括5个条码，每个条码的左侧4位数据符代表位置偏移码，其数据直接代表条码在标签上实际位置，在示例中，条码的总长度为27.5mm，5个条码的相对位置依次为0000，0275，0550，0825，1100。每个条码右侧的前3位数据符是绝对地址码，每个标签具有唯一的绝对地址码，图中的绝对地址码为123，第4位是依据特定算法产生的校验码。读取条码标签上的任一个条码(如08251237)，便可依据条码中的绝对地址码(123)，查询电子地图映射表而获得条码标签的地理位置，与位置偏移码(0825)叠加即可得到该条码在室内环境中的实际地理位置。

本发明中，条形码应用于一个相对封闭的系统，可以自定义码制、编码规则、条码结构等，以适应应用需求。图2a为采用EAN码字符集，自定义条码结构的条码符号构成示意图，条码组成一次为：空白区、3位C子集字符组成的绝对地址码、分隔符、2位A子集字符构成的位置偏移码、1位A子集字符校验码、空白区，分隔符为101。图2b为采用交叉25码的条码标签，数据字符长度为6位，其中由条表示的3个奇数位代表绝对地址码(如图中的001)，由空表示的3个偶数位代表位置偏移码(如图中的001-005)。图2c为采用39码的条码标签，条码组成为：“*”+2字符的绝对地址码+1字符的位置偏移码+“*”，“*”作为起始符和终止符，有效字符集取0-9十个数字符和ABCDEF六个字母，采用16进制表示数据，可表示256(FF)个条码标签，每个标签印制16(F)个条码，如图2c所示。

图3为基于条形码的室内移动机器人定位系统方框图，参考图3，机器人具有用于移动机器人机身的驱动单元40，用于检测机器人移动道路上的障碍物的障碍检测单元30，通过航位推算法识别机器人当前位置的编码器推算定位单元20，用于实施清洁、监控等功能的作业单元50，用于对每个单元所需的电源进行存储和充电的电源单元70，由条形码扫描器11、放大整形电路12、译码器13等部分组成的条码识别单元10，其中条形码扫描器11被置于移动机器人的前端，用于控制每个单元的控制器60以及置于室内环境中的条码标签80。图中条码采用如图2c所示结构的3位定长的39码，条码标签上连续印制了16个定长条码81，相邻条码以一个空白区82间隔。电子地图映射表位于移动机器人控制系统的存储单元，内含所有绝对地址码及其所代表的条码标签在室内环境中的实际地理位置，电子地图映射表还包括一个2位的条码标签方向状态字符：00表示条码标签沿X轴正向布置，01表示条码标签沿X轴负向布置，10表示条码标签沿Y轴正向布置，11表示条码标签沿Y轴负向布置。条码标签方向状态字符被用于确定位置偏移码的叠加坐标轴及符号，以11为例，位置偏移码所代表的偏移数值为负，其与绝对地址码所代表坐标值(x，y)的y值叠加，以可获取所读取条码所处的地理位置。下面结合图4及图5具体说明这一定位方法和过程。

机器人在移动过程中，障碍检测单元30检测到前方障碍物，启动条码识别装置，条码扫描器11开始工作，为保证条码扫描器11能获取足够的条码信息，顺利完成译码算法，可采取两种方法：条码扫描器11的有效扫描宽度应大于两个条码的长度，以保证无论从任何位置开始扫描，都会至少有一个完整条码对应的脉冲序列1输出，译码器对两个空白区2之间的脉冲序列译码，获取条码数据。通过对两侧不完整条码脉冲序列3的测量、比较，可以获得条码扫描器11相对于所译条码的位置偏移量，进一步提高定位精度，如图4所示。

获得完整条码信息的第二种方法如图5所示，条码扫描器11有效扫描宽度在1--2个条码长度之间，根据相邻的条码数据绝对地址码相同、位置偏移码累加的特点，译码器首先确定空白区的位置，截取空白区左右两侧最大完整字符数的脉冲序列并译码，以空白区右侧首个字符为首，以空白区左侧末个字符为尾，按照规定的条码长度拼接出完整的条码数据，其过程如图5所示，图5a为条码扫描器相对于条码标签的扫描位置示意图；图5b为图5a所示的全部条码扫描脉冲序列图；图5f为单个字符(E)内部脉冲放大图；图5c为一个扫描宽度内的实际扫描脉冲序列图；图5d为截取空白区左右两侧最大完整字符数后的脉冲序列图；图5e为拼接后的完整条码脉冲序列图。根据空白区在整个扫描脉冲序列中的相对位置，可推算出条码扫描器相对于所译条码的位置偏移量，进一步提高定位精度，其精度可精确到组成条码字符的单元(窄条或模块)宽度。

译码器的译码过程可参照图6，包括条码扫描脉冲信号的读取、测量，完整条码信息的截取、拼接、译码，通过绝对位置码查询电子地图映射标以获取条码标签的地理位置坐标数据，通过位置偏移码获取条码在标签上的相对位置数据，扫描器相对于所扫描条码的位置偏移量的计算，上述三组数据叠加，获得高精度的机器人定位信息。上述译码器功能也可由移动机器人自身的控制系统通过软件完成。

自动充电作业的关键在于移动机器人与充电器上的充电触点准确对接，为此，在充电器上设有条码标签，并在电子地图映射表内设立充电对接的位置信息，将机器人获取的充电器上的条码位置信息与之比对，高效可靠的控制机器人实现充电对接。

Claims

1.一种基于条形码的室内移动机器人定位系统和方法，其特征在于：移动机器人的定位系统包括设置于移动机器人上的条码扫描装置、译码器、电子地图映射表以及置于室内环境中的至少一个条码标签；条码标签上连续印制了若干个定长条码，相邻条码以一个空白区间隔，每个条码的数据字符分为两部分：相同数据字符表示的绝对地址码，可代表该条码标签；按照一定规则编排的数据字符表示的位置偏移码，可代表该条码在条码标签上的位置；电子地图映射表位于移动机器人控制系统的存储单元，内含所有绝对地址码及其所代表的条码标签在室内环境中的实际地理位置，译码器通过对绝对地址码和位置偏移码的译码、鉴别、分离、查表、运算系列操作，可获取所读取条码所处的地理位置。

2.根据权利要求1所述的基于条形码的室内移动机器人定位系统和方法，其特征在于：电子地图映射表内还包括一个2位的条码标签方向状态字，代表标签的设置方向，被用于条码相对位置数据叠加到标签位置数据上时，确定叠加坐标轴及符号。

3.根据权利要求1所述的基于条形码的室内移动机器人定位系统和方法，其特征在于：译码器可鉴别条码扫描装置所读取的条码信息中第一个出现的空白区，利用相邻条码的绝对地址码相同、位置偏移码规律编排的特点，通过对第一个空白区左右两侧的数据信息的拼接而获取一个完整的条码数据。

4.根据权利要求1所述的基于条形码的室内移动机器人定位系统和方法，其特征在于：条码扫描装置的扫描宽度不小于两个完整条码单元的长度，以保证至少扫描到一个完整条码。

5.根据权利要求1、3和4所述的基于条形码的室内移动机器人定位系统和方法，其特征在于：译码器可通过确定第一个空白区或一个完整条码在整个扫描区间的位置，推算出条码扫描装置相对于所识读条码的位置偏移量，通过与条码所处的地理位置信息的数据叠加，便可以得到更高精度的移动机器人在室内环境中的地理位置信息。

6.根据权利要求1所述的基于条形码的室内移动机器人定位系统和方法，其特征在于：条形码的码制可选用EAN码、交叉25码、39码或自定义的编码。

7.根据权利要求1和6所述的基于条形码的室内移动机器人定位系统和方法，其特征在于：同一个条码标签上的位置偏移码的编排规则可采用依次顺序递加的数字码或直接代表条码在标签上实际位置的数字码。

8.根据权利要求1所述的基于条形码的室内移动机器人定位系统和方法，其特征在于：移动机器人的障碍检测单元控制条码扫描装置的启动。

9.根据权利要求1所述的基于条形码的室内移动机器人定位系统和方法，其特征在于：基于条形码的室内移动机器人定位系统可与采用轮式编码器的推算定位法结合，基于条形码的室内移动机器人定位系统所获取的定位信息用于校正推算定位法获取的定位数据，以减少推算定位法的累积误差。