TWI274971B - Mark-assisted positioning system and method - Google Patents

Description

1274971 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 種以標誌'輔助定位之 本發明係闕於一種定位系統及方法，特別是關於 系統及方法。' 【先前技術】 為了提昇科技水平，=現機器自動化的概念，例如生產智慧型機器人、 電子寵物狗等等，首先必&要讓機器人對“移動，，的指令作出回應，並且 能確認其目前所在位置，以符合操作者所料之指示，而如何準確地測知 所在位置，就是定位系統的工作。 定位系統的種類眾多，在軍事、航行、手機等方面有很多應用，而傳 統用於室⑽定位技術主要是以視覺為基礎―based)，以一般的攝 影機獲取機器人前方影像作為判斷的依據，容易被四周非預期的物體干擾 而無法作出正確判斷，因此又發展出以全景攝影機（晒卜directi〇nal camera)取代傳統攝影機的方法，因其具有廣角視野，可以解決前方視野遭 阻擔或干擾的問題。 但以全景影像定位的技術仍然有其無法克服之缺點：例如j. Gaspar，ν·

Winters 與 J· Santos-Victor 在 2000 年 12 月 /$视斤如切以 聰以吼 ν〇1· 16，No. 6 所發表之 “Visi〇n-based navigation and environmental representations with an omni directional camera 中’及E. Menegatti，T· Maeda 與 H. Ishiguro 在 年 Ί 汽 Robotics and Autonomous Systems, H \ss. 4，w· 251 -267 所發表之 “image—based memory for robot navigation using 1274971 properties of the omni-directional images” 均提到全場景匹配 (fu 11 -scene matchi ng)技術係藉由比對周圍場景與預先儲存之場景影像判 斷目前所在位置，雖然可有效利用全景攝影機之優點，但卻要耗費大量記 憶空間；又如 H· Koyasu, J. Miura 與 Y· Shirai 於 2002 年 6 月

Vol· 14，No· 2，pp. 147-156 所發表之 "Recognizing Moving Obstacles for Robot Navigation using Real-time

Omni-directional Stereo Vision” ，及 C· Cauchois， E· Brassart， B· Warhic 與 C· Drocoxxrt 於 2M2 年 Q 汽的 procee(iings fforkshop on 所發表之 “An absolute localization method using a synthetic panoramic image base” 中所述，反射式透鏡投影 (mirror-lens projection)技術係利用3D電腦視覺計算場景的深度資訊， 並與預設儲存之地圖比對以完成定位，其缺點為不適用於人群擁擠或充滿 雜物的工間，如展覽％或圖書館；而三角量測（仕iangUlati〇n)法，如1997 年 ~ 汽 1·Gxxrvit名於 ieee Transactions on Robotics and 脈Oo/7，Vol. 13，No· 2，pp· 251-263 所發表之論文 “Mobile robot localization using landmarks”，及 1995 年 1〇月 γ· Yagi，γ· Nishizawa， 反]L \滅IEEE Transactions on Robotics and Autanati〇njQ\· 11，No· 5，pp. 634 648 中所發表之 “Map—based navigati〇n for a mobile robot with direetiGnal image se麗 eQpis”所述，係量測已知 環境標誌、的水平方位角並與縣建立之環境地圖比對，計算後以獲得本身 相對位置，然而有時候不是所麵境標錢適合作全景影像分析。 6 1274971 ' ' I 一 基於上述習知技術之缺點，本發明即在提出一種容易偵測、易於分析 之標諸輔助定位系統及方法。 【發明内容】〆 ’ 本發明之主要目的♦係在提供一種易於偵測之標誌輔助定位系統及方 去，其係以固定於天花板上的圓形標誌作為定位輔助工具，從各個角度及 ' 方向均可偵測，可避免外物干擾的情形發生。 V. : •本發明之另一目的係在提供一種易於分析之標誌輔助定位系統及方 法，由於經過全景（〇mni—directi〇nal)影像擷取器得到的圓形標誌影像近 似一橢圓形，不易與環境中其他物體的形狀混淆。 本發明之再一目的係在提供一種低誤差的標誌輔助定位系統及方法， 錢__形影像之與_提供精麵定位倾，使計算得到的距 離與實際距離相當接近。 為了達到上述目白勺，本發明之標諸輔助定位系統包括一圓形標諸及一 # 設有全景影像娜器之自動移動裝置，並利用該全景影像擷取器擷取之標 達影像判斷自動移動裝置目前的所在位置。 底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明 之目的、技術内容、特點及其所達成之功效。 • 【實施方式】 * 本發日祕—仙於室㈣動移動裝置的定«統，其特色在於使用圓 形標諸，並將圓形標言志固定於天花板上，再以一設置於自動移動裝置上方、 可觀看删度的全景影像操取器攝取室内影像，藉由比較影像中圓形標誌' 7 1274971 的成相及其實際大小，並經數學運算後，即可得出自動移練置的位置， 其中自動移動裝置可為-清潔機器人、導覽機器人、安全巡邏自動車等等， 並可接受操作者指令移動。 第-圖為本發明之定位系統架構示意圖，其中天花板ι〇上有一圓形標 諸12 ’作為定位輔助工具’由於圓形標諸12具有對稱性，從各個角度及方 向均可被制到，可避免觀測死㈣發生，而自動移練置14具有一升降 桿16，升降桿16上方裝設有-全景影像操取器18，可攝取自動移動裝置 14週遭刻度的影像，且藉由調整升降桿16的伸縮可改變全景影賴取器 18的高度，以繞過遮蔽物，避免攝取的圓形標誌影像受到遮蔽。 當操作者給予移動的指令之後，自動移動裝置14可藉由定位系統得知 已移動了多少距離，其所在位置是否與預定目的地相同，而該定位步驟係 如第二圖之流程圖所示，並請同時參考第_圖之系統架構示意圖。首先步 驟S10先在天}匕板1〇上没置一圓形標諸12，步驟§12以全景影像操取器 18攝取移動前之第一觀察點上方圓形標誌12的影像，由於圓形投射於曲面 上的形狀會近似一橢圓形，該圓形標誌12經過全景影像擷取器18攝取到 的影像也會近似一橢圓形，第三圖即顯示了全景影像擷取器18在不同位置 所攝取到之圓形標誌影像2〇(白色點），均可與一橢圓形（黑色點）重疊，說 明了兩者係完美近似。 接著步驟S14移動自動移動裝置，並於步驟S16攝取移動後之第二觀 察點上方圓形標諸12的影像，步驟S18利用攝取到之標瑞影像進行所在位 置的判斷，第四（a)圖為以全景影像擷取器攝取到之360。影像圖，而第四（b) 1274971 圖為第四⑷圖中標像的放賴，由第四⑷圖中可看出橢卿具有不 易與環境#他物體形狀輯之優點，其長㈣短贼可提供精確的定位 ί 、 " 、, ’該圓形標誌與攝取到之標 細象的關係可表示成第五圖之關係示意圖，從整張影像圖a的中心點％ 到標誌、影像的橢_長♦軸;^及圓形標諸的直徑$可視為等角的相似三 角形’故套用相似三角形之公式⑴即可得到觀察點與圓形縣的距離^ ~~7 Ρ3β , 其中p?||細形銳的餘7^的長度，ρμ·影像絲G的長 度’而以為影像圖中心點24到標言志影像圓心30的距離。觀察點與圓形標 該的水平夾角亦可由三角運算求得，當標諸影像圓心30的座標為（U) 時，該夾角可經由算出。 在分別計算完移動前之第-觀察點、移動或轉向後之第二觀察點與該 圓形標諸之距離及水平夾角後，我們得到第一驗點與圓形標誌、之距離‘ 水平夾角久，第二觀察點與圓形標誌之距離必、接受使用者命令轉向前的 水平夾角0及轉向後之水平夹角么，第六圖為其補關係示意圖，當夾角 衫90時（第六⑷圖），第一觀察點32與第二觀察點％帛的距離D可經 由式(3)計算得出： (3) D^dx cos^ cos2 θ{ -dfTd1 當炎角#90。時（第六⑹圖），第一觀_ 32與第二祕點間％的距離p (4) 1274971 則經由式(4)計算得出： D = di cos^ + cos2 -dfTdl 相對於第一觀察點 不，因此只要記錄 方法得知自動移動 易於分析且低誤差 而自動移魏置接受使用者命令轉向後，第二觀察點34 32之轉角即為广，如第七⑷圖及第七(b)圖所 了移動前第-觀察點32的位置，即可藉由本發明之定位 裝置移動後的所在距心與方心，並具有祕偵測、 之優點。 表一為以本㈣之定㈣統量_的麟㈣實際距離的誤差比較 表，其中自動移動裝置以升降桿將全景影像娜器固定於高丨4公尺的位 置’圓形縣之半徑為2Q公分姻定於2. 9公尺高的天花板上而誤差的 計算方式雜實際距離減去量測距離，紐上實際距離並取絕對值的結 果，其誤差值均在5%以下。 表一 量測距離汐 (公尺） 實際距離 (公尺） 誤差 (%) 0.985 1.000 1.5 1.474 1.500 1.7 1.959 2.000 2.0 2. 440 2. 500 2.4 2.925 3.000 2.5 3.384 3.500 3.3 1274971 --—^- 3. 862 4.000 3.5 4.359 4. 500 3. 1 V 4.859 5.000 2.8 5. 281 5.500 4.0 5. 801 6.000 3.3 6.212 6.500 4.4 表二為改變全景影像擷取器的高度所量測到之距離θ與實際值的誤差 比較表，其中圓形標誌的大小及位置、誤差的計算方式與表一相同。

表二 全景影像擷取 器與圓形標誌 之垂直距離（公 尺） 量測距離厶 (公尺） 實際距離 (公尺） 誤差 (°/〇) 2.5 3.076 3.000 2.5 2.25 3.032 3.000 1.1 2 3.074 3.000 2.5 1.75 3.039 3.000 1.3 1.5 3.051 3.000 1.7 1.25 3.097 3.000 3.2 1 2. 942 3.000 -1.9 由表一及表二之實驗結果可以看出，本發明之標誌輔助定位系統及方 12/4^71 實際應用的準離的量測均可達到相當準麵計算，符合 以上所述係藉由實施例說明本發明之特 能瞭解本恢峨树施，而崎她習Γ術者 所述之申請專利範圍中。 【圖式簡單說明】 第-圖為本發明標f榻助定位系統之架構示意圖。 第一圖為本發明標認輔助定位之流程圖。 第三圖為本發明之全景影像擷取器在不同位置所攝取到之圓形標諸影像示 意圖。 第四（a)圖為本發明以全景影像擷取器攝取到之一％〇。景彡像囷。 第四（b)圖為第四（a)圖中標誌影像的放大圖 第五圖為本發明圓形標Ί志與搁取到之標遠、影像關係示意圖。 第六圖為第一觀察點、第二觀察點與圓形標誌的相對關係示咅圖。 第七圖為第一觀察點、第二觀察點與圓形標誌的相對方向示音圖。 【主要元件符號說明】 1〇天花板 12圓形標誌 14自動移動裝置 16升降桿 1274971 18全景影像擷取器 20標諸影像 22影像圖 * * t 24 影像圖中心點 30橢圓圓心 32第一觀察點 34 第二觀察點

Claims (1)

1274971 +、申請專利範園： L -mm辅助定位系統，包括: 一圓形標誌；以及 自動移動裝置，具有一全景影像擷 景麥俊拇 ^ ° 自動移動裝置可利用該全 影偏//取位於上方之該圓形標諸影像，並利用攝取到之該標誌 〜、斷孩自動移動裝置的所在位置。 2·如申請專利範圍第i項所述之標 胃疋位糸統，其中該圓形標誌係固 疋於天花板上。 &如申請專利細第丨項所述之標_助定位系統，其巾該自動移動裝置 係接受操作者指令移動。 4. =申請專利細第丨顿狀標簡較位祕，其巾關職驗該 全景影像擷取器攝取到之該標諸影像近似一擔圓形。 5. ^申請專利第1項所述之標助定彳線统，其中該全景影像操取 器係裴設於該自動移動裝置之一軸桿上。 6. 如申請專利範圍第5項所述之標助定位祕，其中該軸桿為一升降 桿0 I如申請專利範，1項所述之標簡助定位系統，其中該自動移動裝置 係藉由計算移動前之第-觀察點、移動後之第二觀察點與該_標鼓之 距離及夾角判斷其所在位置。 8.如申請專利範圍第7項所述之標·助定位系統，其中該第二觀察點與 該圓形標諸間之炎角小於或等於90度時，該第一觀察點與該第二觀察 點間的距離[，其中該搞該第一觀察 1274971 點與該圓形標諸之距離，該夕/為該第一觀察點與該圓形標詰之夹角， 該ώ為該第二觀察點與該圓形標諸之距離。 9.如申請專+圍第7項所述之標諸辅助定位系統，其㈣第二觀察點盘 該圓形測之撤於如度時，該第—觀察點與該第二觀察點間的 距離D =ξ，其中該㈣議第一觀察點與該 圓形標諸之距離，該f為該第一觀察點與該圓形標諸之爽角，該祕 該第二觀察點與該圓形標誌之距離。 1〇.如申請專利細第7項所述之麟輔助定位系統，其中該距離係由該搁 取到之標誌 '影像與實際之該圓形標諸作相似三角形運算得出。 U.如申請專利細第7項所述之標·助定㈣統，其中=夾祕由該掘 取到之標誌影像與實際之該圓形標誌作三角運算求得。 12. —種標誌、辅助定位方法，包括下列步驟： 將一圓形標誌固定於天花板上； 以^又於自動移動裝置上之全景影像掏取器攝取位於上方之該圓形標 誌之影像；以及 利用攝取到之該標該影像判斷該自動移動裝置的所在位置。 13·如申π專利範圍第12項所述之標誌、輔助定位方法，其中該自動移動裝 置係接受操作者指令移動。 14. 如申請專利範圍第12項所述之標誌輔助定位方法，其中該攝取到之梯 言志影像近似一贿圓形。 15. 如申請專利範圍第12項所述之標補助定位方法，其中該自動移動裝 15 1274971 置係藉由計算移動前之第一觀察點、移動 7说< 第一觀察點與該圓形標誌 之距離及夾角判斷其所在位置。 16.如申請專利範圍第15項所述之銳輔助定位方法，其中該第二觀察點 相對於該第一觀察點之角度㈣广办其中該師亥第—觀察點無 圓形標誌、之夾角，該^為該第二觀察點與該圓形標狀夹角。 17 如申請專利細第15項所述之輔助定位方法，其中該第二觀察點 與該圓形標關之夾角小於或等於9G度時，該第—觀察點與該第二觀 察點間的距離z)伞吟，其中該咖第一觀 察點與該圓形標總之距離’該a為該第—觀察點與該圓形標諸之炎 角，該必為該第二觀察點與該圓形標誌之距離。 18·如申明專利範圍第15項所述之標誌、輔助定位方法，其中該第二觀察點 與該圓形標諸間之夾角大於90度時，該第一觀察點與該第二觀察點間 的距離D” +体。以丨一dr^，其中該ώ為該第一觀察點與 該圓形標諸之距離，該々為該第一觀察點與該圓形標諸之爽角，該& 為该第二觀察點與該圓形標誌、之距離。 19·如申請專利範圍帛15項所述之標諸輔助定位方法 ，其中該距離係由該 攝取到之標諸影像與實際之該圓形標總作相似三角形運算得出。 20·如申請專利範圍帛15項所述之標諸輔助定位方法，其中該夾角係由該 擷取到之標誌影像與實際之該圓形標誌作三角運算求得。