專利名稱：基于紅外路標的移動機器人定位系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及紅外成像技術領域，具體地涉及移動機器人視覺定位技術領域。
背景技術：
隨著計算機技術、超大規(guī)模集成電路技術、網(wǎng)絡技術、人工智能技術等的飛速發(fā)展，機器人技術也得到了突飛猛進的發(fā)展。機器人的種類越來越多，應用范圍也越來越廣。 2007年，微軟總裁比爾·蓋茨在《科學美國人》雜志中預言機器人將與30年前的個人電腦一樣進入千家萬戶。韓國三星經(jīng)濟研究所曾經(jīng)預測，到2020年，世界機器人市場規(guī)模到將達到1. 4萬億美元，韓國信息與通信部甚至曾訂出2020年每家都有一個機器人的驚人目標。對于智能移動機器人來說，為了能高效地從環(huán)境中穿行并到達目的地，并使它能根據(jù)環(huán)境中己知的一些特征來判斷出它自身的位置，這就是移動機器人的定位問題。機器人要想能在未知環(huán)境中自動行走，定位是最基本的問題。近年來國內(nèi)外許多研究人員使用多種傳感器，對移動機器人的自定位問題進行了深入研究，提出了許多自定位方法。自定位方法包括拓撲表示法、航位推算法、卡爾曼濾波估計、柵格法、概率法、同時定位與制圖法等。用于定位的傳感器包括視覺傳感器、激光、 紅外、超聲、碼盤、陀螺儀、加速度計等。碼盤、陀螺儀、加速度計是用于局部定位的輔助傳感器。紅外、超聲傳感器受精度所限，一般用于緊急避障。激光傳感器成本較高，不適合民用推廣。視覺傳感器獲取的環(huán)境信息最為豐富，發(fā)展空間最大。目前研究人員都側重于機器人的視覺定位研究。移動機器人的視覺定位一般分自然路標和人工路標兩種模式。自然路標是指利用環(huán)境中原有的場景作為標記進行定位導航。雖然自然路標不破壞原有環(huán)境，普適性好，但計算復雜、魯棒性不強、實用性差。人工路標是指人為設計特定的路標安裝在環(huán)境中，人工路標雖然對環(huán)境有所改變，但計算簡單、特征穩(wěn)定、實用性強。目前研究人員所采用的人工路標多是設計特殊顏色信息或者紋理結構信息的圖案，也包括數(shù)字、字母以及二維條碼等。這些圖案一般都是用紙片打印制作，通過環(huán)境光照明使攝像機感光成像，因此容易受環(huán)境光照變化的影響，從而穩(wěn)定性較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為避免上述現(xiàn)有技術所存在的不足之處，提供一種基于紅外路標的移動機器人視覺定位系統(tǒng)和方法，實現(xiàn)針對移動機器人的準確、快速、魯棒的定位。本發(fā)明的基于紅外路標的移動機器人室內(nèi)定位系統(tǒng)包括點陣式主動紅外路標， 貼附于室內(nèi)天花板上，為3X3型點陣式，紅外路標的世界坐標值被預先確定；廣角紅外攝像機，固定在移動機器人身上，用于捕捉紅外圖像，廣角攝像機的內(nèi)參和畸變參數(shù)被預先標定，其初始單應矩陣Htl也被預先確定；計算機單元，用于從廣角紅外攝像機接收所述紅外圖像，并對紅外圖像進行畸變校正及圖像預處理操作，并根據(jù)處理后的紅外圖像來檢測和識別紅外路標，然后利用初始單應矩陣Htl，采用擴展單應矩陣定位方法對移動機器人進行定位計算。本發(fā)明還提供了一種基于紅外路標的移動機器人室內(nèi)定位方法，該方法包括步驟將3X3型的點陣式主動紅外路標帖附于天花板上，確定所有紅外路標的世界坐標值； 將廣角紅外攝像機固定在機器人身上，標定廣角攝像機的內(nèi)參和畸變參數(shù)，計算攝像機的初始單應矩陣H0 ；確定移動機器人的初始位姿；捕捉紅外圖像，并進行畸變校正及圖像預處理操作；檢測并識別紅外路標；利用初始單應矩陣Htl，采用擴展單應矩陣定位方法進行定位計算。本發(fā)明的優(yōu)點如下本發(fā)明提出的紅外路標模式制作簡單，方便圖像檢測、識別以及定位計算；定位算法原理簡單、計算快速、定位準確。本發(fā)明提出的定位系統(tǒng)可用于較大范圍的室內(nèi)場所進行移動機器人的快速、準確、魯棒的定位。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)組成示意圖；圖2為本發(fā)明中的紅外路標示意圖；圖3為本發(fā)明的定位系統(tǒng)的離線工作流程圖；圖4為本發(fā)明的定位系統(tǒng)的在線工作流程圖；圖5為真實mark與虛擬mark之間的平移旋轉關系圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。圖1給出了本發(fā)明的基于紅外路標的移動機器人定位系統(tǒng)的示意圖。參照圖1，該系統(tǒng)包括貼附于室內(nèi)天花板上的、3X3型的點陣式主動紅外路標1 ； 固定在機器人身上的廣角紅外攝像機2 ；用于圖像分析與定位計算的計算機單元3。天花板平面與地面平行，紅外路標1貼附于天花板平面，廣角紅外攝像機2固定在機器人平臺上方，向上拍攝紅外路標，用于圖像分析與定位計算的計算機單元3安置在移動機器人平臺內(nèi)部。紅外路標1的安裝距離需要結合攝像機的視野大小以及攝像機離天花板的高度綜合考慮，以使得攝像機不存在定位死角為準，即攝像機在場景中任何地方至少能拍攝到一個路標，在天花板平面上貼有多個紅外路標1。紅外路標1的點陣由貼片式紅外發(fā)射二極管發(fā)光實現(xiàn)。紅外發(fā)射二極管的發(fā)光波長一般有850nm和940nm兩種，由于CXD對850nm光波的感光度大于940nm的光波，因此選用波長為850nm的紅外發(fā)射二極管。紅外路標1的具體設計模式如圖2所示。3*3的點陣中有兩種點集，外圍面積較大的四點和其余小點。每個路標都有位置相同的四個大點，用于確定路標的子坐標系，即確定出路標點陣的原點和XY坐標軸，另外，該四點在定位算法中用于計算單應矩陣。剩下的5個小點用于計算路標的ID值以區(qū)分每個路標，組合數(shù)為32， 即可以表示32種不同的路標。ID值的計算采用二進制編碼的方式，圖2中給出了每個小點的二進制碼值，ID值范圍為0-31。為了使單個路標覆蓋的定位范圍盡可能的廣、使用的路標數(shù)量盡可能的少，所用攝像機必須有足夠大的視野范圍，因此紅外廣角攝像機采用焦距為2. 8mm或者2. 5mm的大廣角鏡頭。鏡頭前方安裝中心波長為850nm的窄帶通濾波片，從而只對850nm(路標點陣紅外二極管對應的光波波長)的光波進行感光成像。本發(fā)明的基于紅外路標的移動機器人室內(nèi)定位系統(tǒng)的工作過程包括離線過程和在線過程。其中離線過程涉及定位環(huán)境的配置和各種參數(shù)的計算。參照圖3，離線過程包括標定廣角攝像機的內(nèi)參和畸變參數(shù)；確定所有紅外路標的世界坐標值；確定移動機器人的初始位姿；計算攝像機的初始單應矩陣IV參照圖3，離線過程具體包括以下步驟步驟S301，先完成攝像機標定工作，標定廣角攝像機的內(nèi)參和畸變參數(shù)，將攝像機內(nèi)參以及畸變校正的映射矩陣存于相應文檔Tl。步驟S302，制作路標，具體地，采用條形電路板搭成“田，，字型架子，在交叉點處焊接貼片紅外發(fā)射二極管。步驟S303，將路標貼附于天花板平面，將攝像機安裝在移動機器人平臺上方。定位環(huán)境搭建好后，剩下的工作就是建立地圖信息以及測定用于定位計算的參數(shù)，地圖信息主要是記錄各個路標的子坐標系在世界坐標中的位置，通過步驟S304計算出每個路標的世界坐標值，并存入相應文檔T2。每個路標的世界坐標值確定方法如下由于每個路標上都有四個定位點，所以可以利用單應矩陣關系將路標的位置一一確定。路標的世界坐標數(shù)據(jù)存儲在一個文件中，格式為0 1,0 460,0 0,460 0,460 2301 :0，0 0,0 0,0 0,0 02 0,0 0,0 0,0 0,0 0...........................31 0,0 0,0 0,0 0,0 0(1)每行數(shù)據(jù)的格式說明如下路標ID 該路標世界坐標是否確定(是1，否0)，定位點0的世界坐標值(每個坐標之間以空格分隔)，定位點1的世界坐標值(每個坐標之間以空格分隔)，定位點2的世界坐標值(每個坐標之間以空格分隔)，定位點3的世界坐標值(每個坐標之間以空格分隔)。假定選ID為0的路標作為原點路標，即以0號路標的子坐標系作為世界坐標。其它路標的世界坐標計算的過程如下1.檢測出攝像視野中的所有路標，并識別出它們的ID 值。2.從路標世界坐標文檔中搜索識別出來的路標，如果有某個路標的世界坐標已經(jīng)確定 (通過標識判斷)，則利用該路標的四個定位點計算出當前圖像的單應矩陣H。利用H計算出其他未確定世界坐標值的路標的四個定位點坐標，然后將數(shù)據(jù)存入文檔。3.如果視野中的路標都沒有確定，則移動機器人，重新開始第一步。4.當能拍攝到的路標都已經(jīng)確定完后，計算結束。接下來，在步驟S305計算初始單應矩陣Htl，并將計算結果存入Htl文檔T3。初始單應矩陣的確定方法說明如下本發(fā)明采用的基于平面假設的擴展單應矩陣定位方法中，以攝像機坐標系為參照，即單應矩陣不發(fā)生變化，路標產(chǎn)生虛擬位移。后面的定位計算都是針對初始單應矩陣進行的。由于所有路標都統(tǒng)一到世界坐標系下，所以初始單應矩陣可以任選一個路標中的四個點進行計算。單應矩陣的確定方法如下路標中各點的位置與攝像機3成像平面構成的投影關系為平面到平面的射影關系，即單應矩陣變換關系，公式表述如式2所示。
權利要求
1.一種基于紅外路標的移動機器人室內(nèi)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括點陣式主動紅外路標，貼附于室內(nèi)天花板上，為mXm型點陣式，紅外路標的世界坐標值被預先確定，其中m是大于等于3的整數(shù)；廣角紅外攝像機，固定在移動機器人身上，用于捕捉紅外圖像，廣角攝像機的內(nèi)參和畸變參數(shù)被預先標定，其初始單應矩陣H0也被預先確定；計算機單元，用于從廣角紅外攝像機接收所述紅外圖像，并對紅外圖像進行畸變校正及圖像預處理操作，并根據(jù)處理后的紅外圖像來檢測和識別紅外路標，然后利用初始單應矩陣H0,采用擴展單應矩陣定位方法對移動機器人進行定位計算。
2.根據(jù)權利要求1所述的定位系統(tǒng)，其特征在于，所述點陣式主動紅外路標由貼片式紅外發(fā)射二極管制作，近紅外波長為850nm。
3.根據(jù)權利要求2所述的定位系統(tǒng)，其特征在于，所述點陣式主動紅外路標的點陣為 3X3型，由外圍較大的四點和其余較小的點組成，較大的四點用于路標的檢測與定位計算， 其余較小的點用于路標的ID值計算。
4.根據(jù)權利要求3所述的定位系統(tǒng)，其特征在于，所述紅外廣角攝像機采用焦距為 2. 8mm或者2. 5mm的大廣角鏡頭，鏡頭前方安裝中心波長為850nm的窄帶通濾波片。
5.根據(jù)權利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述計算機單元通過點域檢測、路標點集聚類、路標選擇、四個定位點的辨識以及ID值計算來檢測和識別路標。
6.根據(jù)權利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述擴展單應矩陣定位方法為通過假設單應矩陣不變來計算出虛擬路標的位置，由虛擬路標與實際路標之間的位姿差異推算出攝像機的位姿變化，從而達到移動機器人定位的目的。
7.一種基于紅外路標的移動機器人室內(nèi)定位方法，該方法包括步驟將3X3型的點陣式主動紅外路標帖附于天花板上，確定所有紅外路標的世界坐標值；將廣角紅外攝像機固定在機器人身上，標定廣角攝像機的內(nèi)參和畸變參數(shù)，計算攝像機的初始單應矩陣Htl ；確定移動機器人的初始位姿；捕捉紅外圖像，并進行畸變校正及圖像預處理操作；檢測并識別紅外路標；利用初始單應矩陣Htl，采用擴展單應矩陣定位方法進行定位計算。
8.根據(jù)權利要求7所述的定位方法，其特征在于，所述點陣式主動紅外路標由貼片式紅外發(fā)射二極管制作，近紅外波長為850nm。
9.根據(jù)權利要求8所述的定位方法，其特征在于，所述點陣式主動紅外路標的點陣由外圍較大的四點和其余較小的點組成，較大的四點用于路標的檢測與定位計算，其余較小的點用于路標的ID值計算。
10.根據(jù)權利要求9所述的定位方法，其特征在于，所述紅外廣角攝像機采用焦距為 2. 8mm或者2. 5mm的大廣角鏡頭，鏡頭前方安裝中心波長為850nm的窄帶通濾波片。
11.根據(jù)權利要求10所述的定位方法，其特征在于，所述計算機單元通過點域檢測、路標點集聚類、路標選擇、四個定位點的辨識以及ID值計算來檢測和識別路標。
12.根據(jù)權利要求11所述的定位方法，其特征在于，所述擴展單應矩陣定位方法為通過假設單應矩陣不變來計算出虛擬路標的位置，由虛擬路標與實際路標之間的位姿差異推算出攝像機的位姿變化，從而達到移動機器人定位的目的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于紅外路標的移動機器人室內(nèi)定位系統(tǒng)。系統(tǒng)結構在于采用紅外發(fā)射二極管制作點陣路標，并貼附于室內(nèi)天花板上；廣角紅外攝像機固定在移動機器人身上，向上拍攝紅外路標；通過機器人身上的計算機進行圖像分析、實時計算出機器人的位姿。本發(fā)明所述定位系統(tǒng)可以用于移動機器人在較大范圍的室內(nèi)場所的定位，且計算速度快、定位精度高、抗干擾性強。
文檔編號G01C21/00GK102419178SQ201110260388
公開日2012年4月18日 申請日期2011年9月5日 優(yōu)先權日2011年9月5日
發(fā)明者李成榮, 羅楊宇, 胡鵬 申請人:中國科學院自動化研究所