一種自主機(jī)器人視覺導(dǎo)航中的自定位方法
【專利摘要】本發(fā)明的一種自主機(jī)器人視覺導(dǎo)航中的自定位方法，是指機(jī)器人利用視覺導(dǎo)航方式沿著地面上的導(dǎo)航線行走時(shí)，在利用迪杰斯特拉算法進(jìn)行路徑規(guī)劃后，通過模糊控制規(guī)則指導(dǎo)行走，在行走過程中采用在交叉路口設(shè)置黑白等間隔環(huán)形編碼方式，通過對環(huán)形編碼的識別，進(jìn)而完成機(jī)器人的自主定位和按照規(guī)劃路徑自主行走。本發(fā)明的有益效果是：采用人工編碼標(biāo)識，即利用黑白等間隔圓環(huán)編碼方案來標(biāo)識不同的交叉路口，可以根據(jù)視覺信息實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主定位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)按照既定規(guī)劃路徑的自主行走，該方案成本低，易于實(shí)施；同時(shí)，黑白等間隔環(huán)形編碼圖案可以保證機(jī)器人從不同方向識別編碼圖案時(shí)具有相同的結(jié)果。
【專利說明】一種自主機(jī)器人視覺導(dǎo)航中的自定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于人工智能領(lǐng)域，涉及一種自主機(jī)器人視覺導(dǎo)航中的自定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，沿導(dǎo)航線行走的自主移動(dòng)機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用越來越廣泛，例如電力行業(yè)中設(shè)備自動(dòng)巡檢、醫(yī)院傳送藥品或醫(yī)療器械、危險(xiǎn)場合例如核污染環(huán)境中檢測和故障排查等。在執(zhí)行這些任務(wù)時(shí)，自主機(jī)器人會(huì)遇到很多路口，需要進(jìn)行自身定位。機(jī)器人的定位是機(jī)器人導(dǎo)航領(lǐng)域中不可或缺的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，精確定位是機(jī)器人正確行走的重要指導(dǎo)指標(biāo)。
[0003]機(jī)器人的定位方法主要有基于非視覺信息的定位和基于視覺信息的定位。傳統(tǒng)的基于非視覺信息的機(jī)器人定位方式主要有:GPS、RFID、地下鋪設(shè)磁條等。與基于非視覺信息的定位相比，基于視覺信息的定位具有實(shí)時(shí)性好、易實(shí)施和成本低等優(yōu)點(diǎn)?；跀z像機(jī)的視覺系統(tǒng)包括單目、雙目和全景視覺系統(tǒng)。相對于雙目視覺系統(tǒng)和全景視覺系統(tǒng)來說，基于單目的視覺系統(tǒng)簡單方便、成本低廉。因此，基于單目視覺的機(jī)器人定位一直為人們所青睞。相關(guān)研究如:基于單目視覺的機(jī)器人利用門牌號和RFID標(biāo)簽相結(jié)合的自定位和導(dǎo)航、采用條形編碼的路標(biāo)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的定位等。
[0004]如果把現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的真實(shí)路線反映在拓?fù)鋱D上，會(huì)形成一張電子地圖，電子地圖中的每一個(gè)路口處為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)需要找到最近的路徑，必然會(huì)依次經(jīng)過若干節(jié)點(diǎn)，然而能夠正確到達(dá)目的地的前提就是機(jī)器人要對路口節(jié)點(diǎn)進(jìn)行正確識別。機(jī)器人的自主定位就是機(jī)器人對于不同路口節(jié)點(diǎn)進(jìn)行識別，但一直以來都缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。由于對于這些路口不便于機(jī)器人直接測量，地面往往也沒有足夠的特征，同時(shí)在不同的路口處設(shè)置不同的區(qū)別標(biāo)識不是一件容易的工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決以上技術(shù)上的不足，本發(fā)明提供了一種成本低、易實(shí)施的自主機(jī)器人視覺導(dǎo)航中的自定位方法。
[0006]本發(fā)明是通過以下措施實(shí)現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明的一種自主機(jī)器人視覺導(dǎo)航中的自定位方法，包括以下步驟:
[0008]步驟1，將機(jī)器人行走導(dǎo)航路徑上的交叉路口作為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號，并根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)編號所對應(yīng)的編碼設(shè)計(jì)出相應(yīng)的等間隔圓環(huán)編碼圖案，將圓環(huán)編碼圖案平鋪在各自對應(yīng)的交叉路口節(jié)點(diǎn)處；
[0009]步驟2，在機(jī)器人本體前端安裝固定攝像頭，攝像頭連接機(jī)器人上位機(jī)，上位機(jī)利用與實(shí)際導(dǎo)航路徑對應(yīng)的電子地圖并基于迪杰斯特拉算法規(guī)劃出到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)的規(guī)劃路徑，該路徑包含所要依次經(jīng)過的交叉路口節(jié)點(diǎn)編號；
[0010]步驟3，基于規(guī)劃路徑行走的機(jī)器人通過前端攝像頭實(shí)時(shí)觀測行走線路上的導(dǎo)航圖像，并在有圓環(huán)編碼圖案完全進(jìn)入攝像頭視野內(nèi)后減速慢行；[0011]步驟4，將攝像頭獲取的包含圓環(huán)編碼圖案的圖像回傳給上位機(jī)，上位機(jī)對圓環(huán)編碼圖案進(jìn)行解碼并獲得其對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的編號，通過與電子地圖中的規(guī)劃路徑中的節(jié)點(diǎn)編號進(jìn)行比對實(shí)現(xiàn)自主定位，該定位結(jié)果將作為下一步動(dòng)作的依據(jù)，例如左拐、右拐或者直行、剎
本坐
寸O
[0012]上述圓環(huán)編碼圖案是由黑白等間隔圓環(huán)組成，根據(jù)黑白圓環(huán)的個(gè)數(shù)確定二進(jìn)制的位數(shù)，每個(gè)圓環(huán)代表二進(jìn)制字符串的碼字“O”或“ I ”，如果黑色圓環(huán)表示“0”，則白色圓環(huán)表示“1”，反之適用。
[0013]在步驟4中，攝像頭獲取的圓環(huán)編碼圖案在傾斜安裝的攝像頭觀測時(shí)具有一定的傾斜角，系統(tǒng)利用背景和前景的差別自適應(yīng)選取閾值，采用最大方差法實(shí)現(xiàn)圖像的二值化，然后通過對二值化圖像進(jìn)行水平和垂直方向的投影，利用投影圖邊緣產(chǎn)生的四個(gè)分界點(diǎn)的延長線所框出的區(qū)域作為圓環(huán)編碼圖案的精確位置。
[0014]上述在圓環(huán)編碼圖案的精確位置上，交叉路口處導(dǎo)航線路的交點(diǎn)確定為圓環(huán)編碼圖案中心圓的位置，然后以中心圓的直徑為寬度沿著水平方向截取一段長條形的編碼圖案，并根據(jù)該編碼圖案解碼出二進(jìn)制數(shù)字，然后轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)字即為該處的節(jié)點(diǎn)編號。
[0015]上述在確定圓環(huán)編碼圖案中心圓的位置后，同時(shí)從中心圓圓心向四周發(fā)出若干條射線對圓環(huán)編碼圖案進(jìn)行掃描，以準(zhǔn)確確定黑白圓環(huán)的個(gè)數(shù)。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:采用人工編碼標(biāo)識，即利用黑白等間隔圓環(huán)編碼方案來標(biāo)識不同的交叉路口，可以根據(jù)視覺信息實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主定位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)按照既定規(guī)劃路徑的自主行走，成本低，易于實(shí)施；同時(shí)，黑白等間隔圓環(huán)形編碼圖案可以保證機(jī)器人從不同方向識別編碼圖案時(shí)具有相同的結(jié)果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明中圓環(huán)編碼圖案的示意圖。
[0018]圖2中a表示攝像頭獲取的原圖像，b表示二值化后的圖像，c表示投影后的圖像。
[0019]圖3中α表不對圓環(huán)編碼圖案精確定位，β表不十字路口的中心圓定位，δ表不丁字路口的中心圓定位。
[0020]圖4中1、II表示字符為九位的編碼串示意圖。
[0021]圖5是根據(jù)迪杰斯特拉算法規(guī)劃出到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的導(dǎo)航線路示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]本發(fā)明的一種自主機(jī)器人視覺導(dǎo)航中的自定位方法，在利用迪杰斯特拉算法進(jìn)行路徑規(guī)劃后，利用模糊控制規(guī)則指導(dǎo)行走，在行走過程中采用人工編碼標(biāo)識、自動(dòng)標(biāo)識識別來實(shí)現(xiàn)自主定位。
[0023]首先，對機(jī)器人行走導(dǎo)航路徑上的交叉路口作為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號，并根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)編號所對應(yīng)的編碼設(shè)計(jì)出相應(yīng)的等間隔圓環(huán)編碼圖案，如圖1所示。將圓環(huán)編碼圖案平鋪在各自對應(yīng)的交叉路口節(jié)點(diǎn)處。圓環(huán)編碼圖案由黑白等間隔圓環(huán)組成，根據(jù)黑白圓環(huán)的個(gè)數(shù)確定二進(jìn)制的位數(shù)，每個(gè)圓環(huán)代表二進(jìn)制字符串的碼字“O”或“1”，如果黑色圓環(huán)表示“0”，則白色圓環(huán)表示“1”，反之也行。為了更好的定位編碼區(qū)域，設(shè)計(jì)了非編碼標(biāo)志的中心圓，并規(guī)定編碼圖案的最外層始終是黑色的圓環(huán)編碼區(qū)域(也可以規(guī)定最外層始終為白色的圓環(huán)編碼區(qū)域)。黑白等間隔環(huán)形編碼圖案可以保證機(jī)器人從不同方向識別編碼圖案時(shí)具有相同的結(jié)果。
[0024]其次，在機(jī)器人本體前端安裝固定攝像頭，前端攝像頭光軸可以不與地面垂直，如果存在一定的傾斜角，則攝像頭獲取的圓環(huán)編碼圖案也會(huì)有一定的傾斜(如圖2中a圖)。攝像頭連接機(jī)器人的上位機(jī)，系統(tǒng)將攝像頭獲取的包含圓環(huán)編碼圖案的圖像回傳給上位機(jī)；上位機(jī)利用與實(shí)際導(dǎo)航路徑相對應(yīng)的電子地圖并基于迪杰斯特拉算法規(guī)劃出從當(dāng)前位置到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)的規(guī)劃路徑，該路徑包含了所要依次經(jīng)過的交叉路口節(jié)點(diǎn)的編號；上位機(jī)同時(shí)對圓環(huán)編碼圖案進(jìn)行解碼?；谝?guī)劃路徑行走的機(jī)器人通過前端固定的攝像頭實(shí)時(shí)觀測行走線路上的導(dǎo)航圖像，并在有圓環(huán)編碼圖案完全進(jìn)入攝像頭視野內(nèi)后減速慢行。
[0025]迪杰斯特拉算法實(shí)質(zhì)上就是代價(jià)樹寬度優(yōu)先搜索。代價(jià)樹寬度優(yōu)先搜索包含兩個(gè)步驟:選擇代價(jià)最小的節(jié)點(diǎn)；利用新選出的節(jié)點(diǎn)更新剩余節(jié)點(diǎn)的最小代價(jià)。重復(fù)這兩個(gè)步驟直到遍歷全部的點(diǎn)。在迪杰斯特拉算法中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)到源點(diǎn)的距離，就作為該節(jié)點(diǎn)的最小代價(jià)。圖5中(I)表示一個(gè)實(shí)際導(dǎo)航地圖所對應(yīng)的有向圖示意圖G，其中邊的權(quán)值代表兩節(jié)點(diǎn)之間的距離，箭頭表示邊的方向。利用迪杰斯特拉算法求點(diǎn)A到其余各點(diǎn)最短距離的方法說明如下:以A點(diǎn)作為起點(diǎn)，代價(jià)為0，如圖5中(2);利用A點(diǎn)更新可達(dá)點(diǎn)的最小代價(jià)，A點(diǎn)可達(dá)B、D、E，因此更新B、D、E的最小代價(jià)，如圖5中(3)所示；選擇當(dāng)前代價(jià)最小的點(diǎn)B，并更新剩余點(diǎn)的最小代價(jià)，B可以到達(dá)C，所以可以更新C的最小代價(jià)，如圖5中(4)所示；選擇當(dāng)前代價(jià)最小的點(diǎn)D，并更新剩余點(diǎn)的最小代價(jià)，D可以到達(dá)C和E，所以可以更新C和E的最小代價(jià)，如圖5中(5)所示；選擇當(dāng)前代價(jià)最小的點(diǎn)C，并更新剩余點(diǎn)的最小代價(jià)，C可以到達(dá)E，所以可以更新E的最小代價(jià)，如圖5中(6)所示；選擇當(dāng)前代價(jià)最小的點(diǎn)E，并更新剩余點(diǎn)的最小代價(jià)，發(fā)現(xiàn)所有的點(diǎn)均已被遍歷，此時(shí)迪杰斯特拉算法運(yùn)行完畢，得到最短路徑樹如圖5中(7)所示。
[0026]為了使編碼圖案從圖像中凸顯出來，系統(tǒng)利用背景和前景的差別，采用大津法獲得閾值并對圖像進(jìn)行二值化，圖2中b圖表示二值化后的圖像。大津法有時(shí)也稱為最大類間方差法，該算法最早是由日本人大津提出的，是根據(jù)圖像的灰度直方圖，找出前景和背景的最大類間方差，以該方差為準(zhǔn)則完成圖像的分割。如果類間方差越大，說明前景和背景分錯(cuò)的概率越低、性能越好。
[0027]大津法是基于圖像的灰度信息。假如一幅圖像的灰度級是M。首先把圖像的灰度信息進(jìn)行量化處理，統(tǒng)計(jì)其灰度級為i的像素?cái)?shù)量為Iii,為了計(jì)算的簡便和縮小數(shù)據(jù)的范
圍，對其進(jìn)行歸一化處理，公式是
【權(quán)利要求】
1.一種自主機(jī)器人視覺導(dǎo)航中的自定位方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1，將機(jī)器人行走導(dǎo)航路徑上的交叉路口作為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號，并根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)編號所對應(yīng)的編碼設(shè)計(jì)出相應(yīng)的等間隔圓環(huán)編碼圖案，將圓環(huán)編碼圖案平鋪在各自對應(yīng)的交叉路口節(jié)點(diǎn)處； 步驟2，在機(jī)器人本體前端安裝固定攝像頭，攝像頭連接機(jī)器人的上位機(jī)，上位機(jī)利用與實(shí)際導(dǎo)航路徑對應(yīng)的電子地圖并基于迪杰斯特拉算法規(guī)劃出到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)的規(guī)劃路徑，該路徑包含了所要依次經(jīng)過的交叉路口節(jié)點(diǎn)編號； 步驟3，基于規(guī)劃路徑行走的機(jī)器人通過前端固定的攝像頭實(shí)時(shí)觀測行走線路上的導(dǎo)航圖像，并在有圓環(huán)編碼圖案完全進(jìn)入攝像頭視野內(nèi)后減速慢行； 步驟4，將攝像頭獲取的包含圓環(huán)編碼圖案的圖像回傳給上位機(jī)，上位機(jī)對圓環(huán)編碼圖案進(jìn)行解碼并獲得其對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的編號，通過與電子地圖中的規(guī)劃路徑中的節(jié)點(diǎn)編號進(jìn)行比對實(shí)現(xiàn)自主定位，該定位結(jié)果將作為下一步動(dòng)作的依據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述自主機(jī)器人視覺導(dǎo)航中的自定位方法，其特征在于:所述圓環(huán)編碼圖案是由黑白等間隔圓環(huán)組成，每相鄰圓環(huán)之間有一條窄的間隔線，每個(gè)圓環(huán)代表二進(jìn)制字符串的碼字符號“O”或“ 1”，根據(jù)黑白圓環(huán)的個(gè)數(shù)確定二進(jìn)制的位數(shù)，如果黑色圓環(huán)表示“ O ”，則白色圓環(huán)表示“ 1”，反之適用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述自主機(jī)器人視覺導(dǎo)航中的自定位方法，其特征在于:在步驟4中，當(dāng)前端安裝的攝像頭光軸與地面有一定傾斜角時(shí)，攝像頭獲取的圓環(huán)編碼圖案在觀測時(shí)也會(huì)發(fā)生一定的傾斜，系統(tǒng)利用背景和前景的差別自適應(yīng)選取閾值，采用大津法實(shí)現(xiàn)圖像的二值化，然后通過對二值化圖像進(jìn)行水平和垂直方向的投影，利用投影圖邊緣產(chǎn)生的四個(gè)分界點(diǎn)的延長線所框出的區(qū)域作為圓環(huán)編碼圖案的精確位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述自主機(jī)器人視覺導(dǎo)航中的自定位方法，其特征在于:在圓環(huán)編碼圖案的精確位置上，利用導(dǎo)航線路的交點(diǎn)能夠確定圓環(huán)編碼圖案中心圓的位置，然后以中心圓的直徑為寬度沿著水平方向截取一段長條形的編碼圖案，并根據(jù)該編碼圖案解碼出二進(jìn)制數(shù)字，然后轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)字即為節(jié)點(diǎn)編號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述自主機(jī)器人視覺導(dǎo)航中的自定位方法，其特征在于:在確定圓環(huán)編碼圖案中心圓的位置后，同時(shí)從中心圓圓心向四周發(fā)出若干條射線對圓環(huán)編碼圖案進(jìn)行掃描，通過少數(shù)服從多數(shù)的準(zhǔn)則進(jìn)而精確確定黑白圓環(huán)的個(gè)數(shù)和相應(yīng)的編碼。
【文檔編號】G05D1/02GK104007760SQ201410161463
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年4月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月22日
【發(fā)明者】李金屏, 王寧, 厲廣偉, 韓延彬, 夏英杰 申請人:濟(jì)南大學(xué)