專利名稱：用于移動式機器人的位置確定的路標和使用該路標的設(shè)備與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于識別移動式機器人的諸如坐標和方位角的位置的路標和 使用該路標的位置識別設(shè)備與方法。更具體地，本發(fā)明涉及具有選擇性反射 特性以精確且快速地從由照相機得到的路標圖像獲得移動式機器人的位置的 路標，用于從紅外照相機獲得路標圖像并除了該移動式機器人的精確位置信 息之外還檢測區(qū)域信息的位置識別設(shè)備和方法，以及用于通過修正由移動式 機器人的傾斜引起的透視畸變而檢測移動式機器人的位置的位置識別設(shè)備和 方法。
背景技術(shù)：
通常，為了控制室內(nèi)機器人在室內(nèi)運動，需要識別該機器人的位置。通 常，有兩種使用照相機通過機器人自身執(zhí)行的自身位置計算方法。
首先，有一種使用人造路標的方法。如圖1所示，具有一定意義的路標
30安裝在天花板或者墻壁上，通過照相機20拍攝該路標30，從圖像中提取 該路標30，并且允許屏幕上的坐標與移動式^L器人10的坐標一致，由此通 過移動式機器人自身計算該移動式機器人10的自身位置(參考韓國專利 No.485696 )。
另一方面，如圖2所示，路標30可以安裝在移動式機器人10的頂部， 并且照相機20可以安裝在天花4反上。
其次，有一種使用自然路標的方法。通過照相機拍攝天花板，提取諸如 安裝在天花板上的照明設(shè)備和天花;f反與墻壁之間分界的直線和邊緣的結(jié)構(gòu)信 息，由此通過使用該信息而由移動式機器人自身計算該移動式機器人的自身 位置(參考韓國專利No.483566)。
然而，當使用AJt路標時，該人造路標可能受到照明的影響，并且路標 的顏色信息可能受到陽光影響而失真。同樣，當使用自然路標時，由于自然 路標受到環(huán)境光亮度的影響很大，且當記錄路標中特征的位置時，需要里程 表信息或者另外的機器人位置讀取器，由此需要大容量存儲器并且必須有附加裝置。特別地，當沒有照明時，很難使用自然路標。
因此，需要移動式機器人的新的自身位置的識別方法，該方法能夠不受 照明影響并且減少圖像預(yù)處理的計算。
同樣地，當使用以上描述的兩種常規(guī)方法時，由于當照相機的坐標和接 附到天花板的路標的坐標計算移動式機器人的位置信息時，假設(shè)除重力方向 以外沒有方向的旋轉(zhuǎn)，因此當移動式機器人通過小隆起，或者當由外力或急 加速或急減速的慣性力而使其傾斜時，使用通過該照相機獲得的圖像而計算 的機器人的位置信息可能有許多誤差。
另一方面，雖然可以對當將用于照相4幾裝置的CMOS和CCD傳感器之 一接附到機器人上時發(fā)生的傾斜進行初始修正，但該初始修正僅用于當初始 安裝時發(fā)生的誤差，而不用于當機器人實際驅(qū)動時發(fā)生的傾斜而引起的誤差
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題
本發(fā)明的一方面提供用于識別移動式機器人的位置的路標，該路標能 夠允許從通過照相機拍攝的路標圖像中檢測移動式機器人的位置和區(qū)域信 息之一，并且能夠不管室內(nèi)照明而識別。
本發(fā)明的一方面還提供用于識別移動式機器人的位置的設(shè)備和方法， 其中通過紅外照相機獲得路標的圖像，并且在不對獲得的圖像進行特別預(yù) 處理的情況下就可以獲得移動式機器人的位置和區(qū)域信息。
本發(fā)明的一方面也提供用于識別移動式機器人的位置的設(shè)備和方法， 該設(shè)備具有傾斜修正功能，以通過由使用兩軸傾斜儀測量移動式機器人的 諸如橫搖角和俯仰角的傾斜信息而修正由紅外照相機拍攝的路標圖像的位 置信息，從而精確地識別該移動式機器人的位置。
技術(shù)方案
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供用于識別移動式機器人的坐標和方位角信 息的路標，該路標包括由在任意位置的標記和以該標記為中心的X軸與Y 軸上的至少兩個標記而形成的位置識別部分。
該路標可以進一步包括由多個標記的組合形成的區(qū)域識別部分，以從 其它路標區(qū)分單獨路標。
根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，提供用于識別移動式機器人的位置的設(shè)備，
6該設(shè)備包括將紅外線輻射到由反射該紅外線的多個標記形成的路標上的 紅外發(fā)光單元；拍攝路標并獲得二進制圖像的紅外照相機；標注包括在該 二進制圖像中的局部圖像并且通過使用每個局部圖像的標注的像素的數(shù)目 和/或分布而檢測標記的標記檢測器；以及通過使用檢測到的標記的中心坐 標來檢測移動式機器人的坐標和方位角的位置檢測器。
紅外照相機可以與紅外發(fā)光單元一起形成在一個主體中。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供識別移動式機器人的位置的方法，該方 法包括(a)通過將紅外線輻射到包括由在任意位置的標記和位于以該標 記為中心的X軸和Y軸上的至少兩個標記形成的位置識別部分的路標以反 射該紅外線并且拍攝該路標而獲得二進制圖像；(b)標注包括在該二進制 圖像中的局部圖像并且通過使用每個局部圖像的標注的像素的數(shù)目和/或 分布來檢測標記；和(c)通過使用檢測到的標記的中心坐標來檢測移動式 才/L器人的坐標和方位角。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供用于識別移動式機器人的位置的設(shè)備， 該設(shè)備包括將紅外線輻射到由反射該紅外線的多個標記形成并且接附到 預(yù)定空間的路標上的紅外發(fā)光單元；安裝在移動式機器人中且拍攝該路標 并獲得二進制圖像的紅外照相機；安裝在移動式機器人中并且檢測該移動 式機器人的傾斜信息的兩軸傾斜儀；標注包括在二進制圖像中的局部圖像 并且通過使用每個局部圖像的標注的像素的數(shù)目和/或分布來檢測標記的 標記檢測器；以及通過使用檢測到的標記的中心坐標與移動式機器人的傾 斜信息而檢測該移動式機器人的坐標和方位角的位置檢測器，其中該設(shè)備 具有傾斜修正功能。
路標可以包括由在任意位置的標記和位于以該標記為中心的X軸和Y 軸上的至少兩個標記而形成的位置識別部分。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供具有傾斜修正功能的識別移動式機器人 的位置的方法，該方法包括(a)通過將紅外線輻射到包括由在任意位置 的標記和位于以該標記為中心的X軸和Y軸上的至少兩個標記形成的4立置 識別部分的路標以反射該紅外線并且拍攝該路標而獲得二進制圖像；(b) 檢測移動式機器yU目對地面的兩軸傾斜信息并且當檢測到的兩軸傾斜信息 超過預(yù)定閾值時再次獲得二進制圖像；(c)標注包括在二進制圖像中的局 部圖像并且通過使用每個局部圖像的標注的像素的數(shù)目和/或分布來檢測標記；以及(d)通過使用檢測到的標記的中心坐標來檢測該移動式機器人 的坐標和方/f立角。
通過使用根據(jù)兩軸傾斜信息的坐標變換矩陣而修正檢測到的標記的 中心坐標，可以4全測移動式才幾器人的坐標和方位角。 有益效果
根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的用于識別移動式機器人的位置的路標和 使用路標的位置識別設(shè)備與方法，通過使用紅外圖像，移動式機器人可以 不受空間中的照明影響，并且由于省略預(yù)處理圖^f象，不^E可以改進位置更 新速率，而且該路標可以由以超過30厘米/秒高速運動的機器人使用。
同樣地，通過由三個標記形成的位置識別部分精確地識別移動式機器 人的位置，并且通過由多個標記形成的區(qū)域識別部分將標識符(ID)給予 路標，因此將移動式機器人應(yīng)用到復(fù)雜且寬闊的室內(nèi)空間。
根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的具有傾斜修正功能的識別移動式機器 人的位置的設(shè)備和方法，因為可以修正由移動式機器人的傾斜引起的透視 畸變所導致的誤差，因此精確地識別在各種環(huán)境中的移動式機器人的位置。
同樣地，當組合移動式機器人的諸如坐標和方位角的位置信息與傾斜 信息時，可以獲得移動式機器人的三軸旋轉(zhuǎn)角信息，因此在不附加地將慣 性測量單元(IMU)接附到該移動式機器人的情況下，還獲得慣性信息。


圖1是示出移動式機器人的照相機拍攝接附到室內(nèi)空間天花板上的路 標的示意圖2是示出天花板的照相機的示意圖，其中該照相機拍攝接附到移動式 機器人的路標；
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的路標的配置示圖4(a)是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的移動式機器人的位置識別設(shè)備的頂視
圖.；
圖4(b)是示出沿著圖4(a)的線A-A，剖開的剖面圖； 圖5(a)是示出根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的移動式機器人的位置識別設(shè) 備的頂4見圖5(b)是示出沿著圖5(a)的線A-A，剖開的剖面圖；圖6是示出針孔模型的坐標系的示圖7是示出當照相機不處于直角處時的坐標系的示圖；以及
圖8是示出當照相機旋轉(zhuǎn)時的坐標系的示圖。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及用于識別移動式機器人的諸如坐標和方位角的位置信息的路 標和使用該路標的位置識別設(shè)備與方法。將參考圖l至3描述根據(jù)本發(fā)明實 施例的用于識別移動式機器人的位置的路標30。
根據(jù)本發(fā)明實施例的路標接附到空間的天花板上，移動式機器人在該 空間中運動，并且如圖1所示的通過安裝在移動式機器人上的照相機或者 接附到移動式機器人頂部的照相機拍攝路標，以及如圖2所示的通過安裝 在天花板上的照相機拍攝路標，以用于識別移動式機器人的位置。
參考圖3,根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的路標100包括由三個標記形 成的位置識別部分110以識別移動式機器人的諸如坐標和方位角的基本位 置信息，以及由多個標記形成的區(qū)域識別部分120以從其它路標區(qū)分單獨 路標100以識別移動式機器人的額外區(qū)域信息。
位置識別部分110由在4壬意位置的一個標記B和分別位于以該標記B 為中心的X軸和Y軸上的兩個標記C和A形成。三個標記B、 A和C將 參考點和參考坐標提供給路標100。雖然在圖3中示出兩個標記，但標記 的數(shù)目不限于此并且可以使用多于兩個標記。
雖然區(qū)域識別部分120由位置識別部分110內(nèi)部的3x3個標記形成， 如在圖3中示出的，但形成該位置識別部分110的標記的位置和數(shù)目可以 根據(jù)目的而改變。通過給出對應(yīng)于形成該區(qū)域識別部分120的標記的數(shù)目 和每個標記的位置的ID，可以從其它路標區(qū)分每個單獨的路標100。如圖 3中所示，當區(qū)域識別部分120由3x3個標記形成時，給出ID512。在這種 情況中，根據(jù)由位置識別部分110提供的參考坐標可以確定形成該區(qū)域識 別部分120的標記的位置，并且每個ID可以二進制編碼，因此快速地識別 移動式機器人的區(qū)域信息。
在另一方面，紅外反射涂層可以應(yīng)用到或者反射片可以接附到形成路 標100的標記上，以便在一定波帶內(nèi)(特別地是800到1200納米的波帶) 擴散地反射紅外線。因此，不僅在夜間，而且當存在反射光時，通過使用
9紅外照相機只檢測由標記反射的紅外線，因此在不使用特別的圖像預(yù)處理 方法的情況下，快速地識別移動式機器人的位置。
在這種情況中，可以僅以預(yù)定尺寸的圓形形狀形成標記或者可以以在 平面上的圓形和平面上的半球形之一的突出形狀形成標記。當檢測該標記 時，為了容易地獲得像素的數(shù)目、分布和中心坐標，可以使用以圓形和半 ^求形之一 的形狀形成的纟示記。
盡管標記可以形成為彼此相同，但用于位置識別部分110的標記與用 于區(qū)域識別部分120的標記形成為在尺寸和/或顏色上是不同的，因此容易 地將位置識別部分110和區(qū)域識別部分120區(qū)分。
以上描述的形成路標100的標記可以應(yīng)用到不使用紅外照相機的常規(guī) 的移動式機器人位置識別設(shè)備，并且標記的使用不限于根據(jù)本發(fā)明的示例 性實施例的位置識別設(shè)備。
接下來，通過參考圖3、 4(a)和4(b)，將按操作順序描述根據(jù)本發(fā)明的 示例性實施例的用于識別移動式機器人的位置的設(shè)備和方法。
當移動式機器人在其中運動的空間或者路標接附在其上的空間沒有 彎曲且是平坦的時4美，可以應(yīng)用該實施例。
(a) 紅外發(fā)光二極管(LED) 220將紅外線輻射到路標100上，且通過照 相機200拍攝由形成位置識別部分110的標記反射的圖像，由此獲得二進制 圖像。即，由照相機200獲得的圖像中的標記設(shè)置為接近白色的明亮光，并 且通過選擇預(yù)定亮度值閾值轉(zhuǎn)換成二進制圖像。
詳細地考慮如圖4(a)和4(b)中示出的照相機200,該照相機200包括圍繞 廣角透鏡210的多個紅外LED220、紅外光控制器230、 CMOS陣列240和視 覺控制器250。照相機200安裝在移動式機器人和該移動式機器人在其中運 動的空間的天花板之一上，以便獲得接附到天花板、墻壁和移動式機器人頂 部之一的路標100的圖像。
(b) 標注二進制圖像中明亮顯示的局部圖像，并且從標注的像素的數(shù)目和 /或分布中檢測標記。在這種情況中，標注表示以下過程識別單獨圖像，給 出該單獨圖像的參考號并且做出標注目錄以獲知在二進制圖像中明亮顯示的 局部圖^f象的位置和尺寸。標注之后，獲得每個標注的中心坐標，并且從標注
的像素的數(shù)目和/或分布中檢測該標記。
可以有從標注目錄中檢測標記的各種方法。例如， 一種方法可以限制形成標注的^f象素數(shù)目。即，由于標記以圓形形狀形成并且標記具有統(tǒng)一的尺寸， 因此^f又選擇具有一定數(shù)目^f象素的標注作為標記候選，并且/人標注目錄中刪除
具有多于或者少于該一定數(shù)目像素的標注。
由于標記以圓形形狀成簇，另 一種方法可以從標注中確定對應(yīng)于相對中 心坐標的分布系數(shù)的預(yù)定分布值，并且從標注目錄中刪除^f象素不成簇的標注， 由此確定標記4美選。
如果需要，可以選擇性地或者同時地使用以上描述的兩種/人標注中才企測
才示"i己的方法。
另一方面，當在路標100中僅存在位置識別部分110的標記時，通過使 用以上方法可以檢測三個標記。然而，當存在與位置識別部分110的標記尺 寸相同的區(qū)域識別部分120的標記時，可以通過執(zhí)行以下的附加處理/人全部 標記中分開地檢測僅對應(yīng)于位置識別部分110的標記。
即，從確定的標記候選中檢測相互距離近似且處于直角形狀的三個標注， 由此檢測位置識別部分110的標記。例如，獲得連接標注的矢量內(nèi)積，并且 檢測內(nèi)積值最接近最大有效內(nèi)積值的標注，由此從全部標記中僅檢測位置識 別部分110的標記。
當通過i、 j和k表示對應(yīng)于圖3的A、 B和C的標注的標志且標注之間 的矢量內(nèi)積的最大有效值是th時，在內(nèi)積值對應(yīng)范圍的標志中量級差為最小 的標志通過使用等式1獲得。
<formula>formula see original document page 11</formula>
，其中(f'，./, a') = arg" a
...等式(1)
當通過使用等式l已經(jīng)識別到標記的存在和位置時，通過使用位置值的 總和計算位置以及檢測標注是否存在于該位置，可以容易地獲得標記的標識
符(ID)。
(c)通過使用檢測到的標記檢測移動式機器人的諸如坐標和方位角的位 置信息與區(qū)域信息。
從檢測到的標記中根據(jù)對應(yīng)于區(qū)域識別部分120的標記的數(shù)目和位置確 定的ID可以快速地獲得，并且可以獲得移動式機器人的區(qū)域信息。在這種情 況中，移動式機器人的區(qū)域信息分配給ID，且該移動式機器人的區(qū)域信息是移動式機器人所在的大致位置。
通過使用檢測到的形成位置識別部分110的三個標記A、 B和C的中心 坐標，可以獲得諸如坐標和方位角的移動式機器人的詳細的位置信息。
根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，通過將從圖3中示出的三個標記A、 B和 C中每個的中心坐標獲得的任意點看作參考坐標，可以獲得移動式機器人的 坐標。在這種情況中，任意點可以是通過三個標記的中心坐標獲得的重心。 在這種情況中，由于重心是關(guān)于該三個標記的中心坐標的誤差平均值，因此 通過使用重心獲得的關(guān)于移動式機器人坐標的誤差可以減少。
基于通過三個中心坐標獲得的一個方向矢量(例如通過從B到A的矢量 和從B到C的矢量和獲得的方向矢量)可以獲得移動式機器人的方位角。
知的矢量，這在以下的幾篇文獻中詳細地7>開。
R.I.Hartley. " An algorithm for self calibration from several views.，，
i ecogw///ow， 908-912頁，華盛頓州西雅圖，1994年6月，正EE.。
D丄iebowitz和A.Zisserman. "Metric rectification for perspective images of
planes."尸raceW"gs o/ /EEE Co^/^-ewce Co附p她 - Wsz'ow /Wterw
i ecogm'ft'o"， 482-488頁，加利福尼亞州圣巴巴拉，1998年6月，IEEE Computer
Society。
以下示出校準等式。
...等式(2)
其中
:o是對應(yīng)于移動式機器人的參考位置的投影像素坐標，Ro和to分別是 旋轉(zhuǎn)矩陣和位移矢量，s是標度值，A是校準矩陣，
5是移動式機器人旋轉(zhuǎn)和運動到的位置的像素坐標，&是對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)
12角度量的矩陣，且^是位移矢量，通過使用等式2可以獲得等式3和4。 ...等式(3) ...等式(4)
通過使用等式3獲得坐標值M,并且將獲得的值分配給等式4。在等式4 中，通過使用識別到的標記的矢量總和可以計算R,。由于已知除去t,外的等 式4中的全部值，因此可以計算位移矢量h。即，通過^f吏用等式5可以獲得 移動式機器人的位移矢量。
h^〖n廣爭
…等式(5)
如以上所述的，通過使用檢測到的位置識別部分110的三個標記和使用 校準公式的矢量操作，可以獲得允許移動式機器人的坐標和方位角同時獲知 的矢量，由此使用低價格的微處理器。
同樣地，移動式機器人的簡要區(qū)域信息和諸如坐標和方位角的詳細位置 信息可以轉(zhuǎn)換成代碼信息。該代碼信息傳送到移動式機器人以執(zhí)行必要的操 作。
參考圖3、 5(a)、 5(b)和6至8,將描述根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的具 有傾斜修正功能的識別移動式機器人的位置的設(shè)備和方法。圖5(a)和5(b)的 設(shè)備還包括兩軸傾斜儀，其與圖4(a)和4(b)的設(shè)備不同。
(a)紅外發(fā)光二極管(LED) 220將紅外線輻射到路標100上，并且通過 照相機200拍攝由形成位置識別部分110的標記反射的圖像，由此獲得二進 制圖像。即，將通過照相機200獲得的圖像中的標記設(shè)置為接近白色的明亮 光，并且通過選擇預(yù)定亮度值閾值轉(zhuǎn)換成二進制圖像。
詳細考慮如圖5(a)和5(b)中示出的照相機200，該照相機200包括圍繞廣 角透鏡210的多個紅外LED220、紅外光控制器230、 CMOS陣列240、視覺 控制器250和兩軸傾斜儀260。照相機200安裝在移動式機器人上以便獲得 接附到天花板和墻壁之一的路標100的圖像。(b) 如圖5(b)所示，從安裝在照相機200主體上的兩軸傾斜儀260檢測相 對于該移動式機器人的重力方向的兩軸傾斜信息。在這種情況中，兩軸傾斜 信息包括相對于重力方向的橫搖角和俯仰角。
由于檢測到的傾斜信息在預(yù)定閾值內(nèi)是有效的，因此當傾斜信息超出該 預(yù)定閾值時，通過照相機200獲得進一步的二進制圖像直到傾斜信息有效為 止。
(c) 標注在二進制圖像中明亮顯示的局部圖像，并且從標注的像素的數(shù)目 和/或分布檢測標記。在這種情況中，標注表示以下過程識別單獨圖像，給 出對于該單獨圖像的參考號，并做出標注目錄以獲知在該二進制圖像中明亮 顯示的局部圖像的位置和尺寸。在標注之后，獲得每個標注的中心坐標，并 且從標注的像素的數(shù)目和/或分布中檢測標記。
可以有從標注目錄檢測標記的各種方法。例如， 一種方法可以限制形成 標注的像素數(shù)目。即，由于標記以圓形形狀形成并且標記具有統(tǒng)一的尺寸， 因此僅選擇具有一定數(shù)目像素的標注作為標記候選，并且從標注目錄中刪除 具有多于或者少于該一定數(shù)目像素的標注。
由于標記以圓形形狀成簇，另 一種方法可以從標注中確定對應(yīng)于相對中 心坐標的分布系數(shù)的預(yù)定分布值，并且從標注目錄中刪除像素不成簇的標注， 由此確定標記4矣選。
如果需要，可以選擇性地或者同時地使用以上描述的兩種從標注中檢測 才示i己的方法。
另一方面，從確定的標記候選中檢測相互距離近似且處于直角形狀的三 個標注，因此檢測位置識別部分110的標記。例如，獲得連接標注的矢量內(nèi) 積，并且檢測內(nèi)積值最接近最大有效內(nèi)積值的標注，由此從全部標記中僅檢 測位置識別部分110的標記。
當通過i、 j和k表示對應(yīng)于圖3的A、 B和C的標注的標志且標注之間 的矢量內(nèi)積的最大有效值是th時，在內(nèi)積值對應(yīng)范圍的標志中量級差為最小 的標志通過使用等式1獲得。
"H — F^'，其中a,/j)-加"g,.".j T7'l7〈d:...等式(6)
(d)通過使用檢測到的標記和兩軸傾斜信息檢測移動式機器人的諸如坐標 和方位角的位置信息。
通過使用檢測到的形成位置識別部分110的三個標記A、 B和C的中心 坐標可以獲得諸如移動式機器人的坐標和方位角的移動式機器人的詳細位置。
根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，通過將從圖3示出的三個標記A、 B和C 中每個的中心坐標獲得的任意點看作參考坐標，可以獲得移動式機器人的坐 標。在這種情況中，任意點可以是通過三個標記的中心坐標獲得的重心。在 這種情況中，由于重心是關(guān)于該三個標記的中心坐標的誤差平均值，因此通 過使用重心獲得的關(guān)于移動式機器人坐標的誤差可以減少。
基于通過三個中心坐標獲得的一個方向矢量(例如通過從B到A的矢量 和從B到C的矢量和獲得的方向矢量)可以獲得移動式機器人的方位角。
然而，由于當移動式機器人傾斜時，通過照相機200獲得的包括在圖傳_ 中的路標形狀失真，因此通過使用由兩軸傾斜儀260 4企測的在預(yù)定閾值內(nèi)的 移動式機器人的傾斜信息和坐標變換矩陣，修正檢測到的標記的中心坐標。
在下文中，將描述通過使用校準等式獲得允許獲知移動式機器人的坐標 和方位角信息的矢量的方法。
當描述圖像處理時，針孔模型通常是使用的照相機模型。圖6是示出針 孔才莫型的結(jié)構(gòu)示圖。
參考圖6，在三維空間上的點Mc的點mr對應(yīng)于將點Mc連接到點C的直 線與平面r相交的點。在這種情況中，點C表示光心，且平面r表示視網(wǎng)膜 平面。可以存在通過點C并垂直于平面r的直線，該直線表示光軸。
通常，允許點C為照相機坐標的原點，并且允許光軸與直角坐標系的Z 軸一致。
在確定照相機模型后，可以用各種參數(shù)表示照相機的結(jié)構(gòu)。這些參數(shù)可 以分成兩種參數(shù)用于描述照相機，內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)。內(nèi)部參數(shù)描述以三 維坐標表示的在照相機坐標上的點和點投影到的具有二維坐標的視網(wǎng)膜平面 之間的對應(yīng)關(guān)系。外部參數(shù)描述照相機坐標和世界坐標之間的變換關(guān)系。
在下文中，將描述內(nèi)部參數(shù)。
參考圖7，可知如下提供在照相機坐標上的點Me = [Xe Ye Ze]T和對應(yīng)的
15視網(wǎng)膜平面上的點mr = [ur vr]
之間的關(guān)系。<formula>formula see original document page 16</formula>
其中f表示焦距，即光心C和光軸與視網(wǎng)膜平面相交處的點c之間的距離。點c表示主點。
視網(wǎng)膜平面上形成的相位由CCD陣列采樣，并轉(zhuǎn)換成視頻信號，從照相機輸出且存儲在幀緩沖器中。因此最終獲得的坐標值不是該視網(wǎng)膜平面的坐標值而是像素坐標值。當對應(yīng)于mr的像素坐標是mj^[UpVp]T時，提供下面的兩個坐標之間的變換關(guān)系。
<formula>formula see original document page 16</formula>其中a和P是表示兩個坐標之間標度變換的值，并且uo和vo是主點c的像素坐標值。當通過完全直角形成CCD陣列的陣列時，由等式8給出的關(guān)系是有效的。然而，由于實際上難以形成完全直角，因此需要獲得將該困難考慮進去的關(guān)系等式。如圖7所示，當通過形成^^素坐標的兩個軸線形成的角度表示為e時，在視網(wǎng)膜平面上的坐標和像素坐標之間的關(guān)系如下。
<formula>formula see original document page 16</formula>
當將等式7應(yīng)用到等式9時，最終獲得的在照相機坐標上的三維坐標和像素坐標之間的關(guān)系等式如下。"P = # - "" eot ^ += " * + 7 # + "0
4 Zc Zc Zc
p r Z 0 「 Z u...等式(IO)
如以上描述的，由諸如a、卩、y、 uo和vo的5個參數(shù)形成內(nèi)部參數(shù)。在下文中，將描述外部參數(shù)。
通常，用與照相才幾坐標不同的坐標描述三維空間上的點，通常這種坐標表示為世界坐標。因此，需要從世界坐標到照相機坐標的變換等式，該變換等式能夠由表示各自坐標的原點之間的相對位置的位移矢量和表示每個坐標軸的旋轉(zhuǎn)量的旋轉(zhuǎn)矩陣來示出。
當以世界坐標示出的點是Mw = [Xw Yw Zw]T并且將該點轉(zhuǎn)換成以照相機坐標的Mc時，Mw和Mc之間的關(guān)系等式示出如下。
...等式(11)
其中R表示旋轉(zhuǎn)矩陣且t表示位移矢量。由于R包括三個獨立的參數(shù)，并且t也包括3個獨立的參數(shù)，因此外部參數(shù)的數(shù)目是6個。在下文中，將描述以使用投影幾何學示出照相機模式。通過使用齊次坐標的概念可以線性地示出照相機的針孔模型。當二維像素坐標上的點定義為m = [u， v]T并且對應(yīng)于該點的三維世界坐標上的坐標定義為M= [XYZ]T時，通過將1加到坐標的最后一項而形成的齊次坐標變?yōu)?br> 柳
=[U，V,1]T，以及
=[X，Y，Z,1]T。使用已述的針孔模型，在三維點M和通過將點M投影而形成的點m之間的關(guān)系等式表示如下?！仁?12)
其中s是比例因子，且R和t分別是旋轉(zhuǎn)矩陣和位移矢量，這些是外部 參數(shù)。A是內(nèi)部參數(shù)的矩陣并且表示為校準矩陣。
4 =
0 "o 0 0 1
...等式(13)
其中a和P對應(yīng)于u和v軸的標度值，Y對應(yīng)于兩個圖像軸的偏斜，且
U。和Vo是主點。
通過使用校準等式可以獲得允許獲知移動式機器人的坐標和方位角的矢 量，這在以下的幾篇文獻中詳細地/>開。
R丄Hartley. "An algorithm for self calibration from several views."
及ecogw'rio"，卯8-912頁，華盛頓州西雅圖，1994年6月，正EE.。
D丄iebowitz和A.Zisserman. "Metric rectification for perspective images of planes."尸raceW"gs c /" ///e /EEE Co^/ferewce Cow/ w妙Ww'ow朋d戶a"e/T7 及ecogmY/o"， 482-488頁，加利福尼亞州圣巴巴拉，1998年6月，IEEE Computer Society 。
參考圖8,將描述世界坐標上的點投影到照相機像素坐標的變換關(guān)系。 當對應(yīng)于照相機傾斜的橫搖角和俯仰角分別是a和(3時，以如下的矩陣 表示這種為a和p的傾殺+度。
二
謹 SIM
一sina ,
...等式(14)
18cos/3 0 sinjj 01 0 -sin/S 0 cos-
…等式(15)
其中如下獲得對應(yīng)于比例參數(shù)的齊次像素坐標
...等式(16)
當假設(shè)位移矢量t已知時，世界坐標上的點M可以如下獲得。 ...等式(17)
當對應(yīng)于參考點的點M已知時，獲得最終要計算的位移矢量t如下，由 此計算移動式機器人的自身位置。
...等式(18)
如以上描述的，通過使用位置識別部分110的三個4企測到的標記和才交準 等式的矢量操作，可以獲得允許同時獲知移動式機器人的坐標和方位角的矢 量的量，由此使用低價格的微處理器。
雖然已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的幾個實施例，但本發(fā)明不限于已描述的 實施例。代替地，本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解在不脫離本發(fā)明的原理 和精神的情況下，可以對這些實施例做出改變，本發(fā)明的范圍通過權(quán)利要求 及其等同物限定。
權(quán)利要求
1.一種用于識別移動式機器人的坐標和方位角信息的路標，所述路標包括由在任意位置的標記和以所述標記為中心的X軸和Y軸上的至少兩個標記而形成的位置識別部分。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的路標，還包括由多個標記的組合形成的區(qū)域識 別部分以從其它路標區(qū)分單獨路標。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的路標，其中所述區(qū)域識別部分接收對應(yīng)于形成 所述區(qū)域識別部分的所述標記的數(shù)目和每個所述標記的位置的標識符以/人其 它路標區(qū)分所述單獨;洛標。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的路標，其中所述區(qū)域識別部分的所述標識符基 于所述位置識別部分而確定。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的路標，其中所述區(qū)域識別部分形成在形成所述 位置識別部分的所述三個標記內(nèi)部。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1和2的任意一項所述的路標，其中所述標記反射一定 波帶內(nèi)的光。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的路標，其中所述光是紅外線。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1和2的任意一項所述的路標，其中所述標記以預(yù)定尺 寸的圓形形狀形成。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1和2的任意一項所述的路標，其中所述標記在平面上 或者從平面突出形成。
10. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的路標，其中形成所述位置識別部分的所述標 記具有與形成所述區(qū)域識別部分的所述標記不同的尺寸和/或顏色。
11. 一種用于識別移動式機器人的位置的設(shè)備，所述設(shè)備包括 紅外發(fā)光單元，其將紅外線輻射到由反射所述紅外線的多個標記形成的路標上；紅外照相機，其拍攝所述路標并且獲得二進制圖像；標記檢測器，其標注包括在所述二進制圖像中的局部圖像并且通過使用每個所述局部圖像的標注的像素的數(shù)目和/或分布檢測所述標記；以及位置檢測器，其通過使用所述檢測到的標記的中心坐標檢測所述移動式才幾器人的坐標和方位角。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中所述紅外照相機與所述紅外發(fā)光 單元一起形成在一個主體中。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中所述路標安裝在所述移動式機器 人的頂部上，并且所述紅外照相機安裝在能夠拍攝所述移動式機器人的預(yù)定 空間中。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11至13的任意一項所述的設(shè)備，其中所述路標包括 由在任意位置的標記和位于以所述標記為中心的X軸和Y軸上的至少兩個標 記而形成的位置識別部分。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中所述路標還包括由多個標記的組 合形成的區(qū)域識別部分以/人其它路標區(qū)分單獨路標，并且所述位置4企測單元 還通過使用所述檢測到的標記，檢測所述移動式機器人的區(qū)域信息。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其中所述區(qū)域識別部分接收對應(yīng)于形 成所述區(qū)域識別部分的所述標記的數(shù)目和每個所述標記的位置的標識符，以 從其它路標區(qū)分所述單獨路標。
17. —種識別移動式機器人的位置的方法，所述方法包括(a) 通過將紅外線輻射到包括由在任意位置的標記和位于以所述標記為 中心的X軸和Y軸上的至少兩個標記而形成的位置識別部分的路標以反射所 述紅外線并且拍攝所述路標來獲得二進制圖像；(b) 標注包括在所述二進制圖像中的局部圖像并且通過使用每個所述局 部圖像的標注的像素的數(shù)目和/或分布來檢測所述標記；以及(c) 通過^f吏用所述檢測到的標記的中心坐標來檢測所述移動式 f幾器人的 坐標和方〗立角。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中通過使用每個所述局部圖像的標 注的像素的所述數(shù)目和/或分布來選擇標記候選，以及通過使用連接操作(b) 中所述選擇的標注的矢量的內(nèi)積;險測對應(yīng)于所述位置識別部分的三個標記。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中在操作(a)中獲得所述二進制圖 像，所述二進制圖像還包括由多個標記的組合形成的區(qū)域識別部分以從其它 路標區(qū)分單獨路標，并且通過使用所述位置識別部分的所述標記，還4企測所 述移動式機器人的區(qū)域信息。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述區(qū)域信息是對應(yīng)于形成所述 區(qū)域識別部分的所述標記的數(shù)目和每個所述標記的位置給出的標識符，以從其他路標區(qū)分所述單獨路標。
21. —種用于識別移動式機器人的位置的設(shè)備，所述設(shè)備包括紅外發(fā) 光單元，其將紅外線輻射到由反射所述紅外線的多個標記形成的并且接附到 預(yù)定空間的路標；紅外照相機，其安裝在所述移動式機器人中并拍攝所述路 標且獲得二進制圖像；兩軸傾斜儀，其安裝在所述移動式機器人中并且檢測 所述移動式機器人的傾斜信息；標記檢測器，其標注包括在所述二進制圖像 中的局部圖像并且通過使用每個所述局部圖像的標注的像素的數(shù)目和/或分 布來檢測所述標記；以及位置檢測器，其通過使用所述檢測到的標記的中心 坐標和所述移動式機器人的所述傾斜信息檢測所述移動式機器人的坐標和方 位角，其中所述設(shè)備具有傾斜修正功能。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其中所述路標包括由在任意位置的標 記和位于以所述標記為中心的X軸和Y軸上的至少兩個標記而形成的位置識 別部分。
23. —種具有傾斜修正功能的識別移動式機器人的位置的方法，所述方 法包括(a) 通過將紅外線輻射到包括由在任意位置的標記和位于以所述標記為 中心的X軸和Y軸上的至少兩個標記而形成的位置識別部分的^各標以反射所 述紅外線并且拍攝所述路標來獲得二進制圖像；(b) 檢測所述移動式機器vU目對地面的兩軸傾斜信息，并且當所述檢測到 的兩軸傾斜信息超過預(yù)定閾值時，再次獲得二進制圖像；(c) 標注包括在所述二進制圖像中的局部圖像并且通過使用每個所述局 部圖像的標注的像素的數(shù)目和/或分布來檢測所述標記；以及(d) 通過使用所述檢測到的標記的中心坐標來檢測所述移動式機器人的 坐才示和方位角。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中通過使用根據(jù)所述兩軸傾斜信息 的坐標變換矩陣而修正所述檢測到的標記的所述中心坐標，4企測所述移動式 機器人的坐標和方位角。
全文摘要
本發(fā)明提供用于識別在室內(nèi)空間中運動的移動式機器人的位置的路標和通過使用該路標識別移動式機器人的位置的設(shè)備以及方法。該路標包括由在任意位置中的標記和以該標記為中心的X軸和Y軸上的至少兩個標記形成的位置識別部分，并且還包括由多個標記的組合形成的區(qū)域識別部分用于從其它路標區(qū)分單獨路標。通過紅外照相機，該設(shè)備可以獲得路標的圖像，檢測形成該路標的標記并且從這些標記檢測該移動式機器人的精確位置和區(qū)域信息。
文檔編號G06T7/20GK101669144SQ200780052937
公開日2010年3月10日 申請日期2007年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月13日
發(fā)明者劉起成, 崔珍泰, 鄭熙敦 申請人:浦項產(chǎn)業(yè)科學研究院