技术领域本发明属于机器人定位导航技术领域，涉及一种室内机器人定位导航方法。
背景技术：
机器人的导航与定位技术是智能机器人领域的一个重要研究方向。机器人导航是指在有障碍物的环境中，以时间或距离最短为依据，从开始位置到终止点走出一条安全路径。机器人的导航方式已有很多种，根据诸多影响因素的不同，分为视觉导航、光反射导航、地图导航、惯性导航、路标导航等几种方式。作为机器人导航的基础，定位问题一直是机器人研究领域的热点之一。机器人的定位就是推算机器人所在环境中的位置的过程，可以分为相对定位法和绝对定位法。相对定位根据传感器的不同主要有基于惯性传感器的航迹推算定位方法以及基于码盘的航迹推算定位方法。相对定位法自身定位无需外部参考，但易造成误差累积，不适宜长时间的精确定位。绝对定位法主要包括主动灯塔、目标导航、地图匹配等方法，利用一种或多种外部传感器检测得到的周围环境特征对机器人在参考坐标系中的绝对位姿进行估算。路标导航定位方法由于可靠性好被广泛应用于室内机器人定位领域。目前基于路标定位的室内机器人定位方法一般需要在天花板大密度地贴设路标，路标在室内坐标系中的坐标是已知的，将基于路标的绝对定位和航迹推算的相对定位得到的信息进行数据融合。这种方式致力于得到实时精确的定位坐标，存在处理时间长、传感器数量多、当天花板存在不便布置路标的区域时误差大等缺点。
技术实现要素：
本发明基于路标定位导航方法存在的上述缺点，提出了一种室内机器人定位导航方法。本发明还提供了一种寻找目标点的方法。本发明采用基于被动式红外路标的单目视觉定位系统对室内机器人进行定位，该定位系统主要分为四个模块：机器人，安装在机器人上的摄像机，贴附在天花板上的路标标签、控制模块。机器人上安装有电子罗盘和编码盘，电子罗盘和编码盘可以检测到变化的角度和位移，根据机器人的起点坐标，控制模块就可以计算出机器人的相对坐标。所述摄像机采用CMOS或CCD感光芯片，镜头和感光芯片间装有滤光片。摄像机外围布置红外LED。所述路标在室内世界坐标系中的坐标是事先确定的。在红外标签能在摄像机视野范围内有效成像的区域，依靠路标标签进行绝对定位。路标标签采用回归反射材料，呈3×3或4×4点阵布置。路标标签上的点分成两部分，一部分用于路标ID值的计算，另一部分用于路标定位计算。将路标标签粘贴在室内天花板上，路标标签的ID值已事先通过标定，并存储在控制模块内。本发明中的机器人移动起始点坐标和预定路径已知。若机器人在移动途中停下，则将该位置坐标存储下来，作为再次出发时的起点坐标。其具体定位导航过程如下：(1)红外LED发射红外线，经路标标签反射的红外线在摄像机的CMOS或CCD感光芯片上成像；在检测时间T内，若摄像机没有得到有效的红外点阵成像，执行步骤(2)；若接收到，则执行步骤(3)；(2)舍弃CMOS或CCD感光芯片得到的信息，控制模块依据电子罗盘和编码盘的数据计算得到机器人的相对坐标，并将其作为一次定位结果；(3)控制模块根据摄像机得到的路标红外图像，计算路标的ID值和定位信息，得到绝对定位坐标，执行步骤(4)；(4)控制模块判断上轮定位坐标结果是否为相对坐标，若是，执行步骤(5)；若不是，以(3)中得到的坐标为该次定位结果，完成一次定位；(5)控制模块将(4)中上轮定位坐标结果是相对坐标这一判断结果作为中断源，产生中断。在这个中断中，控制模块首先寻找预定路径上的某一点，不妨称之为目标点，产生一条新的路径使机器人从偏离的位置回到预设路径的目标点上，使之前在相对定位区由定位误差累积造成的路径偏差得以修正。步骤(1)中检测时间T为从红外LED发射红外线开始经路标反射后在感光芯片上有效成像的最长时间，可由实验测得。因为红外线以光速传播，且室内环境下天花板高度有限，所以检测时间T很短，不会造成较大的定位误差。一种寻找预定路径上目标点的方法旨在通过修正开始时机器人的位置坐标和上一个目标点的位置坐标，计算得到新的目标点位置坐标，具体步骤如下：1、在控制模块中给目标点的坐标一个存储位置，在每次得到新的目标点后，用新的目标点坐标更新上个目标点坐标。2、在寻找新的目标点时，控制模块计算机器人当前所在位置距上个目标点的距离。3、以上个目标点为中心，以步骤2中的距离为半径作圆，得到该圆与预定路径的一个或几个交点。4、求这几个交点和机器人当前所在位置的距离。5、其中上步中距离最小的点即为新的目标点。6、更新目标点。本发明的有益效果是：本发明中的机器人移动起始点坐标和预定路径已知，且路标在室内世界坐标系中的坐标是事先确定的。该定位方法在检测不到路标的位置依靠航迹推算的相对定位方法快速定位；在检测到路标的位置计算得到机器人的绝对坐标，再寻找预定路径上的某一点，称之为目标点，产生新的路径到达该点，从而修正了无路标快速定位时带来的路径偏差。本发明主要特点是：当机器人从摄像机视野里不存在有效红外标签成像的区域移动到摄像机视野里存在有效红外标签成像的区域，需要对之前在相对定位区由定位误差累积造成的位移偏差进行修正。这种方式既能在检测不到路标的区域实现快速定位，又能保证路径不偏移，具有平均处理时间短、传感器数量少、能修正路径偏差等优点，尤其适于天花板不便于大量布置路标的室内环境。附图说明图1为本发明的定位流程图；图2为本发明的寻找目标点的方法示意图；图3为本发明的机器人二轮模型示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限如此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。本发明采用基于被动式红外路标的单目视觉定位系统对室内机器人进行定位，该定位系统主要分为四个模块：机器人，安装在机器人上的摄像机，贴附在天花板上的路标标签、控制模块。所述机器人上安装有电子罗盘和编码盘，电子罗盘和编码盘可以检测到变化的角度和位移，根据机器人的起点坐标，控制模块就可以计算出机器人的相对坐标。所述摄像机采用CMOS或CCD感光芯片，镜头和感光芯片间装有滤光片，摄像机外围布置红外LED。所述路标在室内世界坐标系中的坐标是事先确定的。在红外标签能在摄像机视野范围内有效成像的区域，依靠路标标签进行绝对定位。路标标签采用回归反射材料，呈3×3或4×4点阵布置。路标标签上的点分成两部分，一部分用于路标ID值的计算，另一部分用于路标定位计算。将路标标签粘贴在室内天花板上，路标标签的ID值已事先通过标定，并存储在控制模块内。本发明中的机器人移动起始点坐标和预定路径已知。若机器人在移动途中停下，则将该位置坐标存储下来，作为再次出发时的起点坐标。其具体定位导航过程如下：(1)红外LED发射红外线，经路标标签反射的红外线在摄像机的CMOS或CCD感光芯片上成像；在检测时间T内，若摄像机没有得到有效的红外点阵成像，执行步骤(2)；若接收到，则执行步骤(3)；(2)舍弃CMOS或CCD感光芯片得到的信息，控制模块依据电子罗盘和编码盘的数据计算得到机器人的相对坐标，并将其作为一次定位结果；(3)控制模块根据摄像机得到的路标红外图像，计算路标的ID值和定位信息，得到绝对定位坐标，执行步骤(4)；(4)控制模块判断上轮定位坐标结果是否为相对坐标，若是，执行步骤(5)；若不是，以(3)中得到的坐标为该次定位结果，完成一次定位；(5)控制模块将(4)中上轮定位坐标结果是相对坐标这一判断结果作为中断源，产生中断。在这个中断中，控制模块首先寻找预定路径上的某一点，不妨称之为目标点，产生一条新的路径使机器人从偏离的位置回到预设路径的目标点上，使之前在相对定位区由定位误差累积造成的路径偏差得以修正。定位导航流程图如图1所示。步骤(1)中检测时间T为从红外LED发射红外线开始经路标反射后在感光芯片上有效成像的最长时间，可由实验测得。因为红外线以光速传播，且室内环境下天花板高度有限，所以检测时间T很短，不会造成较大的定位误差。路标标签的材料为回归反射材料。回归反射材料具有将照射到其上的入射光按原入射方向大部分返回，提高自身能见度的功能。本发明所用路标是薄膜材料，便于粘贴在天花板上，不会影响美观。当机器人从检测不到路标的位置移动到能够检测到路标的位置，需要对之前在相对定位区由定位误差累积造成的位移偏差进行修正。这种方式既能在检测不到路标的区域实现快速定位，又能保证路径不偏移，具有平均处理时间短、传感器数量少、能修正路径偏差等优点，尤其适于天花板不便于大量布置路标的室内环境。修正的过程首先需要寻找到预定路径上的某一点，从而使机器人能够从当前位置移动到预定路径。这一点要求便于寻找，且与当前位置点距离短，不妨称之为目标点。本发明提出了一种寻找目标点的方法，结合图2，具体阐述如下：图2中实线表示机器人预定路径，虚线表示机器人实际行走路径，点划线表示算法中的辅助线。为了便于描述，把机器人看作一个质点，建立一个简单实用的机器人的二轮模型，如图3，室内的结构环境下，机器人运行在坐标系XOY内，A点是代表机器人的质点，在坐标系内的位置为(XA,YA,θ)，θ是机器人本体相对于坐标系X轴的转角，VL是机器人底盘小车左轮的速度，VR是底盘小车右轮的速度。实际应用时，规定小车前进或后退时VL＝VR；小车转弯时为原地转弯，此时轮子速度VL＝-VR。这样，在起始状态已知的情况下，可以把运行过程中任意时刻下机器人在坐标系中的位姿表示出来。1、在控制模块中给目标点的坐标一个存储位置，在每次得到新的目标点后，用新的目标点坐标更新上个目标点坐标；2、在第k次寻找目标点时，记修正前的位置坐标为第k个目标点的坐标是3、计算机器人当前所在位置与上个目标点的距离r；4、以上个目标点为中心，以r为半径作圆；5、得到该圆与预定轨迹的n(n≥1)个交点；6、计算与这些交点的距离d，选取d最小所对应的交点(xi,yi)为第k个目标点第一次寻找目标点时，则认为预定路径的起点为上一个目标点。因为理论上圆与预定轨迹的交点不会很多，所以程序并不繁杂。下面用方程描述第k次寻找目标点的过程：记预定轨迹方程为：P＝P(x,y)；圆的半径：r=(xSK-xAK-1)2+(ySK-yAK-1)2;]]>(x-xAK-1)2+(y-yAK-1)2=r2---(1);]]>P＝P(x,y)(2)；联立(1)、(2)求得n(n≥1)组解(xm,ym),m＝1,2,…,n；则到(xm,ym)的距离：dm=(xm-xSK)2+(ym-ySK)2;]]>若min(dm)＝di；则(xi,yi)为第k次目标点的坐标。第k次修正前的位置坐标为与X轴的夹角为可以由电子罗盘测得。第k个目标点与X轴的夹角为可由下式求得：θAk=arccos(∂P(x,y)∂x).]]>以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。