一种使用激光校正贴码误差的系统和方法
【专利摘要】本发明涉及一种使用激光校正贴码误差的系统和方法，该系统包括激光定位车以及安装在应用环境中的二维码和多个激光反光板，所述激光定位车包括车体、行走车轮、读码器和激光扫描器，行走车轮和读码器安装在车体的底部，所述的激光扫描器安装在车体上360度扫描无障碍的位置；该方法在应用环境中布设激光反光板和激光定位车、通过将激光定位车读码器采集的数据和激光扫描器采集的数据进行差值比对，从而得到贴码误差。本发明设计合理，为移动机器人确导航提供了可靠的基础，解决了用统计方法校正贴码误差存在的统计过程时间长、效率低的问题。
【专利说明】
一种使用激光校正贴码误差的系统和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及机器人导航技术领域，具体涉及一种使用激光校正贴码误差的系统和 方法。
【背景技术】
[0002] 基于二维码的移动机器人视觉导航是一种常用机器人导航方式。由于图像具有较 高分辨率，施工简单、成本低、环境信息完整、符合人类的认知习惯并且二维码图像具有迅 速被识读的特点，因此，基于离散式分布二维码的移动机器人自主导航被得到广泛关注和 认可。但是，这种基于离散式分布的二维码导航方法也有其天然的问题:人工敷设二维码难 以做到十分精确，其左右位置的贴码误差一般会有1到2毫米，其倾斜角度的贴码误差一般 会有1度的误差（由安装在移动机器人中心点的读码器测量）。虽然只有1度的角度误差，但 由于是贴码贴歪了而非车体走歪了，当移动机器人以被贴歪了的二维码作为标准校正自身 姿态、再到达下一个二维码时，将产生更大的误差，理论值为：当上一个二维码贴歪了 1度 时，在下一个二维码将会产生1.7cm(tan(l度)*lm)的位置偏差，因此，移动机器人在到达下 一个二维码时其纠偏幅度就会更大，这样就会呈现出机器人在运行过程中非常不稳定的状 ??τ 〇
[0003] 为了校正二维码贴码误差，专利文献(专利名称：用于校正贴码误差的移动机器人 定位方法，申请号：201310247584.8"采用如下统计方法校正二维码贴码误差:让同一台移 动机器人多次对同一个被测量的二维码进行位姿测量，如果每次测量的误差值相同或相 近，则认为该二维码存在贴码误差，用该贴码误差值更新地图，将更新后的地图作为移动机 器人视觉导航的基准值。虽然统计方法在一定程度上能够解决校正贴码误差的问题，但是， 该统计方法对于每个信息采集点都需要作几十次重复的数据采集才能将统计结果趋于准 确，实施过程费时费力，效率低。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种使用激光校正贴码误差的系统 和方法，解决用统计方法校正贴码误差效率低的问题。
[0005] 本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
[0006] -种使用激光校正贴码误差的系统，包括激光定位车以及安装在应用环境中的二 维码和多个激光反光板，所述激光定位车包括车体、行走车轮、读码器和激光扫描器、读码 器定位控制器和激光扫描定位控制器，行走车轮和读码器安装在车体的底部，所述的激光 扫描器安装在车体上360度扫描无障碍的位置。
[0007] 所述多个激光反光板米用随机且非对称方式布设在与激光扫描器为同一个平面 的位置上。
[0008] 所述激光反光板至少为三个。
[0009] 所述二维码为单体二维码，或者为由单体二维码组成的二维码码阵。
[0010] 所述的行走车轮包括主动轮和随动轮。
[0011] -种使用激光校正贴码误差的系统的方法，包括以下步骤：
[0012 ]步骤1、建立世界坐标系、小车坐标系、激光坐标系和图像坐标系；
[0013] 步骤2、在应用环境中以随机、非对称方式布设至少三个以上的激光反光板;所述 激光反光板与激光扫描器为同一个平面且与激光扫描器分别间隔一定距离；
[0014] 步骤3、激光定位车的读码器定位控制器获取在小车坐标系下其车体中心点相对 于当前信息采集点的位姿偏差；
[0015] 步骤4、根据激光定位车车体中心点在小车坐标系下相对于当前信息采集点的位 姿偏差以及当前信息采集点在世界坐标系下的坐标值和角度值，计算激光定位车车体中心 点在世界坐标系下相对于当前信息采集点的位姿偏差；
[0016]步骤5、激光定位车的激光定位控制器获取在世界坐标系下当前信息采集点相对 于原始点位姿偏差；
[0017] 步骤6、采用差值法计算贴码误差。
[0018] 所述的当前信息采集点为二维码信息采集点。
[0019] 本发明的优点和积极效果是：
[0020] 本发明在应用环境中布设激光反光板和激光定位车、通过将激光定位车读码器采 集的数据和激光扫描器采集的数据进行差值比对，从而得到贴码误差，为移动机器人确导 航提供了可靠的基础，解决了用统计方法校正贴码误差存在的统计过程时间长、效率低的 问题。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明的激光定位车的结构示意图；
[0022] 图2为激光定位车在世界坐标系下坐标值示意图；
[0023] 图3为本发明的激光定位方法示意图；
[0024]图4为采用差值计算贴码误差的原理示意图（第一种形式）；
[0025]图5为采用差值计算贴码误差的原理示意图（第二种形式）；
[0026]图6a为采用差值计算贴码误差的原理示意图（第三种形式步骤一）；
[0027]图6b为采用差值计算贴码误差的原理示意图（第三种形式步骤二）；
[0028] 其中，0:车体；1:主动轮;2:随动轮;3:读码器;4:激光扫描器;5:激光反光板;0-1 激光定位车在特征点P处(原始点）；〇_2激光定位车在特征点广处并旋转角度Θ ;〇-3_1:第一 反光板;0-3-2:第二反光板;0-3-3:第三反光板;0-4:激光定位车在特征点P处扫描第一反 光板得到的XI、Y1;0-5:激光定位车移动到特征点P'处扫描第一反光板得到的XI'、Y11-1:在小车坐标系下车体中心点到二维码中心点在X轴上的偏差值；1 -2:在小车坐标系下车 体中心点到二维码中心点在Y轴上的偏差值;2-1:二维码中心点在世界坐标系中的坐标值； 2-2:二维码贴码误差;3-1:通过计算得到的车体中心点在世界坐标系中的坐标值;3-2:激 光定位车从原始点(特征点P)移动到特征点P'相对于原始点的坐标值。
【具体实施方式】
[0029] 以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：
[0030] -种使用激光校正贴码误差的系统，包括布设在应用环境中的激光反光板和激光 定位车。如图1所示，激光定位车包括车体0、行走车轮(包括主动轮1和随动轮2 )、读码器3、 激光扫描器4、读码器定位控制器和激光扫描定位控制器，所述主动轮和随动轮安装在车体 的底部，所述的读码器安装在车体的底部用于读取布设在地面上的二维码，所述二维码可 以是单体二维码，也可以是由单体二维码组成的二维码码阵。所述的激光扫描器安装在车 体上360度扫描无障碍的位置，在本实施例中，激光扫描器4安装在车体的上表面360度扫描 无障碍的位置。
[0031 ]所述的激光反光板米用随机且非对称方式布设在与激光扫描器同一个平面且与 激光扫描器分别间隔一定距离的位置上。如图3所示，激光反光板的布设方法为:第一反光 板0-3-1、第一反光板0-3-2、第一反光板0-3-3对于激光扫描器是非对称布设的。如果三块 反光板对于激光扫描器不是非对称布置而是对称布设，将会出现错误的运算结果，即从原 始点P到当前点广虽然激光扫描器发生了物理上的位姿变化，但是求出来的（tx，ty，0)值却 无变化。其原理是：XN或XN^COSe+^YN或YN'=SIN0*L，如果公式中的Θ值、L值都是相同 的，这样求出的XN或XN'或YN或YN'也是相同的，则P(tx，ty，0)与？'（^#，0)的值也是相同 的，因此，当反光板对称布设在激光扫描器的周围时，P'(tx，ty，0)的值将会产生错误的结 果。
[0032] 一种用激光校正贴码误差的方法，其特征在于:包括以下步骤：
[0033] 步骤1、建立世界坐标系、小车坐标系、激光坐标系、图像坐标系。
[0034] 世界坐标系是绝对坐标系，可以室内某个静止不变的点作为原点。
[0035] 小车坐标系是将激光定位车的中心点为原点，以通过中心点与激光定位车前进方 向平行的轴为X轴、通过中心点与激光定位车前进方向垂直的轴为Y轴。
[0036] 激光坐标系是以固装在车体的激光扫描器为原点建立二维平面的坐标系。激光坐 标系可以与小车坐标系重合，也可以与小车坐标系保持相对的位姿偏差。
[0037]图像坐标系为二维码图像坐标系。
[0038] 步骤2、在应用环境中采用随机且非对称方式布设至少3个以上的激光反光板。所 述激光反光板与激光扫描器为同一个平面且与激光扫描器分别间隔一定距离；
[0039] 步骤3、激光定位车的读码器定位控制器获取在小车坐标系下车体相对于当前信 息采集点的位姿偏差。
[0040] 关于读码器定位控制器获取在小车坐标系下车体相对于当前信息采集点的位姿 偏差，基于在先申请的专利号：201210186563.5,专利名称:基于二维码的室内移动机器人 定位系统，在此不再赘述。
[0041] 步骤4、根据激光定位车车体中心点在小车坐标系下相对于当前信息采集点的位 姿偏差以及当前信息采集点在世界坐标系下的坐标值和角度值，计算激光定位车车体中心 点在世界坐标系下相对于当前信息采集点的位姿偏差。
[0042] 如图2所示，在小车坐标系下，车体中心点3-1相对于二维码中心点在激光定位车X 轴方向的偏差1-1为10，车体中心点3-1相对于二维码中心点在激光定位车Y轴方向的偏差 1-2为10，二维码中心点2-1在世界坐标系下的坐标为（100，100 )，则激光定位车车体中心点 在世界坐标系下的坐标X= 100-10 = 90 ;Y= 100-10 = 90。
[0043] 步骤5、激光定位车的激光定位控制器获取在世界坐标系下当前信息采集点相对 于原始点位姿偏差。
[0044] 如图3所示，激光定位车的激光扫描器获取在世界坐标系下当前信息采集点P'相 对于原始点(P)位姿偏差(tx，ty，Θ)的具体过程如下：
[0045] ①建立世界坐标系；
[0046] ②建立前后两次扫描到的特征点PU^Yl·)和ΡΚΧΛΥ")坐标变换公式；
[0047] p'=RP+T,
[0048] 式中：
[0050] 其中，R为激光反光板从特征点P到P'的有关Xi'、Yi'的旋转平移变换公式；（tx，ty， Θ)即为激光扫描器从原始点P移动到当前信息采集点Η相对于原始点P的位姿变化。由于激 光扫描器固定安装在车体上，因此，激光扫描器的位姿变化也是车体的位姿变化:tx，ty为 车体从特征点P移动到特征点P'的位置变化，Θ为车体从特征点P移动到特征点P'的角度变 化；
[0051] 在图3中，激光扫描器在原点(P)测得第一反光板的坐标值为(X^Yi)，在Η测得的 第一反光板的坐标值为(Χ^,Υ^)，其中（X^Yi)是相对于世界坐标系原点的坐标值；（X"， Y")是相对于广点的激光坐标系的坐标值，本实施例中假设广点的小车坐标系和激光坐标 系是重合的。
[0052] ③建立关于的方程：
[0053] 方程一、Xi' =rll Xi+rl2 Yi+tx
[0054] 方程二、Y"=r21 Xi+r22 Yi+ty
[0055] 其中，X"、Y"、心、心是已知条件，可以通过计算得到这四个已知条件，其计算原理 为:激光扫描器每间隔一个设定的角度以360度扫描方式对周围的反光板进行扫描，根据激 光反光板扫描的次数可知当前已经转过的角度Θ，如图3所示，激光扫描器扫描到第一反光 板0_3_1、第二反光板0_3_2、第二反光板〇-3_3的角度Θ是可知的，激光扫描器到第一反光板 0-3-1、第二反光板0-3-2、第三反光板0-3-3的距离L(L即为激光扫描器分别到各个反光板 的连线的长度)可以通过光速往返时间计算得到，有了角度Θ和L，即可通过COS0*L和SI_*L 得到 Χι'、Υι'、Χι、Υι。
[0056] ④根据方程一、方程二中的已知条件确定未知数
[0057] 方程一、方程二中中除去已知数X"、Υ"、Χι、Υι还剩下6个未知数:rll、rl2、r21、 r22、tx、ty;
[0058]⑤建立关于6个未知数的求解方程：
[0059]求解6个未知数则需要建立6个方程，一个反光板能够建立关于心''的2个方程， 如果要想建立6个方程，则需要布设至少3个反光板，布设3个反光板求得6个未知数的方程 如下：
[0060] Xi,=rll Xi+rl2 Yi+tx
[0061] Yi,=r21 Xi+r22 Yi+ty
[0062] X2,=rll X2+rl2 Y2+tx
[0063] Y2,=r21 X2+r22 Y 2+ty
[0064] X3,=rll X3+rl2 Y3+tx
[0065] Y3,=r21 X3+r22 Y3+ty
[0066] ⑤求解方程得到激光定位车到达P'点时相对于原点(P)的位姿信息(tx，ty，Θ);
[0067] 步骤6、用差值法计算贴码误差。
[0068]差值法计算贴码误差的原理为：
[0069] 第一种方式：未发生贴码误差。假设激光扫描器和读码器按照上下位置竖直安装 在车体中心线上，并且假设激光坐标系和激光定位车坐标坐标系重合，分别求出激光定位 车到达广点时读码器(或车体中心点）在世界坐标系下的位姿(tx车，ty车，Θ车)，以及激光扫描 器在世界坐标系下的位姿(txrn，tym，θ?)，如图4所示，图中2-1为二维码未发生贴码误差 的正确位置，此时，读码器读出的车体中心点到二维码中心点的偏差值为（10,1〇,〇)，通过 该偏差值进一步计算得到车体中心点在世界坐标系下的位姿(tx车，ty车，Θ车)的值为(90,90， 〇)，同时，激光扫描器在Η特征点测得的相对于原点P的位姿(txm，tym，9m)的值为(90， 90，0)，由于(tx^，ty车，Θ车)与（tx激fe, ty激fe, Θ激fc)的差值为零，因此，贴码误差为零。
[0070] 第二种方式:发生了贴码误差。假设激光扫描器和读码器按照上下位置竖直安装 在车体中心线上，并且假设激光坐标系和激光定位车坐标坐标系重合，分别求出激光定位 车到达广点时读码器(或车体中心点）在世界坐标系下的位姿(tx车，ty车，Θ车)，以及激光扫描 器在世界坐标系下的位姿(txm，tym，θ?)，如图5所示，图中二维码向右偏离了虚线框发 生了贴码误差，此时，读码器读出的车体中心点到二维码中心点的偏差值由（10,10,0)变为 (15，10,0)，通过该偏差值进一步计算得到车体中心点在世界坐标系下的位姿(^车3 7车， Θ车）的值为（85，90，0)，同时，激光扫描器在Ρ'特征点测得的相对于原点Ρ的位姿（txm， tym，9m)的值为(90，90，0)，通过差值计算，得到二维码在X轴方向向右偏离值为5。
[0071] 第三种方式:激光坐标系和小车坐标系并不重合。如图6a所示，激光坐标系向左偏 离小车坐标系的值为3，此时，用差值法计算贴码误差的方法如下：
[0072] ①建立激光坐标系和小车坐标系的转换关系；
[0073] ②根据激光坐标系和小车坐标系的转换关系，对激光定位车定位当前P'点在世界 坐标系下相对于原始点的位姿偏差进行补偿，如图6b所示，补偿以后Η虚拟回到了原来的 位置，激光扫描器定位当前虚拟广点在世界坐标系下相对于原始点的位姿偏差为(90,90， 〇)，此时，车体中心点在世界坐标系下的位姿(七1车#车，0车)的值为(85,9〇,〇)，通过差值计 算，得到二维码在X轴方向向右偏离值为5。
[0074] ③将车体相对于世界坐标系的位姿偏差与补偿后的激光定位车定位当前二维码 在世界坐标系下的位姿信息(tx，ty，0)进行比较，其差值即为二维码的贴码误差。
[0075] 需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包 括并不限于【具体实施方式】中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案 得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
【主权项】
1. 一种使用激光校正贴码误差的系统，其特征在于:包括激光定位车以及安装在应用 环境中的二维码和多个激光反光板，所述激光定位车包括车体、行走车轮、读码器、激光扫 描器、读码器定位控制器和激光扫描定位控制器，行走车轮和读码器安装在车体的底部，所 述的激光扫描器安装在车体上360度扫描无障碍的位置。2. 根据权利要求1所述的一种使用激光校正贴码误差的系统，其特征在于:所述多个激 光反光板采用随机且非对称方式布设在与激光扫描器为同一个平面的位置上。3. 根据权利要求1所述的一种使用激光校正贴码误差的系统，其特征在于:所述激光反 光板至少为三个。4. 根据权利要求1至3任一项所述的一种使用激光校正贴码误差的系统，其特征在于： 所述二维码为单体二维码，或者为由单体二维码组成的二维码码阵。5. 根据权利要求1至3任一项所述的一种使用激光校正贴码误差的系统，其特征在于： 所述的行走车轮包括主动轮和随动轮。6. -种如权利要求1至5任一项所述使用激光校正贴码误差的系统的方法，其特征在于 包括以下步骤： 步骤1、建立世界坐标系、小车坐标系、激光坐标系和图像坐标系； 步骤2、在应用环境中以随机、非对称方式布设至少三个以上的激光反光板;所述激光 反光板与激光扫描器为同一个平面且与激光扫描器分别间隔一定距离； 步骤3、激光定位车的读码器定位控制器获取在小车坐标系下其车体中心点相对于当 前?目息米集点的位姿偏差； 步骤4、根据激光定位车车体中心点在小车坐标系下相对于当前信息采集点的位姿偏 差以及当前信息采集点在世界坐标系下的坐标值和角度值，计算激光定位车车体中心点在 世界坐标系下相对于当前信息采集点的位姿偏差； 步骤5、激光定位车的激光定位控制器获取在世界坐标系下当前信息采集点相对于原 始点位姿偏差； 步骤6、采用差值法计算贴码误差。7. 根据权利要求6所述的一种使用激光校正贴码误差的系统的方法，其特征在于:所述 的当前?目息米集点为二维码?目息米集点。
【文档编号】G01B11/00GK106091924SQ201610370953
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】刘征
【申请人】深圳普智联科机器人技术有限公司