以定距三球为视觉标志物的室内自动运输车定位系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种室内定位技术领域，特别涉及一种基于机器视觉的室内自动 运输车定位技术领域。
【背景技术】
[0002] 由于室内环境中存在较多的限制条件，导致GPS系统并不能发挥它准确定位的 优势。因此寻找一个合适技术进行室内定位（IPS)也很快成为当今研究开发的热点。目 前常用的室内定位技术包括AGPS技术、超声波技术、射频识别技术和无线局域网技术等， 但这些技术的定位精度比较低，不仅易受多径效应和环境变动而影响计算，而且需要在室 内布置大量硬件设施辅助定位，不利于维护。近年来出现一些基于视觉的物体位置和方 向的检测方法，如文献 "DeRen Li, Yong Liu, XiuXiao Yuan, Image-based self-position and orientation method for moving platform[J]. Science China Information Sciences, 2013, 56(4) :4649-4662. "其主要优势是能够避开上述技术因传输产生的误差， 提供比较高的定位精度，并且能够不增加硬件成本就能进行目标物方向和倾角的检测。
[0003] 对于机器视觉的定位方式，目前主要有以下三种方案：单目视觉定位、双目视觉 定位和全方位视觉定位。基于双目视觉的定位系统，主要根据双摄像头获取场景图像的视 差信息进行位置判断，如文献"白明，庄严，王伟.双目立体匹配算法的研究与进展[J]. 控制与决策，2008, 23(7) :721-729. " ；全方位视觉定位系统，利用全方位摄像头获取包含 360°场景信息的图像，接着把全方位图展开成柱面全景图，最后实现目标物的定位，如文 献"周明晖.基于全方位视觉的柱面展开与实时目标跟踪算法研究[D].上海：上海交通大 学，2013"。对比以上两种方案，基于单目视觉的定位系统无需解决双目视觉系统中双图像 的像素匹配和全方位视觉系统中图像畸变、像素重复与丢失等带来的误差问题，并具有成 本低、体积小、实时性高的特点，因此近年来越来越多地被采用。其中基于几何投影法的单 目视觉测距方法被广泛应用于移动机器人测距、汽车自动壁障等。但在实际应用时，机器人 或汽车的走动容易引起摄像头的抖动，这将严重影响测距算法，造成较大的误差。
[0004] 通常自动运输车（AGV)本身不适用于作为定位目标，因为不同应用的AGV外观不 尽相同，需要针对不同的AGV更改识别算法，并且AGV外观在不同视图下不具有不变性，需 要增加矫正算法，这不仅会带来矫正误差，而且会增加代码开销。
【发明内容】
[0005] 本实用新型的目的是为了避免上述现有室内定位技术存在的误差问题，提供一种 采用固定单摄像头方式并以特定组合的三球标志物作为定位目标的室内自动运输车定位 系统，实现室内自动运输车的快速、精确、可靠的定位。
[0006] 本实用新型所采用技术方案如下：
[0007] 设计一种由特定组合的三球标志物作为定位目标，间接实现室内自动运输车位 置、方向及倾角的检测，该标志物由两个半径相同的小球和一个半径为小球半径2倍的大 球组合而成，且两个小球球心与大球球心距离都为大球半径的4倍，三球球心构成一个以 小球球心与大球球心的距离为腰长，顶角为120°的等腰三角形，三个球均可分别装入三种 不同颜色的LED，搭配成27种不同编码的标志物。在室内地面中，大球球心主要作为定位目 标的位置判断，等腰三角形在室内地面的方位作为定位目标方向的判断，三小球的球心所 构成平面与室内平面产生的夹角作为定位目标的倾角判断。
[0008] 所述三种不同颜色的LED为红、绿、蓝三种颜色的LED。
[0009] 所述等腰三角形方位是指以大球球心为原点，与底边中点构成的射线在室内地面 指向的方向。
[0010] 在室内天花板上固定安装光轴垂直于室内地面的摄像机，由该摄像机获取室内地 面图像，处理器对所获取的图像进行预处理、标志物的识别以及位姿的计算，并通过无线通 信模块完成对自动运输车的导航及控制。
[0011] 优选的，所述处理器为DSP数字信号处理器。
[0012] 所述图像预处理具体处理过程如下：先对RGB图像进行颜色分割，接着对颜色分 割后的图像进行形态学腐蚀和膨胀操作，最后对图像进行边缘提取操作。
[0013] 所述标志物的识别具体处理过程如下：先对所有边缘轮廓像素进行归类和记录， 接着对满足面积要求以及圆形度要求的轮廓进行筛选，对筛选后的轮廓图像进行最小二乘 法的椭圆拟合，最后利用三球之间的距离、线度比例关系和模式匹配方法识别出标志物。
[0014] 所述位姿的计算具体处理过程如下：先由图像中三球球心的位置根据小孔成像的 几何投影关系计算出三球在室内地面位置，再根据三球的计算结果进一步得出目标物的方 向和倾角。
[0015] 优选的，所述无线通信模块为工作在2. 4G~2. 5GHz的无线收发芯片。
[0016] 与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
[0017] (1)对单个球状物进行位置定位，它在任意视角下都具不变性，任意方位都不影响 识别的稳定性，避免了增加矫正算法带来的代码开销，提高识别速度。
[0018] (2)检测自动运输车方向和倾角时，只需通过三球位置关系即可检测，无需对自动 运输车轮廓进行处理，此方式实现简洁，且误差小、实时性好。
[0019] (3)根据三球的可发光性、特定的距离及线度比例关系，不仅提高了系统对标志物 识别的可靠性，抗干扰能力强，可完成复杂环境下的定位，且可组合成27种编号的标志物， 可适用于多台自动运输车的同时导航及控制。
[0020] (4)标志物的使用让系统不局限于某种形状的自动运输车，只需把标志物安装在 自动运输车就可定位，提高系统普适性。
[0021] (5)采用固定摄像机方式，无需解决机器人或汽车走动引起摄像头抖动造成的误 差问题，有效提尚了室内的定位精度。
【附图说明】
[0022] 图1为本实用新型中的三球标志物构造示意图；
[0023] 图2为本实用新型中的标志物位置定位原理模型图；
[0024] 图3为本实用新型中的标志物方向检测示意图；
[0025] 图4 (a)~（b)分别为标志物中小球Q的y方向倾斜及两小球X方向倾斜示意图；
[0026] 图5为本实用新型中的系统组成示意图；
[0027] 图6为本实用新型中的处理器对每帧图像的处理及识别算法流程图；
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图对本实用新型的实施作进一步的详细描述
[0029] 设计一种由特定组合的三球标志物作为定位目标，间接实现室内自动运输车的定 位功能，该标志物结构如图1所示，由三个小球半径比例为R1:R2:R3=2:1:1，两个小球球心 与大球球心距离L0与大球半径R1比例为L0:R1=4:1，两个小球球心与大球球心之间的夹 角Z QPQ' =120°，三个球均可分别装入三种不同颜色的LED，搭配成27种不同组合的标志 物。
[0030] 进行定位目标的位置检测时，只需找出大球球心在图像中的位置，然后通过几何 投影关系求出在室内地面的位置。如图2所示，该摄像机成像模型简化为小孔成像模型，在 室内坐标系中，将摄像头在室内地面的垂直投影点0作为坐标系原点，沿着摄像头方向的 右方定义为X轴方向，摄像头正前方定义为Y轴方向。在图像坐标系中，Η和W分别为图像 的高和宽，为方便计算，定义图像矩形的中点G'为图像坐标系的原点，y轴为原点垂直于图 像上边界向上的方向。P(x，y)是目标点的室内坐标，p(u，v)为对应的图像坐标。则目标点 在Y轴的坐标y有下面公式确定：
[0031]
[0032] 其中h为摄像头距离地面的高度，yl是摄像头光轴与地面交点G到0点的距离， Δ h是标志物质心距离地面的高度、2 Θ为摄像机的垂直视场角，Η为图像的高。
[0033] 则目标点在X轴的坐标X有下面公式确定：
[0034]
[0035] 六 τ 6。 yin双咏ν L· 口 小 I 用,η 乃 m I豕 口 见。
[0036] 参照图3,进行定位目标的方向检测时，先由上述公式获得三个球球心在室内坐 标系的坐标P(xl, yl)、Q(x2, y2)、Q'（x3, y3)，在进行方向解算之前，需要对这些坐标进 行修正，这是因为当三球球心平面与室内平面不平行（即存在倾角）时，这时P(xl，yl)、 Q(x2，y2)、Q'（x3，y3)组成的三角形不再是顶角为120°的等腰三角形，然而已知这种误差 是由于小球相对大球有垂直偏移造成，使得计算X、y的计算结果同时被改变，且已知三球 构成一个标准边长为L0的等腰三角形，因此可以根据这些特性对存在变形的三角形进行 矫正，其方法：用两点距离公式分别计算出可丨距离Lpq和距离Lpq'，先求得Lpq与L0 的偏