专利名称：基于红外路标的移动机器人定位系统和方法
技术领域：
本发明涉及红外成像技术领域，具体地涉及移动机器人视觉定位技术领域。
背景技术：
随着计算机技术、超大规模集成电路技术、网络技术、人工智能技术等的飞速发展，机器人技术也得到了突飞猛进的发展。机器人的种类越来越多，应用范围也越来越广。 2007年，微软总裁比尔·盖茨在《科学美国人》杂志中预言机器人将与30年前的个人电脑一样进入千家万户。韩国三星经济研究所曾经预测，到2020年，世界机器人市场规模到将达到1. 4万亿美元，韩国信息与通信部甚至曾订出2020年每家都有一个机器人的惊人目标。对于智能移动机器人来说，为了能高效地从环境中穿行并到达目的地，并使它能根据环境中己知的一些特征来判断出它自身的位置，这就是移动机器人的定位问题。机器人要想能在未知环境中自动行走，定位是最基本的问题。近年来国内外许多研究人员使用多种传感器，对移动机器人的自定位问题进行了深入研究，提出了许多自定位方法。自定位方法包括拓扑表示法、航位推算法、卡尔曼滤波估计、栅格法、概率法、同时定位与制图法等。用于定位的传感器包括视觉传感器、激光、 红外、超声、码盘、陀螺仪、加速度计等。码盘、陀螺仪、加速度计是用于局部定位的辅助传感器。红外、超声传感器受精度所限，一般用于紧急避障。激光传感器成本较高，不适合民用推广。视觉传感器获取的环境信息最为丰富，发展空间最大。目前研究人员都侧重于机器人的视觉定位研究。移动机器人的视觉定位一般分自然路标和人工路标两种模式。自然路标是指利用环境中原有的场景作为标记进行定位导航。虽然自然路标不破坏原有环境，普适性好，但计算复杂、鲁棒性不强、实用性差。人工路标是指人为设计特定的路标安装在环境中，人工路标虽然对环境有所改变，但计算简单、特征稳定、实用性强。目前研究人员所采用的人工路标多是设计特殊颜色信息或者纹理结构信息的图案，也包括数字、字母以及二维条码等。这些图案一般都是用纸片打印制作，通过环境光照明使摄像机感光成像，因此容易受环境光照变化的影响，从而稳定性较差。
发明内容
本发明的目的是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于红外路标的移动机器人视觉定位系统和方法，实现针对移动机器人的准确、快速、鲁棒的定位。本发明的基于红外路标的移动机器人室内定位系统包括点阵式主动红外路标， 贴附于室内天花板上，为3X3型点阵式，红外路标的世界坐标值被预先确定；广角红外摄像机，固定在移动机器人身上，用于捕捉红外图像，广角摄像机的内参和畸变参数被预先标定，其初始单应矩阵Htl也被预先确定；计算机单元，用于从广角红外摄像机接收所述红外图像，并对红外图像进行畸变校正及图像预处理操作，并根据处理后的红外图像来检测和识别红外路标，然后利用初始单应矩阵Htl，采用扩展单应矩阵定位方法对移动机器人进行定位计算。本发明还提供了一种基于红外路标的移动机器人室内定位方法，该方法包括步骤将3X3型的点阵式主动红外路标帖附于天花板上，确定所有红外路标的世界坐标值； 将广角红外摄像机固定在机器人身上，标定广角摄像机的内参和畸变参数，计算摄像机的初始单应矩阵H0 ；确定移动机器人的初始位姿；捕捉红外图像，并进行畸变校正及图像预处理操作；检测并识别红外路标；利用初始单应矩阵Htl，采用扩展单应矩阵定位方法进行定位计算。本发明的优点如下本发明提出的红外路标模式制作简单，方便图像检测、识别以及定位计算；定位算法原理简单、计算快速、定位准确。本发明提出的定位系统可用于较大范围的室内场所进行移动机器人的快速、准确、鲁棒的定位。
图1为本发明的系统组成示意图；图2为本发明中的红外路标示意图；图3为本发明的定位系统的离线工作流程图；图4为本发明的定位系统的在线工作流程图；图5为真实mark与虚拟mark之间的平移旋转关系图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。图1给出了本发明的基于红外路标的移动机器人定位系统的示意图。参照图1，该系统包括贴附于室内天花板上的、3X3型的点阵式主动红外路标1 ； 固定在机器人身上的广角红外摄像机2 ；用于图像分析与定位计算的计算机单元3。天花板平面与地面平行，红外路标1贴附于天花板平面，广角红外摄像机2固定在机器人平台上方，向上拍摄红外路标，用于图像分析与定位计算的计算机单元3安置在移动机器人平台内部。红外路标1的安装距离需要结合摄像机的视野大小以及摄像机离天花板的高度综合考虑，以使得摄像机不存在定位死角为准，即摄像机在场景中任何地方至少能拍摄到一个路标，在天花板平面上贴有多个红外路标1。红外路标1的点阵由贴片式红外发射二极管发光实现。红外发射二极管的发光波长一般有850nm和940nm两种，由于CXD对850nm光波的感光度大于940nm的光波，因此选用波长为850nm的红外发射二极管。红外路标1的具体设计模式如图2所示。3*3的点阵中有两种点集，外围面积较大的四点和其余小点。每个路标都有位置相同的四个大点，用于确定路标的子坐标系，即确定出路标点阵的原点和XY坐标轴，另外，该四点在定位算法中用于计算单应矩阵。剩下的5个小点用于计算路标的ID值以区分每个路标，组合数为32， 即可以表示32种不同的路标。ID值的计算采用二进制编码的方式，图2中给出了每个小点的二进制码值，ID值范围为0-31。为了使单个路标覆盖的定位范围尽可能的广、使用的路标数量尽可能的少，所用摄像机必须有足够大的视野范围，因此红外广角摄像机采用焦距为2. 8mm或者2. 5mm的大广角镜头。镜头前方安装中心波长为850nm的窄带通滤波片，从而只对850nm(路标点阵红外二极管对应的光波波长)的光波进行感光成像。本发明的基于红外路标的移动机器人室内定位系统的工作过程包括离线过程和在线过程。其中离线过程涉及定位环境的配置和各种参数的计算。参照图3，离线过程包括标定广角摄像机的内参和畸变参数；确定所有红外路标的世界坐标值；确定移动机器人的初始位姿；计算摄像机的初始单应矩阵IV参照图3，离线过程具体包括以下步骤步骤S301，先完成摄像机标定工作，标定广角摄像机的内参和畸变参数，将摄像机内参以及畸变校正的映射矩阵存于相应文档Tl。步骤S302，制作路标，具体地，采用条形电路板搭成“田，，字型架子，在交叉点处焊接贴片红外发射二极管。步骤S303，将路标贴附于天花板平面，将摄像机安装在移动机器人平台上方。定位环境搭建好后，剩下的工作就是建立地图信息以及测定用于定位计算的参数，地图信息主要是记录各个路标的子坐标系在世界坐标中的位置，通过步骤S304计算出每个路标的世界坐标值，并存入相应文档T2。每个路标的世界坐标值确定方法如下由于每个路标上都有四个定位点，所以可以利用单应矩阵关系将路标的位置一一确定。路标的世界坐标数据存储在一个文件中，格式为0 1,0 460,0 0,460 0,460 2301 :0，0 0,0 0,0 0,0 02 0,0 0,0 0,0 0,0 0...........................31 0,0 0,0 0,0 0,0 0(1)每行数据的格式说明如下路标ID 该路标世界坐标是否确定(是1，否0)，定位点0的世界坐标值(每个坐标之间以空格分隔)，定位点1的世界坐标值(每个坐标之间以空格分隔)，定位点2的世界坐标值(每个坐标之间以空格分隔)，定位点3的世界坐标值(每个坐标之间以空格分隔)。假定选ID为0的路标作为原点路标，即以0号路标的子坐标系作为世界坐标。其它路标的世界坐标计算的过程如下1.检测出摄像视野中的所有路标，并识别出它们的ID 值。2.从路标世界坐标文档中搜索识别出来的路标，如果有某个路标的世界坐标已经确定 (通过标识判断)，则利用该路标的四个定位点计算出当前图像的单应矩阵H。利用H计算出其他未确定世界坐标值的路标的四个定位点坐标，然后将数据存入文档。3.如果视野中的路标都没有确定，则移动机器人，重新开始第一步。4.当能拍摄到的路标都已经确定完后，计算结束。接下来，在步骤S305计算初始单应矩阵Htl，并将计算结果存入Htl文档T3。初始单应矩阵的确定方法说明如下本发明采用的基于平面假设的扩展单应矩阵定位方法中，以摄像机坐标系为参照，即单应矩阵不发生变化，路标产生虚拟位移。后面的定位计算都是针对初始单应矩阵进行的。由于所有路标都统一到世界坐标系下，所以初始单应矩阵可以任选一个路标中的四个点进行计算。单应矩阵的确定方法如下路标中各点的位置与摄像机3成像平面构成的投影关系为平面到平面的射影关系，即单应矩阵变换关系，公式表述如式2所示。
权利要求
1.一种基于红外路标的移动机器人室内定位系统，该系统包括点阵式主动红外路标，贴附于室内天花板上，为mXm型点阵式，红外路标的世界坐标值被预先确定，其中m是大于等于3的整数；广角红外摄像机，固定在移动机器人身上，用于捕捉红外图像，广角摄像机的内参和畸变参数被预先标定，其初始单应矩阵H0也被预先确定；计算机单元，用于从广角红外摄像机接收所述红外图像，并对红外图像进行畸变校正及图像预处理操作，并根据处理后的红外图像来检测和识别红外路标，然后利用初始单应矩阵H0,采用扩展单应矩阵定位方法对移动机器人进行定位计算。
2.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述点阵式主动红外路标由贴片式红外发射二极管制作，近红外波长为850nm。
3.根据权利要求2所述的定位系统，其特征在于，所述点阵式主动红外路标的点阵为 3X3型，由外围较大的四点和其余较小的点组成，较大的四点用于路标的检测与定位计算， 其余较小的点用于路标的ID值计算。
4.根据权利要求3所述的定位系统，其特征在于，所述红外广角摄像机采用焦距为 2. 8mm或者2. 5mm的大广角镜头，镜头前方安装中心波长为850nm的窄带通滤波片。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述计算机单元通过点域检测、路标点集聚类、路标选择、四个定位点的辨识以及ID值计算来检测和识别路标。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述扩展单应矩阵定位方法为通过假设单应矩阵不变来计算出虚拟路标的位置，由虚拟路标与实际路标之间的位姿差异推算出摄像机的位姿变化，从而达到移动机器人定位的目的。
7.一种基于红外路标的移动机器人室内定位方法，该方法包括步骤将3X3型的点阵式主动红外路标帖附于天花板上，确定所有红外路标的世界坐标值；将广角红外摄像机固定在机器人身上，标定广角摄像机的内参和畸变参数，计算摄像机的初始单应矩阵Htl ；确定移动机器人的初始位姿；捕捉红外图像，并进行畸变校正及图像预处理操作；检测并识别红外路标；利用初始单应矩阵Htl，采用扩展单应矩阵定位方法进行定位计算。
8.根据权利要求7所述的定位方法，其特征在于，所述点阵式主动红外路标由贴片式红外发射二极管制作，近红外波长为850nm。
9.根据权利要求8所述的定位方法，其特征在于，所述点阵式主动红外路标的点阵由外围较大的四点和其余较小的点组成，较大的四点用于路标的检测与定位计算，其余较小的点用于路标的ID值计算。
10.根据权利要求9所述的定位方法，其特征在于，所述红外广角摄像机采用焦距为 2. 8mm或者2. 5mm的大广角镜头，镜头前方安装中心波长为850nm的窄带通滤波片。
11.根据权利要求10所述的定位方法，其特征在于，所述计算机单元通过点域检测、路标点集聚类、路标选择、四个定位点的辨识以及ID值计算来检测和识别路标。
12.根据权利要求11所述的定位方法，其特征在于，所述扩展单应矩阵定位方法为通过假设单应矩阵不变来计算出虚拟路标的位置，由虚拟路标与实际路标之间的位姿差异推算出摄像机的位姿变化，从而达到移动机器人定位的目的。
全文摘要
本发明公开了一种基于红外路标的移动机器人室内定位系统。系统结构在于采用红外发射二极管制作点阵路标，并贴附于室内天花板上；广角红外摄像机固定在移动机器人身上，向上拍摄红外路标；通过机器人身上的计算机进行图像分析、实时计算出机器人的位姿。本发明所述定位系统可以用于移动机器人在较大范围的室内场所的定位，且计算速度快、定位精度高、抗干扰性强。
文档编号G01C21/00GK102419178SQ201110260388
公开日2012年4月18日 申请日期2011年9月5日 优先权日2011年9月5日
发明者李成荣, 罗杨宇, 胡鹏 申请人:中国科学院自动化研究所