专利名称：一种基于地面路标的定位导引系统及方法
技术领域：
本发明涉及自动控制领域，尤其涉及一种基于视觉技术的定位导引方法，适合在数字化装配中使用，具体涉及一种基于地面路标的定位导引系统及方法。
背景技术：
自动导引技术主要包括电磁感应导引、激光导引、视觉导引、惯性导弓丨、超声波导引和磁钉等。其中视觉导引是指AGV (自动导引车)对行驶区域的环境进行图象识别，实现智能行驶，这是一种具有巨大潜力的导引技术。视觉传感器为信息被动接收，不受其他传感器的干扰；视觉传感器收集得到的信息量大，即使在丢弃了大量的信息之后，仍然可以很好地为车辆导航。同时视觉导引具有引导路径设置和变更简单方便、技术成本、以及使用费用低、系统柔性好等优点。因此视觉导引已经成为目前研究与应用的热点，具有巨大的应用潜力。
在现有的视觉导引中，主要分为景物识别和标志识别导弓丨，而标志识别又分为空中标志和地面标志识别。如“人工路标视觉导航方法”(中国发明专利申请号200410021540. 4)，属于空中标志识别，该发明将设计好的路标粘在与地面垂直的平面上，通过路标在图像中的位置和它们在世界坐标系中的几何关系，计算出摄像机的绝对位置。然而该发明在光线不充足环境下或在路标被遮挡情况下，将无法获得好的导航效果；同时，对于单摄像头、非全方位视觉，在不连续、有限数量的路标下，由于视角有限，将无法获得很高的定位精度。而地面标志，基本采用在地面铺设色带，从而为自动导引车提供运动方向，但无法获得定位信息。自动导引车在自动化装配任务时，需要实时获得自身精确的定位信息，视觉导引系统在提供运动方向的同时，需要提供绝对位置。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种面向数字化装配任务的定位、导引方法，通过地面路标及视觉技术使自动导引车能实现全局定位、导引。本发明是通过以下技术方案实现的根据本发明的一个方面，提供一种基于地面路标的定位导引系统，包括视觉系统、地面路标、AGV车体、嵌入式控制器，所述视觉系统和嵌入式控制器安装在所述AGV车体上，所述地面路标为平铺于AGV车体工作区域地面上的特征带，其中，所述视觉系统用于获取地面路标包含的图像信息，所述嵌入式控制器用于对接收自所述视觉系统的图像信息进行图像处理获取当前AGV车体的位置信息。优选地，所述视觉系统包括视觉设备、照明设备、以及遮光罩，其中，所述视觉设备为单个摄像机，所述照明设备提供足够光线以保障摄像机更好地获取图像信息，所述遮光罩用于避免外界环境光线对图像的影响。优选地，所述特征带包含黑白模板，所述黑白模板由正方形黑色边框构成，所述黑白模板的内部在白色基底上印有不同特征图案，所述嵌入式控制器的记忆库存储了每一种特征图案的特征，每一种特征图案的特征在所述嵌入式控制器的记忆库中都是唯一的以标
示唯一位置。优选地，所述嵌入式控制器以DSP作为视觉系统处理器，通过所述视觉系统处理器实现实时视频采集、视觉信息处理。根据本发明的另一个方面，还提供一种基于地面路标的定位导引方法，包括如下步骤步骤S1.在AGV车体工作区域地面铺设特征带，其中特征带包含特征图案，并将特征带的图像信息以及各特征图案在特征带上的对应位置记录于嵌入式控制器的记忆库中；步骤S2.当AGV车体经过铺设的特征带时，视觉系统捕捉到特征带的图像信息，并把该图像信息传输至嵌入式控制器进行图像处理，其中，视觉系统和嵌入式控制器安装在所述AGV车体上；步骤S3.嵌入式控制器获取图像信息后，利用模板匹配法，将校正后的图像信息与记忆库中的特征图案进行对比匹配，计算出所获取的特征图案在整个特征带中的对应位置，从而可获知此时AGV车体的位置、姿态。优选地，步骤S3具体是嵌入式控制器获取图像信息后，先按照第一设定阈值将图像转变为二值图像；获得二值图像后，对每个像素在相互垂直的两个方向上计算相邻像素值之差，从而获得梯度图像，再按照第二设定阈值从梯度图像中提取角点，即像素值大于第二设定阈值的点；对每一特征图案提取四个角点，由这四个角点唯一确定一个位置变换矩阵，该位置变换矩阵包含了 AGV车体相对于该标志物的位置变换；另一方面，由于摄像机成像过程中不可避免地存在投影变换，直接做模板匹配来识别标志物的成功率较低，因此利用已提取的四个角点计算投影变换矩阵，并利用该投影变换矩阵对二值图像进行投影反变换，从而消除投影变换导致的图像畸变，消除畸变后，再利用模板匹配法，嵌入式控制器将校正后的图像信息与记忆库中的特征图案进行对比，计算出所获取的特征图案在整个特征带中的位置，从而可获知此时AGV车体的位置、姿态，实现定位、导引的功能。优选地，所述特征带包含黑白模板，所述黑白模板由正方形黑色边框构成，所述黑白模板的内部在白色基底上印有不同特征图案，所述嵌入式控制器的记忆库存储了每一种特征图案的特征，每一种特征图案的特征在所述嵌入式控制器的记忆库中都是唯一的以标示唯一位置；为保证实时定位AGV车体，在设计视觉系统时，需增大视觉的视野范围，保证视觉系统所捕获的图像中，黑白模板的个数大于或等于I。优选地，所述视觉系统所捕获图像中的黑白模板的个数大于或等于1，因此进行图像处理时，具体方法为从图像起点开始搜索，直至搜索到第一个完整的黑白模板为止，才开始对该完整的黑白模板进行步骤S3的处理。本发明通过在地面铺设特征带，利用视觉技术中的模板匹配方法，实现AGV的定位、导引功能；避免了普通视觉导引方法的缺陷，极大地降低了 AGV导引成本，获得了较高的定位精度。
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显图1为本发明的系统组成模块框图；图2为本发明的定位、导引方法工作流程图；图3为地面路标示意图。图中I为AGV车体，2为嵌入式控制器，31为照明设备，32为遮光罩，33为视觉设备，4为底面铺设特征带。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。图1为本发明的系统组成模块框图，如图1所示，在本实施例中，根据本发明所提供的系统面向数字化装配任务，其包括视觉系统、地面路标、AGV车体、嵌入式控制器、其中视觉系统、嵌入式控制器安装于AGV车体上，视觉系统包括视觉设备、照明设备及遮光罩，所述的照明设备提供足够光线以保障作为视觉设备的摄像机更好地获取图像信息，所述的遮光罩可以避免外界环境光线对图像的影响。所述视觉系统用于获取环境特征图像；所述的嵌入式控制器以DSP作为视觉系统处理器，实现实时视频采集、视觉信息处理，当嵌入式控制器接收到所述视觉系统的图像信息并进行图像处理后获取当前AGV车体的位置信息，实现定位功能；所述地面路标是铺设于地面的特征带；所述AGV车体是以上所述各模块的载体，在进行数字化装配任务时装载零件。所述作为地面路标铺设于地面的特征带如图3所示，是一种专门设计的黑白模板，这种黑白模板由正方形黑色边框构成，内部在白色基底上印有不同特征图案。图2为本发明的定位、导引方法工作流程图，如图2所示。本实施例中，首先将铺设于地面的特征带图像存储于嵌入式控制器的记忆库中；当AGV车体运动时，由视觉系统将采集到的图像传输至嵌入式控制器中，嵌入式控制器获取图像后，先按照第一设定阈值将图像转变为二值图像，即将亮度值大于第一设定阈值的像素置1，将其余像素置O。获得二值图像后，从图像起点开始搜索，直至搜索到第一个完整的黑白模板为止，仅对该部分图像中黑白模板进行处理。在二值图像中每个像素在相互垂直的两个方向上计算相邻像素值之差，从而获得梯度图像，再按照第二设定阈值从梯度图像中提取角点，即像素值大于该第二设定阈值的点。对每一视觉标志物可以提取四个角点，由这四个角点可以唯一确定一个位置变换矩阵，该位置变换矩阵包含了 AGV车体相对于该标志物的位置变换。另一方面，由于摄像机成像过程中不可避免地存在投影变换，直接做模板匹配来识别标志物的成功率较低，因此利用已提取的四个角点计算投影变换矩阵，并利用该投影变换矩阵对图像进行投影反变换，从而消除投影变换导致的图像畸变。消除畸变后，再利用模板匹配法，嵌入式控制器将校正后的图像信息与记忆库中的特征带进行对比，计算出所获取的图像在整个特征带中的位置，从而可获知此时AGV车体的位置、姿态，实现定位、导引的功能。与现有技术相比，本发明的突出特点是采用黑白模板设计而成的特征带作为地面路标实现AGV的定位、导引功能，由于采用了黑白双色编码特征带，AGV运动时可以自动导引以外，还可以实现全局定位，从而为实现多AGV协作搬运、装配等工作提供基础。本方法定位、导引精度高，成本低，避免了环境光线的影响，稳定性好，在AGV中具有很好的应用前
景
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
权利要求
1.一种基于地面路标的定位导引系统，其特征在于，包括视觉系统、地面路标、AGV车体、嵌入式控制器，所述视觉系统和嵌入式控制器安装在所述AGV车体上，所述地面路标为平铺于AGV车体工作区域地面上的特征带，其中，所述视觉系统用于获取地面路标包含的图像信息，所述嵌入式控制器用于对接收自所述视觉系统的图像信息进行图像处理获取当前AGV车体的位置信息。
2.根据权利要求1所述的基于地面路标的定位导引系统，其特征在于，所述视觉系统包括视觉设备、照明设备、以及遮光罩，其中，所述视觉设备为单个摄像机，所述照明设备提供足够光线以保障摄像机更好地获取图像信息，所述遮光罩用于避免外界环境光线对图像的影响。
3.根据权利要求1所述的基于地面路标的定位导引系统，其特征在于，所述特征带包含黑白模板，所述黑白模板由正方形黑色边框构成，所述黑白模板的内部在白色基底上印有不同特征图案，所述嵌入式控制器的记忆库存储了每一种特征图案的特征，每一种特征图案的特征在所述嵌入式控制器的记忆库中都是唯一的以标示唯一位置。
4.根据权利要求1所述的基于地面路标的定位导引系统，其特征在于，所述嵌入式控制器以DSP作为视觉系统处理器，通过所述视觉系统处理器实现实时视频采集、视觉信息处理。
5.一种基于地面路标的定位导引方法，其特征在于，包括如下步骤步骤S1.在AGV车体工作区域地面铺设特征带，其中特征带包含特征图案，并将特征带的图像信息以及各特征图案在特征带上的对应位置记录于嵌入式控制器的记忆库中；步骤S2.当AGV车体经过铺设的特征带时，视觉系统捕捉到特征带的图像信息，并把该图像信息传输至嵌入式控制器进行图像处理，其中，视觉系统和嵌入式控制器安装在所述 AGV车体上；步骤S3.嵌入式控制器获取图像信息后，利用模板匹配法，将校正后的图像信息与记忆库中的特征图案进行对比匹配，计算出所获取的特征图案在整个特征带中的对应位置， 从而可获知此时AGV车体的位置、姿态。
6.根据权利要求5所述的基于地面路标的定位导引方法，其特征在于，步骤S3具体是 嵌入式控制器获取图像信息后，先按照第一设定阈值将图像转变为二值图像；获得二值图像后，对每个像素在相互垂直的两个方向上计算相邻像素值之差，从而获得梯度图像，再按照第二设定阈值从梯度图像中提取角点，即像素值大于第二设定阈值的点；对每一特征图案提取四个角点，由这四个角点唯一确定一个位置变换矩阵，该位置变换矩阵包含了 AGV 车体相对于该标志物的位置变换；另一方面，利用已提取的四个角点计算投影变换矩阵，并利用该投影变换矩阵对二值图像进行投影反变换，从而消除投影变换导致的图像畸变，消除畸变后，再利用模板匹配法，嵌入式控制器将校正后的图像信息与记忆库中的特征图案进行对比，计算出所获取的特征图案在整个特征带中的位置，从而可获知此时AGV车体的位置、姿态，实现定位、导引的功能。
7.根据权利要求5所述的基于地面路标的定位导引方法，其特征在于，所述特征带包含黑白模板，所述黑白模板由正方形黑色边框构成，所述黑白模板的内部在白色基底上印有不同特征图案，所述嵌入式控制器的记忆库存储了每一种特征图案的特征，每一种特征图案的特征在所述嵌入式控制器的记忆库中都是唯一的以标示唯一位置。
8.根据权利要求7所述的基于地面路标的定位导引方法，其特征在于，为保证AGV车体可以实时定位，需增大视觉的视野范围，使得视觉系统所捕获图像中的黑白模板的个数大于或等于1，因此进行图像处理时，具体方法为从图像起点开始搜索，直至搜索到第一个完整的黑白模板为止，才开始对该完整的黑白模板进行步骤S3的处理。
全文摘要
本发明公开了一种基于地面路标的定位导引系统及方法，其特征在于，包括视觉系统、地面路标、AGV车体、嵌入式控制器。视觉系统用于获取地面路标特征图像；地面路标为黑白模板组成的特征带，平铺于地面；嵌入式控制器利用模板匹配法将获取的地面路标特征图像与记忆库中的特征带图像进行对比匹配，并根据特征路标在图像中的位置和它们在世界坐标系中的几何关系，获知此时AGV车体的位置、姿态，实现全局定位、导引功能。还提供相应的方法。本发明采用黑白双色编码特征带作为地面路标，实现AGV自动导引功能外，还可以实现全局定位，从而为实现多AGV协作搬运、装配等工作提供基础，具有很好的应用前景。
文档编号G01C21/00GK102997910SQ20121042838
公开日2013年3月27日 申请日期2012年10月31日 优先权日2012年10月31日
发明者冷春涛, 曹其新, 方波, 杜建军, 杨扬 申请人:上海交通大学