用于确定机器人位置的路标、设备及机器人位置确定方法与流程

本发明涉及机器人领域，特别涉及一种用于确定机器人位置的路标、设备及机器人位置确定方法。

背景技术：

机器人在移动时，需要确定自己在地图中的位置以进行路径规划，常用的确定位置的方法是采用人工路标。

在现有的人工路标设计中，有采用具有特殊颜色信息或者纹理结构信息的图案设计的人工路标，也有采用数字、字母、二维码或条码设计的人工路标。

但是现有的人工路标存在路标设置复杂、识别困难以及处理繁琐的缺点。

现有的人工路标通常采用相机拍摄采集，容易受到外界自然光线的干扰。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中的路标设置复杂、识别困难或处理繁琐的问题。

为解决上述问题，本发明提供了一种用于确定机器人位置的路标，所述路标包括：

若干按照半方阵形式排列的标记粘贴位置，各所述标记粘贴位置上可设置一个标记，或者不设置标记；

坐标标签，所述坐标标签由两个标记组成，且分别设置在半方阵对角线两端点处的标记粘贴位置上，所述坐标标签用于确定组成编码标签的各标记的位置信息；

编码标签，所述编码标签由一个以上设置于标记粘贴位置上的标记组成，至少有一个组成编码标签的标记不位于所述半方阵对角线上，所述编码标签用于确定单独路标，以将单独路标与其他路标进行区分。

进一步，所述半方阵的行间距与列间距相等。

进一步，所述组成编码标签和坐标标签的标记上涂覆有可反射红外线的材料，或者由所述可反射红外线的材料制成。

本发明还提供了一种用于确定机器人位置的设备，所述设备包括：

上述的路标，所述路标设置于机器人所处的空间内；

红外发光单元，所述红外发光单元用于发射红外光，并将红外光投射至所述路标上；

红外照相机，所述红外照相机拍摄所述路标，并获得二进制图像；

标记检测器，所述标记检测器根据所述红外照相机采集到的路标图像，识别路标图像中所述组成编码标签和坐标标签的标记，确定路标图像中所述路标的像素坐标系以及组成编码标签的标记在所述路标的像素坐标系中的像素坐标；进而通过像素坐标系和实际路标的坐标系之间的转换，确定机器人在实际路标的坐标系中的坐标；

位置检测器，所述位置检测器识别路标图像中所述路标的身份并确定其在全局坐标系中的坐标，进而确定所述机器人在全局坐标系中的位置和方位角。

进一步，在所述红外照相机中设置有红外滤光镜，所述路标反射的红外光可透过所述红外滤光镜，所述红外照相机采集透过所述红外滤光镜的红外光拍摄所述路标。

本发明还提供了一种机器人位置确定方法，在机器人所处空间内设置上述的路标，采用上述的设备确定所述机器人的位置；

所述方法至少包括以下步骤：

步骤1，在所述机器人中输入若干标记粘贴位置排列的半方阵类型；

步骤2，所述红外发光单元发射红外光，并将红外光投射至所述路标上，所述路标反射红外光；

步骤3，所述路标反射的红外光透过所述红外滤光镜，所述红外照相机采集透过所述红外滤光镜的红外光拍摄所述路标，得到路标图像；

步骤4，在所述标记检测器中，计算路标图像中组成编码标签和坐标标签的标记中的任意两个标记之间的距离，获取所有标记中距离最大的两个标记，则该两个标记为组成坐标标签的两个标记，该两个标记的距离为L；

步骤5，根据组成坐标标签的两个标记之间的距离及半方阵类型计算所述半方阵的行间距或列间距；

步骤6，以与组成坐标的两个标记之间的距离均为的标记粘贴位置为原点，以所述原点与组成坐标标签的两个标记之间的连线分别为X轴和Y轴，并确定X轴和Y轴的正方向，从而确定路标图像中路标的像素坐标系；

步骤7，确定路标图像中每个组成编码标签的标记在所述路标的像素坐标系中的像素坐标，并确定所述机器人在所述路标的像素坐标系中的像素坐标；通过对红外照相机进行标定，将路标图像中各标记的像素坐标转换为实际路标的坐标系中的路标，从而确定机器人在所述路标的坐标系中的坐标。

步骤8，所述位置检测器根据组成编码标签的标记的数量和标记粘贴位置，确定所述路标的身份；通过所述路标的身份确定其在全局坐标系中的坐标，结合所述机器人在所述路标的坐标系中的坐标，最终确定所述机器人所在位置。

进一步，在所述步骤5中，所述半方阵的行间距或列间距采用以下公式计算：其中，A为半方阵的行间距或列间距；N为半方阵的行数或列数。

进一步，在所述步骤6中，所述路标坐标系的X轴和Y轴的正方向根据笛卡尔直角坐标系的右手定则确定。

进一步，在所述步骤6中，优选地，所述组成坐标标签的两个标记分别位于所述X轴和Y轴的正半轴上。

进一步，在所述步骤7中，每个组成编码标签的标记以及所述机器人在所述路标的像素坐标系中的像素坐标的确认方法，具体包括以下步骤：通过步骤6确定的像素坐标系和步骤5中得到的半方阵的行间距或列间距，确定每个标记粘贴位置在所述路标的像素坐标系中的像素坐标，所述路标中组成编码标签的标记在所述路标的像素坐标系中的像素坐标，即为组成编码标签的标记所位于的标记粘贴位置的像素坐标；所述机器人的理论位置为路标图像的中心位置，通过所述路标的像素坐标系确定路标图像的中心位置在所述像素坐标系中的像素坐标，从而确定所述机器人在所述路标的像素坐标系中的像素坐标。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

1、本发明的路标设置简单，通过两个所述编码标签的标记即可确定所述路标的坐标系；所述组成编码标签和坐标标签的标记所处标记粘贴位置按照半方阵形式排列，可以减少标记的数量。通过本发明组成编码标签和坐标标签的标记的设置，不仅使路标的设置更加简单便捷，且通过设置的路标可准确确定路标的坐标系及所述路标的坐标系中标记的坐标。

2、通过本发明的设备和方法可以准确识别机器人所在位置，处理过程容易实现，可减少成本，提高识别机器人所在位置的效率。

3、通过在所述红外照相机中设置红外滤光镜，只有红外光可以透过红外滤光镜，可以避免其他光线的干扰，提高路标识别的准确性。

附图说明

图1为本发明第一实施例的路标的配置示意图；

图2为本发明第二实施例的路标的配置示意图；

图3为本发明第三实施例和第四实施例的设备的原理框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

在本发明中，采用“以上”对数值进行描述时，该数值包含该端点所表示的数值，例如，“一个以上”的意思为：一个，或者大于一个的其他数值。

本发明所述路标包括：

若干按照半方阵形式排列的标记粘贴位置，各所述标记粘贴位置上可设置一个标记，或者不设置标记；

坐标标签，所述坐标标签由两个标记组成，且分别设置在半方阵对角线两端点处的标记粘贴位置上，所述坐标标签用于确定组成编码标签的各标记的位置信息；

编码标签，所述编码标签由一个以上设置于标记粘贴位置上的标记组成，至少有一个组成编码标签的标记不位于所述半方阵对角线上，所述编码标签用于确定单独路标，以将单独路标与其他路标进行区分。

所述半方阵是指以方阵阵列的对角线划分，并包括对角线上的位置的阵列，所述半方阵的行间距与列间距相等。

所述半方阵的类型由实际需求进行设定，机器人所处的空间越大，需要的路标的数量就越多，采用的半方阵就越大，所述半方阵的类型是指半方阵中标记粘贴位置的行数与列数。

第一实施例

本实施例提供了一种用于确定机器人位置的路标，包括：若干路标粘贴位置，坐标标签10与编码标签20。

在本实施例中，所述若干标记粘贴位置按照4行4列共10个标记粘贴位置的半方阵形式排列。

在其他实施例中，所述若干标记粘贴位置可以按照3×3、或5×5的半方阵形式排列，也可以是其他行列数更多的半方阵，没有限制。

参见图1，所述路标的所述编码标签20和坐标标签10是所述路标中具有不同功能的两种标签。

在本实施例中，在所述组成坐标标签10和编码标签20的标记设置在所述机器人所处空间的天花板上，所述若干标记粘贴位置即是天花板上的特定位置。

在其他实施例中，所述路标也可以设置在其他机器人可以采集到的其他标记粘贴位置。

所述坐标标签10由两个标记组成，且分别设置在半方阵对角线两端点处的标记粘贴位置上，所述坐标标签10用于确定组成编码标签20的各标记的位置信息。

进一步，通过所述坐标标签10确定路标的坐标系，组成所述编码标签20的标记在所述坐标系中都有唯一坐标。

所述编码标签20由一个以上设置于标记粘贴位置上的标记组成，至少有一个组成编码标签20的标记不位于所述半方阵对角线上，所述编码标签20用于确定单独路标，以将单独路标与其他路标进行区分。

进一步，所述组成编码标签20的标记因为位于不同的标记粘贴位置而有不同编码，即每个组成编码标签20的标记有唯一的编码，通过组成编码标签20的标记的数量和标记粘贴位置确定该路标的身份。机器人所处的空间中，每个路标的身份都不同，即组成编码标签20的标记不存在数量和标记粘贴位置完全相同的情况。由于所述编码标签20通过其标记的标记粘贴位置和数量确定路标的身份，因此所述编码标签20中各标记的标记粘贴位置就非常重要。

在所述组成编码标签20和坐标标签10的标记上涂覆有可反射红外线的材料，或者由所述可反射红外线的材料制成。

在本实施例中，所述组成编码标签20和坐标标签10的标记上的可反射红外线的材料相同。

在其他实施例中，所述组成编码标签20和坐标标签10的标记上的可反射红外线的材料可以不同，优选的，所述组成坐标标签10的标记上的可反射红外线的材料相同，所述组成编码标签20的标记上的可反射红外线的材料相同。

请参见图1，在本实施例中，所述组成坐标标签10和编码标签20的标记的形状相同，都为圆形。

在其他实施例中，所述组成坐标标签10和编码标签20的标记的形状可以不同，优选的，所述组成坐标标签10的标记的形状相同，所述组成编码标签20的标记的形状相同。

所述组成坐标标签10的标记位于半方阵的对角线的两端点处，所述组成编码标20的标记位于所述半方阵的除对角线的两端点外的其他标记粘贴位置上，且在所述半方阵的除对角线的两端点处的标记粘贴位置外的其他任一标记粘贴位置上，可以设置一个编码标签20的标记或不设置任何标记，且所述编码标签20满足1个以上不位于所述半方阵的对角线上的标记。通过判断任意一个不位于所述半方阵的对角线上的编码标签20的标记能够确定所述路标的原点的位置，最终确定了路标的坐标系，在本发明中，原点的位置与其中一个标记粘贴位置重合。

请参见图1，在本实施例中，所述标记粘贴位置的半方阵形式为4×4的半方阵，即4行4列的半方阵，所述坐标标签10由两个标记组成，所述组成坐标标签10的两个标记分别位于半方阵的对角线的两端点标记粘贴位置处。不位于所述半方阵的对角线上的编码标签20的标记确定了唯一的原点，即以半方阵的直角顶点处的标记粘贴位置为原点，以原点与所述组成坐标标签10的两个标记的连线分别为X轴和Y轴，确定所述路标的坐标系。所述路标的坐标系符合笛卡尔直角坐标系的右手定则，所述组成坐标标签10的两个标记分别位于X轴和Y轴的正方向上。

所述编码标签20由八个标记组成，所述组成编码标20的标记位于所述半方阵的除对角线的两端点位置外的其他位置上。通过所述路标的坐标系，可以确定所述组成编码标签20的每个标记在所述路标的坐标系中的坐标。

在本实施例中，除对角线的两端点处的标记粘贴位置外的其他任一标记粘贴位置上都设置一个编码标签20的标记，所述组成编码标签20和坐标标签10的标记形成一个完整的半方阵。在其他实施例中，在半方阵的除对角线的两端点处的标记粘贴位置外的其他标记粘贴位置上，所述编码标签20的标记可以有其他的数量和标记粘贴位置，但所述编码标签20要满足至少有一个不位于半方阵的对角线上的标记。

本发明的路标设置简单，通过两个所述坐标标签20的标记即可确定所述路标的坐标系；所述组成编码标签20和坐标标签10的标记位于半方阵中，可以减少标记的数量。通过本发明组成编码标签20和坐标标签10的标记的设置，不仅使路标的设置更加简单便捷，且通过设置的路标可准确确定路标的坐标系及所述路标的坐标系中标记的坐标。

第二实施例

本实施例提供了一种用于确定机器人位置的路标，请参见图2，与第一实施例不同的是部分所述若干标记粘贴位置上设置有所述标记。

请参见图2，在本实施例中，所述组成编码标签20和坐标标签10的标记位于4×4的半方阵中，所述坐标标签10由两个标记组成，所述组成坐标标签10的两个标记分别位于半方阵的对角线的两端点处的标记粘贴位置上。以半方阵的直角顶点处的标记粘贴位置为原点，以原点与所述组成坐标标签10的两个标记的连线分别为X轴和Y轴，确定所述路标的坐标系。所述路标的坐标系符合笛卡尔直角坐标系的右手定则，所述组成坐标标签10的两个标记分别位于X轴和Y轴的正方向上。

所述编码标签20由五个标记组成，所述组成编码标20的标记位于所述半方阵的除对角线的两端点处的标记粘贴位置外的其他标记粘贴位置上。在所述原点与位于X轴上的坐标标签10的标记的连线上设置有两个编码标签20的标记，在所述原点与位于Y轴上的坐标标签10的标记的连线上设置有两个编码标签20的标记，在组成所述坐标标签10的两个标记的连线上设置有一个编码标签20的标记。通过所述路标的坐标系，可以确定所述组成编码标签20的每个标记在所述路标的坐标系中的坐标。

第三实施例

本实施例提供了一种用于确定机器人位置的设备，请参见图3，所述设备包括第一实施例、第二实施例任一所述的路标，所述路标设置于机器人所处的空间内。

请参见图3，所述设备还包括红外发光单元、红外照相机、标记检测器、位置检测器，所述红外发光单元和所述红外照相机设置在所述机器人的头部顶端。

所述红外发光单元可发射红外光，并将红外光投射至所述路标上，所述路标反射红外发光单元投射的红外光。

在所述红外照相机中设置有红外滤光镜，只有红外光可以透过红外滤光镜，可以避免其他光线的干扰，提高路标识别的准确性。

所述路标反射的红外光透过所述红外滤光镜，所述红外照相机采集透过所述红外滤光镜的红外光拍摄所述路标，并获得二进制图像。

所述标记检测器根据所述红外照相机采集到的路标图像，识别路标图像中所述组成编码标签20和坐标标签10的标记，确定路标图像中路标的像素坐标系以及组成编码标签的标记在所述路标的像素坐标系中的坐标。进而通过像素坐标系和实际路标的坐标系的转换，确定机器人在实际的路标坐标系中的坐标。具体方法包括：

在所述红外照相机采集到的路标图像中，机器人的理论位置为图像的中心位置，根据图像中识别出的组成坐标标签20的标记，确定图像中路标的像素坐标系。根据路标的像素坐标系，可确定图像中识别出的组成编码标签20的标记在路标的像素坐标系中的像素坐标，以及图像的中心位置在路标的像素坐标系中的像素坐标，即为机器人在路标的像素坐标系中的理论坐标。根据图像中识别出的组成编码标签20的标记的数量和位置，可确定图像中路标的身份。然后将路标图像中位于半方阵中的标记作为标定板对红外照相机进行标定，标定后可确定路标图像中的像素坐标系和实际路标的坐标系的尺度关系和位置关系，即可将图像中各标记的像素坐标转换为实际路标的坐标系中的坐标，从而确定机器人在实际路标的坐标系中的坐标。

所述路标的像素坐标系是指路标成像在所述红外照相机的感光靶面上的路标的坐标系；所述实际路标的坐标系是指机器人所处实际空间中设置的单独路标的坐标系。

在机器人所处空间内设置有多个路标，根据所述机器人所处的空间确定一全局坐标系，每个所述路标在全局坐标系中有唯一的坐标。

所述位置检测器通过组成编码标签20的标记的数量和标记粘贴位置可识别所述路标的身份，根据所述路标的身份可确定此路标在全局坐标系中的坐标。通过所述路标在全局坐标系中的坐标和所述机器人在所述路标的坐标系中的坐标确定所述机器人在所述全局坐标系中的位置和方位角。

第四实施例

本实施例提供了一种机器人位置确定方法，在机器人所处空间内设置路标。本实施例采用第三实施例所述的设备确定所述机器人的位置，请参见图3。

本实施例所述的方法至少包括以下步骤：

步骤1，在所述机器人中输入标记粘贴位置排列的半方阵类型，所述半方阵类型是指半方阵的行列数，例如：3×3的半方阵、4×4的半方阵或5×5的半方阵；

步骤2，所述红外发光单元发射红外光，并将红外光投射至所述路标上，所述路标反射所述红外发光单元投射的红外光；

步骤3，所述路标反射的红外光透过所述红外滤光镜，所述红外照相机采集透过所述红外滤光镜的红外光拍摄所述路标，得到路标图像；

步骤4，在所述标记检测器中，计算路标图像中组成编码标签20和坐标标签10的标记中的任意两个标记之间的距离，获取所有标记中距离最大的两个标记，则该两个标记为组成坐标标签10的两个标记，该两个标记的距离为L；

步骤5，根据组成坐标标签10的两个标记之间的距离及半方阵类型计算所述半方阵的行间距或列间距；

所述半方阵的行间距或列间距采用以下公式计算：其中，A为半方阵的行间距或列间距；L为组成坐标标签10的两个标记之间的距离；N为半方阵的行数或列数。

例如，当组成编码标签20和坐标标签10的标记位于4×4的半方阵中时，则半方阵的行间距或列间距为其中，L为组成坐标标签10的两个标记之间的距离；

步骤6，在本实施例中，通过以下方法确定路标图像中所述路标的像素坐标系：以与组成坐标的两个标记之间的距离均为的标记粘贴位置为原点，以所述原点与组成坐标标签10的两个标记之间的连线分别为X轴和Y轴，确定X轴和Y轴的正方向；则确定了路标的像素坐标系；

所述路标的像素坐标系的X轴和Y轴的正方向可以通过笛卡尔直角坐标系的右手定则确定。

优选地，所述组成坐标标签的两个标记分别位于路标的像素坐标系的X轴和Y轴正半轴上。

在其他实施例中，也可采用以下方法确定路标图像中所述路标的像素坐标系：以所述组成坐标标签10的两个标记之间的连线为斜边绘制一等腰直角三角形，使所述组成编码标签20的标记位于所述等腰直角三角形的斜边上、直角边上或所述等腰直角三角形内部；以所述等腰直角三角形直角顶点为原点，以所述原点与组成坐标标签10的两个标记之间的连线分别为X轴和Y轴，同时使所述组成坐标标签10的两个标记分别位于X轴和Y轴的正方向上，确定所述路标的像素坐标系；所述路标的像素坐标系符合笛卡尔直角坐标系的右手定则；

步骤7，根据所述路标的像素坐标系确定路标图像中每个组成编码标签20的标记在所述路标的像素坐标系中的像素坐标；具体包括以下步骤：

通过步骤6确定的像素坐标系和步骤5中得到的半方阵的行间距或列间距，可以确定每个标记粘贴位置在所述路标的像素坐标系中的像素坐标，若在半方阵的某个标记粘贴位置上设置一标记，则可以根据该标记粘贴位置的像素坐标确定位于该标记粘贴位置上的标记的像素坐标。机器人的理论位置为路标图像的中心位置，根据所述红外照相机采集到的路标图像，通过所述路标的像素坐标系可以确定路标图像的中心位置的像素坐标，即为所述机器人在所述路标的像素坐标系中的像素坐标。

步骤8，所述位置检测器根据组成编码标签20的标记的数量和位置，确定所述路标的身份。然后将路标图像中组成坐标标签10和编码标签20的标记作为标定板对相机进行标定，标定后可确定路标像素坐标系和实际路标的坐标系的尺度关系和位置关系，即可将图像中各标记的像素坐标转换为实际路标的坐标系中的路标，从而确定机器人在实际路标的坐标系中的坐标。

所述机器人的理论位置在所述路标的像素坐标系中有一个坐标，所述路标的像素坐标系与实际路标的坐标系之间有一个关系，因而能够得到机器人在实际路标的坐标系中的坐标，也就是实际空间中机器人与该路标的距离和方位角。并且，因为不同身份的路标在全局坐标系中有不同的坐标，因而就能够根据机器人所在路标的身份确定所述机器人在全局坐标系中的坐标，也就是确定了机器人所在的位置。

通过第三实施例的设备和第四实施例的方法可以准确识别机器人所在的位置，处理过程容易实现，可减少成本，提高识别机器人所在位置的效率。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。