一种用于室内移动机器人定位的红外路标的制作方法

本实用新型涉及计算机视觉技术领域，尤其是一种用于室内移动机器人定位的红外路标。

背景技术：

室内移动机器人对定位精度要求比较高，通常为厘米级。无线定位对设备的布置具有严格的要求，并且因为室内建筑和家具等造成多路径干涉，导致精度难以满足要求。根据室内环境的特殊性和室内定位要求的多样性，目前研究者已经开发了多种不同的用于室内移动机器人导航的定位方法，主要包括无线定位、激光SLAM、视觉SLAM和路标定位。激光SLAM技术采用激光设备，价格不菲，并且激光SLAM技术抗干扰能力弱，在环境变动幅度较大或环境频繁变动时，无法胜任定位任务。视觉SLAM方法的缺点是可靠性较低，场景频繁改变或者环境的视觉特征过于简单都会造成视觉SLAM方法定位任务失败。

路标定位方法一般分为自然路标和人工路标两种模式。自然路标定位计算复杂，鲁棒性不强，实用性差。人工路标定位包括RFID标签、磁条、带有编码或文字信息的可视化标签等，其中RFID标签和磁条类的路标要求工作距离较近，并且机器人只能沿着固定铺设好的路线移动，灵活性较差。可视化标签通常利用摄像机采集图像，并检测图像中存在的可视化标签，利用标签特征对机器人进行定位，这种方法的特点是成本低、精度高、灵活性强。可视化标签的使用又分为自然光环境下和红外光环境下两种情况，自然光环境下容易受到环境光亮度的影响，使得室内定位的可靠性较低。而红外光下的可视化标签通常采用红外发光或红外反光材料路标，通过在红外摄像机的镜头前增加红外带通滤光片，使得红外摄像机仅捕捉环境中特定波长的路标。这种方式的应用可以有效降低可见光对定位结果的影响，无论室内是否有照明均可以工作。

近几年出现了几种类似的红外路标定位方法，如Stargazer方法，该方法提取路标中构成直角坐标系的三个标记点作为确定机器人位置的依据，并在假设摄像机光轴与路标平面垂直的前提下，实现机器人的定位。而实际定位过程中由于加减速惯性力作用、安装夹角等问题，难免会出现摄像机光轴与路标平面不垂直情况，这种情况下采用两轴倾斜仪来辅助提高定位精度，但是当出现路标所在平面与重力方向不垂直时，这种辅助方法将会失效，影响定位效果。另外，采用三个标记点作为位置识别标记点，未能完整包围整个标记点区域，导致身份识别标记点经常出现误识别现象。目前也出现了采用四个标记点作为定位依据，但是这四个点也未能完整包围整个标记点区域，也存在标记点误识别现象。并且由于两个大的标记点相距较近，在红外摄像机下容易产生干涉现象，导致两个标记点成像连成一片，增加了后续图像处理算法的难度。为解决这个问题只能增加路标的尺寸，这样又会导致路标尺寸过大，对环境的人为影响也更大。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种在室内实现对移动机器人的快速、稳定、精确的定位的用于室内移动机器人定位的红外路标。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：一种用于室内移动机器人定位的红外路标，该红外路标由位置识别标记点和身份识别标记点组成，所述位置识别标记点是由所有标记点的最小外包四边形的四个顶点位置上的标记点组成，且在组成位置识别标记点的四个标记点中，其中一个标记点的尺寸大于其他三个标记点的尺寸；所述身份识别标记点是由除位置标记点之外的其他标记点组成；所述最小外包四边形是指包含所有标记点的四边形中面积最小的四边形。

所述位置识别标记点和身份识别标记点均采用红外LED发光灯，或者均采用在表面涂有逆反射材料的标签片。

所述红外路标为正方形，位置识别标记点和身份识别标记点的每个标记点的中心点位于3×3或4×4的等距网格点位置。

所述红外路标贴在天花板上，配有红外光源的摄像机竖直向上固定于在地面上移动的移动机器人的顶部，摄像机和红外路标相对垂直布置，所述摄像机的拍摄视野中存在一个或多个红外路标。

所述红外路标贴于在地面上移动机器人的顶部，配有红外光源的摄像机竖直向下固定在天花板上，摄像机和红外路标相对垂直布置，所述摄像机的拍摄视野中存在一个或多个红外路标。

由上述技术方案可知，本实用新型采用红外路标作为视觉定位的依据，有效降低环境中可见光照明的影响，提高图像处理算法的效率，增加视觉定位的稳定性。本实用新型采用四个标记点作为位置识别标记点，这四个点构成红外路标所有标记点的最小外包四边形，即所有标记点均处于由这四个标记点组成的四边形的内部，根据这四个标记点的构成条件，再检测内部的身份识别标记点，有效提高识别的稳定性，降低误识别率。根据这四个标记点的构成条件，再检测内部的身份识别标记点，有效提高路标识别的稳定性，降低误识别率。

附图说明

图1为本实用新型中红外路标的示意图；

图2、3均为本实用新型中两种典型的红外路标示意图；

图4为本实用新型中红外路标贴在天花板上，摄像机安装在机器人上的工作示意图；

图5为本实用新型中红外路标贴在机器人上，摄像机安装在天花板上的工作示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种用于室内移动机器人定位的红外路标，该红外路标由位置识别标记点1和身份识别标记点2组成，所述位置识别标记点1是由所有标记点的最小外包四边形的四个顶点位置上的标记点组成，且在组成位置识别标记点1的四个标记点中，其中一个标记点O的尺寸大于其他三个标记点A、B、C的尺寸；所述身份识别标记点2是由除位置标记点之外的其他标记点组成。所述位置识别标记点1和身份识别标记点2均采用红外LED发光灯，或者均采用在表面涂有逆反射材料的标签片；所述最小外包四边形是指包含所有标记点的四边形中面积最小的四边形。

如图2所示，所述红外路标为正方形，位置识别标记点1和身份识别标记点2的每个标记点的中心点位于3×3的等距网格点位置。以3×3模式为例，该路标由九个标记点组成，每个标记点的中心点位于3×3等距网格点位置，其中四个矩形顶点位置的标记点构成了位置识别标签，这四个标记点中的三个标记点尺寸相同，另一个标记点尺寸要略大。每个红外路标都必须包括四个位置识别标记点1，而其它网格位置的标记点作为身份识别标签，根据是否存在作为相互区别的依据。3×3模式路标共有9个标记点，去除4个位置固定的位置识别标记点1，还剩下5个身份识别标签，因此共有2^5=32种标签组合，同理，4×4模式标签则可以有2^（16-4）=4096种标签组合。如图3所示，所述红外路标为正方形，位置识别标记点1和身份识别标记点2的每个标记点的中心点位于4×4的等距网格点位置。

如图4所示，所述红外路标贴在天花板上，配有红外光源的摄像机4竖直向上固定于在地面上移动的移动机器人3的顶部，摄像机4和红外路标相对垂直布置，所述摄像机4的拍摄视野中存在一个或多个红外路标M1,M2,M3。如图5所示，所述红外路标贴于在地面上移动机器人3的顶部，配有红外光源的摄像机4竖直向下固定在天花板上，摄像机4和红外路标相对垂直布置，所述摄像机4的拍摄视野中存在一个或多个红外路标M4,M5,M6。通过红外摄像机4采集场景中的图像，可以有效去除可见光的干扰，突出红外路标的成像效果，增加定位的稳定性。

红外路标可以是一个或多个，红外路标的数量和布局需要根据机器人3的移动范围以及摄像机4的视野大小和摄像机4离天花板的高度综合考虑，以机器人3在可移动范围内不存在视野盲区为原则。红外光源一般采用近红外光，如850nm波长发光二极管，为降低环境可见光的干扰，通常在摄像机4镜头前安装相应波段的窄带滤光片，从而使得摄像机4基本上仅对红外路标成像，排除其他可见光反射的干扰像素，降低图像处理算法的复杂度。为增加摄像机4的观察视野，通常采用广角镜头，如2.2mm或2.5mm的广角镜头。另外，如果采用红外反光材料构成的路标，还需要增加红外二极管发射角度，使得在红外二极管发射角度基本与广角镜头的视角相符合，才能确保摄像机4可以有效地采集视野内任何地方的红外路标。

综上所述，本实用新型提供用于确定机器人3位置信息的红外路标，通过红外摄像机4可以拍摄路标图像，并能利用图像处理算法计算机器人3的位置信息，红外路标在室内环境有无照明的条件下均可以稳定使用。