室内机器人定位方法和系统与流程

本发明属于室内机器人技术领域，涉及一种室内机器人定位方法和系统。

背景技术：

在现有的室内机器人定位技术中，主要使用电磁感应导航定位、视觉导航定位和超声波导航定位等定位技术，其中，电磁感应导航定位通过在规划的机器人行走路线上布置感应线圈，并在机器人身上安装感应装置来进行电磁感应，这使得机器人只能按照设定路线行走，限制了机器人移动的范围和移动的灵活性；视觉导航定位存在图像处理量巨大、实时性较差、受光线条件外界环境干扰限制较大、定位精度差等缺点；超声波导航定位由于超声波传感器自身存在如镜面反射、有限的波束角等缺陷，存在无法充分获取周边环境信息，导致定位不准确的缺点。

除了上述现有室内机器人定位方法存在的缺点，现有室内机器人还存在定位实时性差、可靠性差、成本高的问题。

技术实现要素：

本申请提供了一种室内机器人定位方法和系统，可实现低成本、高精度、高实时性、高可靠性的室内机器人定位。

为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：

提出一种室内机器人定位方法，包括：接收室内机器人按照设定频率和设定顺序发送的激光发射指令信号；其中，所述激光发射信号包含激光发射器的编号；基于所述激光发射信号控制所述编号对应的激光发射器向天花板发射激光束；获取包含所述激光束在所述天花板形成光斑图像的机器人视图；基于所述机器人视图实现对所述室内机器人定位。

进一步的，所述激光发射器的编号为激光三角形阵列编号；所述激光三角形阵列由四个激光发射器组成；所述四个激光发射器为激光发射器矩阵中的，满足其中三个激光发射器投射到所述天花板的三个光斑在同一条直线上且相邻，剩下一个激光发射器投射到所述天花板的光斑与其他三个激光发射器投射到所述天花板的光斑形成的三角形的钝角夹角为135°；所述激光发射器矩阵由N*M个激光发射器组成的N行M列矩阵，每个激光发射器之间的间距等距。

进一步的，所述基于所述光斑图像对所述室内机器人定位，具体为：确定所述机器人视图中的光斑在所处视图坐标系中的视图光斑坐标；确定所述编号对应激光发射器投射的光斑在激光矩阵投射坐标系中的投射光斑坐标；根据所述视图光斑坐标和所述投射光斑坐标确定所述室内机器人在室内的位置和方向。

进一步的，确定所述室内机器人在室内的位置，具体为：移动所述视图坐标系，使得所述视图坐标系中的指定光斑和所述激光矩阵投射坐标系中与所述指定光斑对应的投射光斑重合；旋转所述视图坐标系，使得所述视图坐标系中除所述指定光斑的其他光斑和所述激光矩阵投射坐标系中对应的投射光斑重合；

根据确定所述机器人视图的中心点在所述激光矩阵投射坐标系的投射坐标；基于所述中心点的投射坐标和所述激光矩阵投射坐标系与地面坐标系的对应关系，确定所述室内机器人在室内的位置；其中， 和为所述机器人视图的中心点在所述视图坐标系的坐标；和为所述指定光斑在所述视图坐标系中的坐标；和为所述指定光斑在所述投射光斑坐标系中的坐标；θ为所述机器人偏离所述投射坐标系坐标轴的夹角。

进一步的，确定所述室内机器人在室内的方向，具体为：旋转所述视图坐标系，使得所述视图坐标系中除所述指定光斑的其他光斑和所述激光矩阵投射坐标系中对应的投射光斑重合中，基于计算旋转角度θ；基于所述旋转角度θ和旋转方向确定所述室内机器人在室内的方向；其中，和、以及和为所述机器人视图中的两个光斑在所述视图坐标系中的坐标，在所述视图坐标系旋转后，所述两个光斑所在直线与所述激光矩阵投射坐标系的坐标轴平行。

提出一种室内机器人定位系统，包括室内机器人、激光矩阵发射器和拍摄设备；所述激光矩阵发射器，包含若干激光发射器，用于向天花板发射激光束；其中，每颗激光发射器对应有编号；所述室内机器人包括激光发射信号发送模块、拍摄控制模块、机器人视图获取模块和定位模块；所述激光发射信号发送模块，用于按照设定频率和设定顺序向所述激光矩阵发射器发送激光发射指令信号；其中，所述激光发射指令信号包含激光发射器的编号；所述激光矩阵发射器包括激光发射器控制模块，用于基于所述激光发射指令信号控制所述编号对应的激光发射器向所述天花板发射激光束；所述拍摄设备安装于所述室内机器人上，且拍摄角度朝向所述天花板，用于在所述拍摄控制模块的控制下对天花板拍照；所述机器人视图获取模块，用于获取包含所述激光束在所述天花板形成光斑图像的机器人视图；所述定位模块，用于基于所述机器人视图实现对所述室内机器人定位。

进一步的，所述激光矩阵发射器由N*M个激光发射器组成N行M列矩阵形式，每个激光发射器之间的间距等距；所述激光发射器的编号为激光三角形阵列编号；所述激光三角形阵列由四个激光发射器组成；所述四个激光发射器为激光发射器矩阵中的，满足其中三个激光发射器投射到所述天花板的三个光斑在同一条直线上且相邻，剩下一个激光发射器投射到所述天花板的光斑与其他三个激光发射器投射到所述天花板的光斑形成的三角形的钝角夹角为135°。

进一步的，所述定位模块具体包括视图光斑坐标确定单元、投射光斑坐标确定单元和定位单元； 所述视图光斑坐标确定单元，用于确定所述机器人视图中的光斑在所处视图坐标系中的视图光斑坐标；所述投射光斑坐标确定单元，用于确定所述编号对应激光发射器投射的光斑在激光矩阵投射坐标系中的投射光斑坐标；所述定位单元，用于根据所述视图光斑坐标和所述投射光斑坐标确定所述室内机器人在室内的位置和方向。

进一步的，所述定位单元包括坐标系移动子单元、坐标系旋转子单元和室内机器人位置确定子单元；所述坐标系移动子单元，用于移动所述视图坐标系，使得所述视图坐标系中的指定光斑和所述激光矩阵投射坐标系中与所述指定光斑对应的投射光斑重合；所述坐标系旋转子单元，用于旋转所述视图坐标系，使得所述视图坐标系中除所述指定光斑的其他光斑和所述激光矩阵投射坐标系中对应的投射光斑重合；所述室内机器人位置确定子单元，用于根据确定所述机器人视图的中心点在所述激光矩阵投射坐标系的投射坐标，基于所述中心点的投射坐标和所述激光矩阵投射坐标系与地面坐标系的对应关系，确定所述室内机器人在室内的位置；其中， 和为所述机器人视图的中心点在所述视图坐标系的坐标；和为所述指定光斑在所述视图坐标系中的坐标；和为所述指定光斑在投射光斑坐标系中的坐标，θ为所述机器人偏离所述投射坐标系坐标轴的夹角。

进一步的，所述定位单元还包括室内机器人方向确定子单元；所述室内机器人方向确定子单元，用于在旋转所述视图坐标系，使得所述视图坐标系中除所述指定光斑的其他光斑和所述激光矩阵投射坐标系中对应的投射光斑重合，基于计算旋转角度θ，并基于所述旋转角度θ和旋转方向确定所述室内机器人在室内的方向，其中，和、以及和为所述机器人视图中的两个光斑在所述视图坐标系中的坐标，在所述视图坐标系旋转后，所述两个光斑所在直线与所述激光矩阵投射坐标系的坐标轴平行。

与现有技术相比，本申请的优点和积极效果是：本申请提出的室内机器人定位方法和系统中，采用矩阵式的激光发射器按照设定频率和设定编号向室内天花板发射激光束，激光发射器每发射一次激光束，在天花板形成光斑，再采用安装在室内机器人顶部的拍摄设备拍摄天花板的图像，从中获得具有光斑的机器人视图，根据机器人视图所在视图坐标系与激光矩阵发射器在天花板形成光斑所在的激光矩阵投射坐标系的对应关系，推算出机器人视图的中心点在激光矩阵投射坐标系中的对应坐标、以及机器人视图所在视图坐标系相对激光矩阵投射坐标系的旋转角度，再结合激光矩阵投射坐标系与地面坐标的对应关系，得到室内机器人在室内所处的位置和方向，从而实现了对室内机器人的定位。这种结合激光矩阵发射器按照设定编号发射激光束，进而获取具有光斑图像的机器人视图进行分析的定位方式，相比现有的视觉导航定位，只需处理包含有光斑的图像，图像处理量小，实时性强，不受周围环境干扰，定位可靠性高；相比现有的超声波导航定位，无需充分获取周边环境信息，仅运用坐标系的对应关系就能实现定位，成本低廉且精度高，安装简便，可实现低成本、高精度、高实时性、高可靠性的室内机器人定位。

结合附图阅读本申请实施方式的详细描述后，本申请的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1 为本申请提出的室内机器人定位方法的方法流程图；

图2为本申请提出的室内机器人定位系统的系统框图；

图3为本申请提出的激光矩阵投射坐标系的建立示例图；

图4为本申请中视图坐标系和激光矩阵投射坐标系对应关系示例图；

图5为本申请中视图坐标系和激光矩阵投射坐标系对应关系示例图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的具体实施方式作进一步详细地说明。

本申请提出的室内机器人定位方法是基于图2所示的室内机器人定位系统提出的，该室内机器人定位系统包括室内机器人1、激光矩阵发射器2和拍摄设备3；拍摄设备3安装于室内机器人1的顶部，拍摄角度朝向天花板。

激光矩阵发射器2包含若干激光发射器21，以N行M列的矩阵形式组合排列，每个激光发射器之间的间距等距，均为L，用于向天花板发射激光束，且每颗激光发射器21都对应有编号；每颗激光发射器的投射角度可以调整，发射出的激光束在天花板形成的光斑的位置都是事先设定的，当所有的激光发射器21都向天花板投射时，能够在天花板上形成一个分布均匀的矩阵形式的光斑点阵；这其中，N和M为正整数。如图3所示，为激光矩阵发射器的所有激光发射器发射后在天花板形成的光斑矩阵，并为投射光斑在天花板上建立激光矩阵投射坐标系。

在定位之前，需要将激光矩阵发射器2固定在室内的某个位置，保证发射出的激光束不会被遮挡，均能投射到天花板形成有效的可见光斑；每颗激光发射器都有对应的编号，,；在激光发射器投射的天花板形成光斑之前，需要在天花板建立一个激光矩阵投射坐标系，每颗激光发射器投射在天花板形成的光斑在该激光矩阵投射坐标系内都有自身的位置信息，且需要将编号与在激光矩阵投射坐标系中的位置信息之间的对应关系预先存储。图3所示的激光矩阵投射坐标系示例中，是以激光矩阵发射器中左上角的第一颗激光发射器作为激光矩阵投射坐标系的原点建立的坐标系。

基于上述，本申请提出的室内机器人定位方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤S11：接收室内机器人按照设定频率和设定顺序发送的激光发射指令信号。

以室内机器人以100次/秒的设定频率向激光矩阵发射器发送激光发射指令信号为例，每次发射的激光发射信号中都包含有激光发射器的编号；例如，第一次发送的激光发射信号中包含激光发射器、、和，第二次发送的激光发射信号中包含激光发射器、、和，第三次发送的激光发射信号中包含激光发射器、、和等等。

步骤S12：基于激光发射指令信号控制编号对应的激光发射器向天花板发射激光束。

也即，每发送一次激光发射指令信号，都使得激光矩阵发射器按照发送的激光发射器编号启动对应编号的激光发射器向天花板投射激光束，在天花板形成光斑。

步骤S13：获取包含激光束在天花板形成光斑图像的机器人视图。

每发送一次激光发射指令信号在天花板形成光斑后，都控制拍摄设备对天花板进行拍照获得一幅机器人视图，继续以上述举例为例，在一秒钟内发送了100次激光发射信号，则激光矩阵发射器在一秒内向天花板投射了100次激光，在天花板形成了100次光斑，拍摄设备在一秒钟内获取到100幅机器人视图，但由于室内机器人或者是静止的或者是运行的，而在运动过程中，室内机器人的位置是随时变动的，且拍照范围有限，只能拍摄到其正上方天花板的图像，因此，其一秒钟内获取的100幅机器人视图中，不是所有机器人视图中都能拍摄到完整的光斑，只有光斑形成于其正上方时才能拍摄到完整光斑，故需要从这100幅图像中筛选出具有完整光斑的机器人视图作为分析基础，也即，筛选出具有四个光斑的机器人视图。

步骤S14：基于机器人视图实现对室内机器人定位。

筛选出具有完整光斑的机器人视图后，可以获知机器人视图中投射激光形成光斑的激光发射器的编号，进而可以根据编号与在激光矩阵投射坐标系中的位置信息之间的对应关系，获知光斑在激光矩阵投射坐标系中的坐标，而机器人视图中，各个光斑在视图坐标系中的视图坐标是可以获知的，进而根据机器人视图所处的视图坐标系和激光矩阵投射坐标系的对应关系，通过比例缩放和坐标系旋转等手段，可以换算出机器人视图与天花板的位置关系，再结合激光矩阵投射坐标系与地面坐标系的对应关系获知室内机器人的定位。

通常，天花板与地面为镜像关系，激光矩阵投射坐标系与地面坐标系也为镜像关系，通过安装于室内机器人顶部的拍摄设备获取天花板上的包含光斑图像的机器人视图，并通过机器人视图与激光矩阵投影坐标系的对应关系，推导出机器人视图的中心点位置在天花板的激光矩阵投射坐标系中位置坐标，基于镜像对应也就获知了机器人视图中心点与地面的位置关系，而机器人视图的中心点处在机器人的正上方，机器人视图中心点的位置能够直接反应室内机器人的在室内的位置。

例如，按照上述举例的四个光斑，连接起来形成钝角三角形，在通过比例缩放和坐标系旋转后，使得机器人视图中的光斑与激光矩阵投射坐标系中光斑的位置重合，该过程中，即可获知为实现坐标系重合的旋转角度即表征了室内机器人的运动方向；机器人视图的中心点即为拍摄设备的拍摄中心点，找到机器人视图中心点在激光矩阵投射坐标系中的对应位置，既能确定室内机器人在激光矩阵投射坐标系中的位置，也即确定了机器人在室内的位置。当然，本申请中，不限定于每次按照上述举例方式控制四个激光投射器向天花板投射激光，任何以设定频率和设定顺序投射特定组合激光的方式均在本申请保护范围内。

本申请的一个优选具体实施中，室内机器人按照设定频率和设定顺序向激光矩阵发射器发送的激光发射信号中包含有四个激光发射器的编号，每四个激光发射器投射在天花板形成的光斑能够组成一个三角形；其中三个激光发射器投射到所述天花板的三个光斑在同一条直线上且相邻，剩下一个激光发射器投射到天花板的光斑与其他三个激光发射器投射到天花板的光斑形成的三角形的钝角夹角∠abd为135°，组成最大夹角的两条边，一条边边长为L，另一条边的边长为2L，如图3所示的光斑a、b、c、d。这种非对称分布的光斑形式，有利于根据钝角的位置确定对应编号的激光发射器发射的激光投射出的光斑。

室内机器人每向激光矩阵发射器发送一次激光发射指令信号，激光矩阵发射器启动包含激光发射器的编号对应的四颗激光发射器向天花板投射激光束，在天花板形成由四个光斑构成的三角形，同时控制拍摄设备对天花板进行一次拍摄，保证发射激光与拍摄同步，拍摄设备的拍摄视场应该至少能够包括两个三角形大小的区域，以便当组成三角形的四个光斑在拍摄视场内，也即室内机器人的正上方时，能够完整的拍摄到三角形的四个光斑。

则步骤S14中基于机器人视图对室内机器人定位，具体为：确定机器人视图中的光斑在所处视图坐标系中的视图光斑坐标；确定编号对应激光发射器投射的光斑在激光矩阵投射坐标系中的投射光斑坐标；根据视图光斑坐标和投射光斑坐标确定室内机器人在室内的位置和方向。具体的，根据机器人视图的中心点在激光矩阵投射坐标系中的位置确定室内机器人在室内的位置，根据视图坐标系和激光矩阵投射坐标系的夹角关系确定机器人的运动方向。

具体实施中，得到了具有完整光斑的机器人视图后，能够获知该幅机器人视图中对应的四颗激光发射器的编号，也就可以确定光斑在激光矩阵投射坐标系中的投射光斑坐标；根据机器人视图也能够获知其中的光斑在视图坐标系中的视图光斑坐标。

视图坐标系和激光矩阵投射坐标系之间预先设定好对应关系，也即设定好比例关系，根据比例缩放能够使得两个坐标系相同。

根据机器人视图中的光斑图像还能够确定机器人视图的中心点坐标；机器人视图的中心点也即能表征拍摄设备的拍摄中心点，也即能表征室内机器人的定位，在确定了机器人视图的中心点视图坐标之后，通过缩放实现视图坐标系与激光矩阵投射坐标系同比例，这里假设视图坐标系与激光矩阵投射坐标系的比例尺度相同，则如图4所示， a、b、c、d四个光斑和机器人视图中心点m在视图坐标系中的坐标分别为、、、、，都是已知的（即机器人视图中的各个光斑点在视图坐标系中根据像素位置确定坐标）。

确定了完整光斑图像的机器人视图，也就能够确定机器人视图中形成光斑的激光发射器的编号，则根据激光发射器的编号能够确定激光发射器投射在天花板的光斑在激光矩阵投射坐标系中的位置，也即能够确定投射光斑坐标；设定a、b、c、d四个光斑在激光矩阵投射坐标系中的投射光斑坐标，以及和机器人视图中心点对应在激光矩阵投射坐标系中的投射坐标分别为、、、、该四个光斑的投射光斑坐标可通过激光发射器编号与在激光矩阵投射坐标系中的位置关系获知；机器人视图中心点m在对应到激光矩阵投射坐标系的投射坐标未知，为所求目标坐标。这其中，视图坐标系中的光斑用“.”标示，激光矩阵投射坐标系中的光斑用“*”标示。

如图5所示，移动视图坐标系使得机器人视图中的一个指定光斑（图示中为光斑a）与激光矩阵投射坐标系中与该指定光斑对应的投射光斑重合。

通常，室内机器人在室内的定位不限于位置定位，还包括运动方向定位，也即偏转角度定位，这是因为，当机器人前进的方向并不总是与投射坐标系的方向一致，使得拍摄设备拍摄的机器人视图与激光矩阵投射坐标系有一定的夹角，如图5所示的夹角θ，该夹角θ也反映了视图坐标系的X轴或Y轴相对激光矩阵投射坐标系的X轴或Y轴的夹角关系（图示中为与激光矩阵投射坐标系的Y轴的夹角），因此，为使两个坐标系中的光斑重合，旋转视图坐标系，使得视图坐标系中除指定光斑的其他光斑（b、c、d）和激光矩阵投射坐标系中对应的投射光斑重合，旋转角度即为θ，表征了室内机器人的偏转方向，可以规定θ大于零时对应逆时针旋转，θ小于零时对应顺时针旋转，通过旋转，可以根据确定机器人视图的中心点视图坐标在激光矩阵投射坐标系的对应投射坐标；进而可以基于机器人视图的中心点对应的投射坐标和激光矩阵投射坐标系与地面坐标系的对应关系，确定室内机器人在室内的位置。

则在旋转所述视图坐标系，使得所述视图坐标系中除指定光斑的其他光斑和激光矩阵投射坐标系中对应的投射光斑重合中，基于可计算出旋转角度θ，进而基于旋转角度θ和旋转方向确定室内机器人在室内的方向；

其中，和、以及和为机器人视图中的b、d两个光斑在视图坐标系中的坐标，在视图坐标系旋转后，b、d两个光斑所在直线与激光矩阵投射坐标系的X坐标轴是平行关系。

则基于上述，可以根据激光矩阵投射坐标系与地面坐标系的对应关系即可获知室内机器人的位置和运动偏转方向，下一刻室内机器人就按照该角度前进。

上述，本申请实施例中使用由四个激光发射器组成的激光三角形阵列向天花板投射光斑来实现对机器人的位置和方向的计算，实际应用中，采用其他个数和/或排列方式的激光发射器组合向天花板投射光斑，基于不同的算法同样可以实现对室内机器人的位置和方向的定位，本申请不予限定。

基于上述提出的室内机器人定位方法，本申请还提出一种如图2所示的室内机器人定位系统，包括室内机器人1、激光矩阵发射器2和拍摄设备3；激光矩阵发射器2包含若干激光发射器21，用于向天花板发射激光，其中，每颗激光发射器对应有编号；室内机器人1包括激光发射指令信号发送模块11、拍摄控制模块12、机器人视图获取模块13和定位模块14；激光发射指令信号发送模块11用于按照设定频率和设定顺序向激光矩阵发射器2发送激光发射指令信号，其中，激光发射指令信号包含激光发射器的编号；激光矩阵发射器2还包括激光发射器控制模块22，用于基于激光发射信号控制编号对应的激光发射器向天花板发射激光；拍摄设备3安装于室内机器人顶部，且拍摄角度朝向天花板，用于在拍摄控制模块12的控制下对天花板拍照；机器人视图获取模块13用于获取包含激光束在天花板形成光斑图像的机器人视图；定位模块14用于基于机器人视图对室内机器人定位。

具体的，激光矩阵发射器2由N*M个激光发射器21组成N行M列矩阵形式，每个激光发射器之间的间距等距；激光矩阵发射器2根据激光发射指令信号中包含的编号控制相应编号的激光发射器向天花板投射激光，这里的编号为激光三角形阵列编号，而激光三角形阵列由四个激光发射器组成，这四个激光发射器为激光发射器矩阵中的，且满足其中三个激光发射器投射到所述天花板的三个光斑在同一条直线上且相邻，剩下一个激光发射器投射到天花板的光斑与其他三个激光发射器投射到天花板的光斑形成的三角形的钝角夹角为135°。

定位模块14具体包括视图光斑坐标确定单元141、投射光斑坐标确定单元142和定位单元143；视图光斑坐标确定单元141用于确定机器人视图中的光斑在所处视图坐标系中的视图光斑坐标；投射光斑坐标确定单元142用于确定编号对应激光发射器投射的光斑在激光矩阵投射坐标系中的投射光斑坐标；定位单元143用于根据视图光斑坐标和投射光斑坐标确定室内机器人在室内的位置和方向。

具体的，定位单元143包括坐标系移动子单元1431、坐标系旋转子单元1432和室内机器人位置确定子单元1433；坐标系移动子单元1431用于移动视图坐标系，使得视图坐标系中的指定光斑和激光矩阵投射坐标系中与指定光斑对应的投射光斑重合；坐标系旋转子单元1432用于旋转视图坐标系，使得视图坐标系中除指定光斑的其他光斑和激光矩阵投射坐标系对应的投射光斑重合；室内机器人位置确定子单元1433用于根据确定机器人视图的中心点在激光矩阵投射坐标系的投射坐标，基于中心点的投射坐标和激光矩阵投射坐标系与地面坐标系的对应关系，确定室内机器人在室内的位置。

定位单元还包括室内机器人方向确定子单元1434，用于在旋转视图坐标系，使得视图坐标系中除指定光斑的其他光斑和激光矩阵投射坐标系中对应的投射光斑重合中，基于计算旋转角度θ，并基于旋转角度θ和旋转方向确定所述室内机器人在室内的方向；其中，和、以及和为机器人视图中的b、d两个光斑在视图坐标系中的坐标，在视图坐标系旋转后，b、d两个光斑所在直线与激光矩阵投射坐标系的坐标轴是平行关系。

具体的室内机器人的定位系统的工作方式已经在上述的室内机器人定位方法中详述，此处不予赘述。

上述本申请提出的室内机器人定位方法和系统，采用矩阵式的激光发射器按照设定频率、设定顺序和设定编号向天花板发射激光束，每发射一次激光束，使用安装在室内机器人上的拍摄设备对其正上方天花板拍照，获取包含天花板图像的机器人视图，这其中，必然存在能够被拍摄设备拍摄到包括一次发射的激光束形成的所有光斑的机器人视图，将该机器人视图所处视图坐标系通过比例缩放、平移和旋转等手段使其与在天花板建立的激光矩阵投射坐标系重合，从中推算出室内机器人的位置和方向，实现对室内机器人的定位，该定位过程图像处理量小、实时性强，不受周围环境干扰，安装简便，可实现低成本、高精度、高可靠性的室内机器人定位。

应该指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。