基于图像识别的空间定位方法、装置及系统与流程

本发明涉及空间定位技术领域，具体涉及一种基于图像识别的空间定位方法、装置及系统。

背景技术

在科学技术快速发展的过程中，与人们生活密切相关的一项技术是定位技术，这包括室内的定位技术以及室外的定位技术。在室外定位技术中，最为普遍的就是基于gps定位，而在室内定位技术中，种类繁多，其中较为广泛的有基于wi-fi、蓝牙、uwb的无线传输技术的定位技术；以及基于图像识别的空间定位技术，这包括二维码识别定位、空间纹理识别定位以及其他特定标志物的识别定位等。

当前已经全面进入汽车时代，然而，随之而来的停车难成为困扰城市发展的重要问题。为了缓解这一难题，停车空间开始往立体发展，立体停车库应运而生，尤其基于自动导引车(automatedguidedvehicle,agv)和空间定位技术实现的全智能化立体停车方式给用户带来了全新的体验。在一些实现方式中，自动导引车通过识别布置在停车空间内的标签来完成定位，从而按照设定的路径行驶，以将待停放车辆搬运至目的车位和将待取车辆搬运至取车区域。用于获取标签图像的摄像头安装在自动导引车上，在实际应用时，摄像头与标签之间具有较大距离，并且自动导引车在行驶过程中会产生一定振动，引起摄像头的抖动，从而导致摄像头的曝光成像与摄像头的倾角测量不同步，进而给空间定位计算带来误差，随着定位误差的积累，使得自动导引车偏离预设路径行驶。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提出一种基于图像识别的空间定位方法，旨在解决现有技术中因曝光成像与倾角测量不同步导致定位不准的问题。

为实现上述目的，本发明提出一种基于图像识别的空间定位方法，包括：

在成像器件拍摄设置在预设位置的参考标识的图像时，获取所述成像器件的倾角，其中所述倾角为所述成像器件的焦平面与水平面所成的夹角；

根据所述图像获取所述参考标识的位置坐标信息；

获取所述成像器件与所述参考标识的相对高度；

根据所述图像中参考标识的位置与所述图像的中心位置的相对位置关系、所述成像器件在拍摄所述图像时的物距以及所述参考标识的位置坐标信息，获得所述成像器件的第一位置坐标信息；

根据所述倾角和所述相对高度修正所述第一位置坐标信息，得到所述成像器件的第二位置坐标信息。

优选地，所述在成像器件拍摄设置在预设位置的参考标识的图像时，获取所述成像器件的倾角的过程，包括：

向所述成像器件发送外触发的图像采集指令；

在延迟预设时间后，触发与所述成像器件配套的闪光器件闪光，并同时获取所述成像器件的曝光图像和倾角。

优选地，所述根据所述图像中参考标识的位置与所述图像的中心位置的相对位置关系、所述成像器件在拍摄所述图像时的物距以及所述参考标识的位置坐标信息，获得所述成像器件的第一位置坐标信息的过程，包括：

根据所述成像器件在拍摄所述图像时的物距，获取放大系数；

根据所述相对位置关系与所述放大系数的乘积，获得所述图像的中心位置与参考标识的实际相对位置关系；

根据所述参考标识的位置坐标信息与所述实际相对位置关系获取所述成像器件的第一位置坐标信息。

优选地，所述根据所述倾角和所述相对高度修正所述第一位置坐标信息，得到所述成像器件的第二位置坐标信息的过程，包括：

根据所述第一位置坐标信息和所述相对高度，获得第一修正量；

根据所述第一位置坐标信息、所述第一修正量和所述倾角，获取第二修正量；

根据所述第一位置坐标信息与所述第二修正量之和，得到所述成像器件的第二位置坐标信息。

优选地，在所述根据所述第一位置坐标信息与所述第二修正量之和，得到所述成像器件的第二位置坐标信息的步骤之后，该空间定位方法还包括：

根据所述第二位置坐标信息与所述第一位置坐标信息确定坐标偏差值；

若所述坐标偏差值大于预设值，根据所述第一修正量与所述第二修正量修正所述倾角，得到修正后的倾角；

根据所述第一位置坐标信息、所述第一修正量和所述修正后的倾角，获取修正后的第二修正量；

根据所述第一位置坐标信息与所述修正后的第二修正量之和，得到修正后的所述成像器件的第二位置坐标信息。

本发明还提出一种基于图像识别的空间定位装置，包括：

图像及倾角获取模块，用于在成像器件拍摄设置在预设位置的参考标识的图像时，获取所述成像器件的倾角，其中所述倾角为所述成像器件的焦平面与水平面所成的夹角；

坐标识别模块，用于根据所述图像获取所述参考标识的位置坐标信息；

高度识别模块，用于获取所述成像器件与所述参考标识的相对高度；

第一计算模块，用于根据所述图像中参考标识的位置与所述图像的中心位置的相对位置关系、所述成像器件在拍摄所述图像时的物距以及所述参考标识的位置坐标信息，获得所述成像器件的第一位置坐标信息；

第二计算模块，用于根据所述倾角和所述相对高度修正所述第一位置坐标信息，得到所述成像器件的第二位置坐标信息。

优选地，所述图像及倾角获取模块包括：

指令控制单元，用于向所述成像器件发送外触发的图像采集指令；以及，用于在延迟预设时间后，触发与所述成像器件配套的闪光器件闪光；

数据采集单元，用于同时获取所述成像器件的曝光图像和倾角。

再者，本发明还提供一种基于图像识别的空间定位系统，其包括控制器、分别与所述控制器电连接的成像器件和倾角传感器，其中，所述控制器用于：

在所述成像器件拍摄设置在预设位置的参考标识的图像时，通过所述倾角传感器获取所述成像器件的倾角，其中所述倾角为所述成像器件的焦平面与水平面所成的夹角；

根据所述图像获取所述参考标识的位置坐标信息；

获取所述成像器件与所述参考标识的相对高度；

根据所述图像中参考标识的位置与所述图像的中心位置的相对位置关系、所述成像器件在拍摄所述图像时的物距以及所述参考标识的位置坐标信息，获得所述成像器件的第一位置坐标信息；

根据所述倾角和所述相对高度修正所述第一位置坐标信息，得到所述成像器件的第二位置坐标信息。

优选地，该空间定位系统还包括与所述控制器电连接的闪光器件，所述闪光器件可在接收到触发信号时朝向所述参考标识发出红外光，其中，所述控制器用于：

向所述成像器件发送外触发的图像采集指令；

在延迟预设时间后，触发与所述成像器件配套的闪光器件闪光，并同时获取所述成像器件的曝光图像和倾角。

优选地，所述闪光器件为高频脉冲闪光板，所述红外光为波长890nm的不可见光波段红外光，所述参考标识包括由高反射率材料制成的标签板和设置在所述标签板上的二维码标识。

本发明所提供的基于图像识别的空间定位方法，采用带有外触发及全局快门方式曝光的工业级摄像头实现参考标识的图像采集，并利用控制摄像头进入图像采集状态的信号作为倾角传感器的触发源，在触发摄像头曝光的同时获取到当前的倾角数据，使得摄像头的曝光与倾角测量趋于同步，极大地提升了空间定位计算的准确性。

附图说明

图1为本发明基于图像识别的空间定位系统一实施例的结构示意图；

图2为本发明基于图像识别的空间定位方法一实施例的流程示意图；

图3为参考标识的地理位置坐标信息示意图；

图4为图像的坐标系示意图；

图5为参考标识的三维地理位置坐标信息示意图；

图6为步骤s100的执行过程较佳实施例的流程示意图；

图7为步骤s130的执行过程较佳实施例的流程示意图；

图8为步骤s140的执行过程较佳实施例的流程示意图；

图9为步骤s140的执行过程另一较佳实施例的流程示意图；

图10为本发明基于图像识别的空间定位装置一实施例的组成模块示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同标号表示相同的元件或具有相同功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于图像识别的空间定位系统，该空间定位系统主要服务于通过自动导引车(automatedguidedvehicle,agv)实现的全智能化立体停车方式，从而提高城市空间的利用率，降低立体停车设备的建造成本，而且大大降低用户停车操作的难度。通过该空间定位系统，可以给自动导引车提供实时定位，以保证自动导引车沿着预定的路径行驶，从而完成车辆搬运。

如图1所示，在具体实施方式中，该空间定位系统包括控制器10、分别与该控制器10电连接的成像器件20和倾角传感器30，其中，控制器10具有逻辑运算和存储功能，比如其基础结构配置包括处理器和存储器，存储器中存储有能够被处理器执行的计算机程序，处理器通过设定的计算机程序而实现相关功能，比如通过对获取的数据进行处理而确定定位信息；成像器件20优选为带有外触发及全局快门方式曝光的工业级摄像头，可以利用一个信号作为触发源，同步控制倾角传感器30，本实施例中，倾角传感器30用于测量成像器件20的倾角，即成像器件20的焦平面与水平面所成的夹角。

此外，在该空间定位系统的较佳实施方式中，空间定位系统还包括闪光器件40和单片机50，控制器10通过单片机50分别与倾角传感器30和闪光器件40电连接，控制器10向单片机50发送相关控制指令，再由单片机50生成相应的信号以实现与倾角传感器30和闪光器件40的通信，比如采集倾角传感器30的倾角数据和触发闪光器件40动作，以配合成像器件20的曝光过程。

在上述空间定位系统实现方式的基础上，本发明还提出一种基于图像识别的空间定位方法，如图2所示，该空间定位方法包括：

步骤s100，在成像器件拍摄设置在预设位置的参考标识的图像时，获取成像器件的倾角。

为实现空间定位，可以在定位空间的预设位置上设置参考标识，比如将本发明的空间定位方法应用于室内停车场时，该预设位置可以是天花板、高架、墙面或地面上。当然，也可以将本发明的空间定位方法应用于仓储物流中，参考标识的设置位置可以参考前述举例，其能够被成像器件20获取到并且不影响诸如自动导引车(agv)的正常行驶即可。若预设位置设置在距离成像器件20较近的位置，会影响定位的精度，优选地，将预设位置设置在距离成像器件202m～15m范围内的位置，如天花板，方便成像器件20拍摄参考标识。其中，可以选择便于识别的标识作为参考标识，如不同颜色的灯、带有位置信息的二维码等。在成像器件20拍摄到参考标识后，处理器能够根据参考标识的成像获取参考标识的信息，包括预先设置的参考标识所在位置的用于定位的位置坐标信息。

为了便于实现室内空间定位，可以为室内定位空间划分坐标定位，坐标定位的划分包括多种形式，可以根据现有的坐标体系划分，也可以重新建立坐标体系来进行室内定位空间划分。为便于解释本发明，在本具体实施例中，以地理坐标为室内定位空间位置的位置坐标信息。如图3所示，为参考标识的地理位置坐标信息示意图，确定定位空间内的一个或多个参考标识对应的地理位置坐标，坐标系的x轴方向表示正东方向，y轴方向表示正北方向，特定的参考标识所在的预设位置对应特定的地理坐标，如参考标识a对应的地理坐标为(xa，ya)。

在本步骤中，考虑到成像器件20安装在可处于运动状态的载体(比如自动导引车)上，并且成像器件20与参考标识的相对位置随时在变，因此需要在每次拍摄参考标识的图像时获取成像器件20当前的倾角，该倾角是成像器件20的焦平面与水平面所成的夹角。为了保证定位计算的准确性，通过在成像器件20拍摄参考标识的图像时，获取成像器件20的倾角，即通过曝光获取参考标识的图像的同时获取该倾角。为了确保获取图像和倾角的同步性，在前述的空间定位系统中，成像器件20采用带有外触发全局快门方式曝光的工业级摄像头，可以利用一个信号作为触发源，同时满足成像器件20和倾角传感器30的控制要求。比如在图1所示的系统中，控制器10向单片机50发送图像采集指令，单片机50在延迟一定时间后，在同一时间触发成像器件20和倾角传感器30，采集曝光数据和倾角数据，然后生成数据包并发送给控制器10，由此保证图像数据和倾角数据获取的同步性。

进一步地，为了缩减成像器件20的曝光时间，提高曝光与倾角测量的同步性，如图6所示，步骤s100具体包括：

步骤s101，向成像器件发送外触发的图像采集指令。

如上所述的，成像器件20采用带有外触发全局快门方式曝光的工业级摄像头，并且配置有闪光器件40，以在缩短曝光时间的情况下获得清晰图像。控制器10先向单片机50发送图像采集指令，因为该类型的成像器件20对外触发信号具有一定的时序要求，因此在这个时序之间经过适当的延时后单片机50才向各器件发送触发信号，满足同步控制要求。

步骤s102，在延迟预设时间后，触发与成像器件配套的闪光器件闪光，并同时获取成像器件的曝光图像和倾角。

在延迟预设时间后，单片机50触发闪光器件40动作，朝向参考标识发出瞬时强光，以使参考标识具有足够的反射光线，由此在缩短曝光时间的情况下仍然可获取清晰的图像。在触发闪光器件40动作的同时，单片机50获取成像器件20的曝光图像和倾角。优选地，该闪光器件40可在接收到触发信号时朝向参考标识发出红外光，并且将闪光器件40构造为高频脉冲闪光板，红外光为波长890nm的不可见光波段红外光，参考标识包括由高反射率材料制成的标签板和设置在标签板上的二维码标识。基于此，可以大大提高快速曝光的光照强度，同时消除外界可见光的干扰，给获取高质量的图像提供了保证。

步骤s110，根据图像获取参考标识的位置坐标信息。

控制器10在获取到成像器件20拍摄的图像后，可以通过图像识别技术识别图像中的参考标识，获取参考标识的信息。如预先设置的特定颜色，获取特定颜色对应的位置坐标信息。

步骤s120，获取成像器件与参考标识的相对高度。

相对于基准参照面，比如地平面，成像器件20和参考标识的绝对高度一般是设定好的，可以查询数据获取得到，由此通过两者的差值可以得到该相对高度。

步骤s130，根据图像中参考标识的位置与图像的中心位置的相对位置关系、成像器件在拍摄图像时的物距以及参考标识的位置坐标信息，获得成像器件的第一位置坐标信息。

如图4所示，为图像的坐标体系示意图，在成像器件20获取到参考标识的图像后，每张图像也包括图像自身的坐标体系，如参考标识a在图像上的坐标为(x1，y1)，图像的中心位置的坐标为(x0，y0)。

具体地，如图7所示，步骤s130包括：

步骤s131，根据成像器件在拍摄图像时的物距，获取放大系数；

以图4的图像的坐标体系为例，参考标识a在图像上的坐标为(x1，y1)，图像的中心位置的坐标为(x0，y0)，参考标识a与图像的中心位置的相对位置关系即如图4所示，则参考标识a在图像上的位置与图像的中心位置的位置差如下式：

其中，一般条件下放大系数kh与成像器件在拍摄图像时的物距h相关，在确定成像器件在拍摄图像时的物距h后，根据现有已知的光学关系就能够确定放大系数kh。

步骤s132，根据相对位置关系与放大系数的乘积，获得图像的中心位置与参考标识的实际相对位置关系。

以图4的图像的坐标体系为例，参考标识a在图像上的坐标为(x1，y1)，图像的中心位置的坐标为(x0，y0)，根据参考标识a在图像上的位置与图像的中心位置的位置差与放大系数的乘积，获得的实际相对位置关系如下式：

其中,为提高获得实际相对位置关系的精确度，还加入第一修正系数，如下式：

其中，a1和a2表示第一修正系数。

步骤s133，根据参考标识的位置坐标信息与实际相对位置关系获取成像器件的第一位置坐标信息。

结合图3的地理位置坐标和图4的图像的坐标体系，设成像器件20所在位置的地理坐标，即第一位置坐标信息为(xc，yc)，则第一位置坐标信息的获取过程如下式：

(xc,yc)＝(xa+△x,ya+△y)＝(xa+kh·(x1-x0),ya+kh·(y1-y0))

由此，基于步骤s131～步骤s133，可获得第一位置坐标信息。

步骤s140，根据所述倾角和所述相对高度修正所述第一位置坐标信息，得到所述成像器件的第二位置坐标信息。

在成像器件的运动过程中，若成像器件发生倾斜，则成像器件的焦平会与水平面形成一个角度，此处水平面是指垂直于重力方向的平面。以图3建立的地理位置坐标体系为例，成像器件20的焦平面与x轴的夹角thx，与y轴的夹角thy，夹角thx和thy即表示倾角。

具体地，如图8所示，步骤s140具体包括：

步骤s141，根据第一位置坐标信息和相对高度，获得第一修正量。

以图3建立的地理位置坐标体系为例，成像器件20的第一位置坐标信息为(xc，yc)，如图5所示，为参考标识的三维地理位置坐标信息示意图，根据成像器件20的焦平面在图3的坐标体系上建立z轴，z轴方向表示重力方向的反方向，z轴的正向表示成像器件20与参考标识的相对高度，引入三维空间的概念，则第一位置坐标信息为(xc，yc，z)，第一修正量rx和ry的计算过程如下式：

其中，a3和a4表示第二修正系数。

步骤s142，根据第一位置坐标信息、第一修正量和倾角，获取第二修正量。

根据已知的一些获取修正量的函数，如线性函数等，获取第二修正量x和y，如下式：

步骤s143，根据第一位置坐标信息与第二修正量之和，得到成像器件的第二位置坐标信息。

根据第一位置坐标信息与第二修正量之和，得到成像器件的第二位置坐标信息的过程，设第二位置坐标信息为(xd，yd)，如下式：

其中a5和a6表示第三修正系数。基于步骤s141～步骤s143，可以获得成像器件的第二位置坐标信息。

此外，如图9所示，在步骤s143之后，该空间定位方法还包括：

步骤s144，根据第二位置坐标信息与第一位置坐标信息确定坐标偏差值。

步骤s145，若坐标偏差值大于预设值，根据第一修正量与第二修正量修正倾角，得到修正后的倾角。

步骤s146，根据第一位置坐标信息、第一修正量和修正后的倾角，获取修正后的第二修正量。

步骤s147，根据第一位置坐标信息与修正后的第二修正量之和，得到修正后的成像器件的第二位置坐标信息。

在得到修正后的成像器件的第二位置坐标信息后，将修正后的第二位置坐标信息替换原第二位置坐标信息，重复上述步骤s144～s147，基于此实现一个反复的迭代运算，直至获取到与第一位置坐标信息的坐标偏差值小于等于预设值的第二位置坐标信息。

采用带有外触发及全局快门方式曝光的工业级摄像头实现参考标识的图像采集，并利用控制摄像头进入图像采集状态的信号作为倾角传感器的触发源，在触发摄像头曝光的同时获取到当前的倾角数据，使得摄像头的曝光与倾角测量趋于同步，尤其是减少成像器件的抖动所带来的影响，极大地提升了空间定位计算的准确性。

最后，本发明还提供一种基于图像识别的空间定位装置，如图10所示，该空间定位装置包括：

图像及倾角获取模块100，用于在成像器件拍摄设置在预设位置的参考标识的图像时，获取成像器件的倾角，其中倾角为成像器件的焦平面与水平面所成的夹角；

坐标识别模块110，用于根据图像获取参考标识的位置坐标信息；

高度识别模块120，用于获取成像器件与参考标识的相对高度；

第一计算模块130，用于根据图像中参考标识的位置与图像的中心位置的相对位置关系、成像器件在拍摄图像时的物距以及参考标识的位置坐标信息，获得成像器件的第一位置坐标信息；

第二计算模块140，用于根据倾角和相对高度修正第一位置坐标信息，得到成像器件的第二位置坐标信息。

具体地，图像及倾角获取模块100包括：

指令控制单元，用于向成像器件发送外触发的图像采集指令；以及，用于在延迟预设时间后，触发与成像器件配套的闪光器件闪光；

数据采集单元，用于同时获取成像器件的曝光图像和倾角。

上述各功能模块所起到的工作原理及起到的作用可参照图2及图6～图9中所示的空间定位方法的实现过程，在此不作赘述。

在本发明的空间定位装置中，通过在触发摄像头曝光的同时获取到当前的倾角数据，使得摄像头的曝光与倾角测量趋于同步，极大地提升了空间定位计算的准确性。

以上的仅为本发明的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本发明保护的范围，凡是在与本发明一个整体的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明保护的范围内。