一种基于视觉标识的机器人回充方法及芯片与流程

本发明涉及机器人回充领域，特别是涉及到一种基于视觉标识的机器人回充方法及芯片。

背景技术：

目前，解决扫地机电源问题的主要思路是自主返回充电，最常用的技术手段是基于红外线信号引导扫地机返回充电座进行对接充电。该方法和系统虽然能实现扫地机自主回充电，在红外传感器发射角度小的情况下发射编码信号的距离短、稍微有遮挡，红外信号就不能形在完整穿透，这时如果使用扫地机的清扫环境的空间比较大，机器人要以地毯式对红外信号搜索，特别是在充电座被挪动的情况下，机器人需要消耗很多剩余电量，很有可能发生扫地机无法回到基座，电量耗尽搁浅在半路上的情况。

技术实现要素：

为了克服上述技术缺陷，提出以下技术方案：

一种基于视觉标识的机器人回充方法，包括步骤：步骤s1、机器人进入充电模式后，向充电座发出充电信号；步骤s2、当机器人在当前位置的各个方位都接收到充电座向外辐射的红外引导信号时，机器人开启摄像头实时采集充电座上设置的引导标识；步骤s3、根据实时拍摄的环境图像与预先存储的充电座的引导标识图像的相似度，确定与所述引导标识图像的相似度匹配的环境图像对应的位置为第一预设回充位置；步骤s4、根据其当前位置接收到的红外引导信号的强度和所述相似度匹配的环境图像信息规划一条预设路径，并控制机器人沿着预设路径移动至第一预设回充位置；步骤s5、判断第一预设回充位置处是否拍摄到充电座的引导标识，是则控制机器人从第一预设回充位置移动至对准充电座的电极完成充电，否则进入步骤s6；步骤s6、根据第一预设回充位置接收到的红外引导信号的强度，将机器人的位姿从第一预设回充位置调整至第二预设回充位置，然后重复步骤s3至步骤s5，直到机器人对准充电座的电极完成充电。该技术方案首先通过采集引导标识图像来确定第一预设回充位置，从而为红外信号引导提供近距离的回充对接区域，提高机器人对接的成功率；另一方面，当机器人在完成实时拍摄的环境图像与预先存储的充电座的引导标识图像的匹配之后，在沿着所述预设路径移动的过程中，针对所述充电座移动的情况，该技术方案提供的所述第一预设回充位置为所述机器人提供一个重新确认充电座的引导标识的位置，然后通过部署所述第二预设回充位置为所述机器人提供一个红外视觉结合重复引导的初始回充位置，该技术方案在远程的红外辐射区域使用视觉标识进行回充引导，当靠近充电座时，先判断充电座是否保留在原先位置，再在红外引导信号的作用下，辅助视觉引导实现所述机器人最终与充电座的对接充电，这使得机器人使用更加简单方便，机器人对接的成功率大大提高，并且效率也会大大提升。

进一步地，所述步骤s2中，所述向外辐射的红外引导信号是所述充电座的红外光源射向天花板的红外编码信号，红外编码信号的覆盖范围是以所述充电座为中心的球形区域范围，针对所述充电座移动的场景条件，该技术方案在摄像头采集不到充电座的引导标识图像的情况下，通过接收充电座发射的大辐射范围的红外引导信号，辅助机器人的视觉引导回充，解决充电座移动带来的视觉采集盲区。

进一步地，所述球形区域范围划分为远程红外辐射区和近程红外辐射区，所述第一预设回充位置作为远程红外辐射区和近程红外辐射区的分界位置。针对所述充电座移动的情况，该技术方案提供的所述第一预设回充位置为所述机器人提供一个重新确认充电座的引导标识的位置，为机器人在不同的红外辐射区内的红外视觉回充引导的发挥协作作用提供操作空间，提高机器人回充对接的精度。

进一步地，所述步骤s3具体包括：步骤s31、利用特征匹配的方法将所述实时拍摄的环境图像的特征点与所述预先存储的充电座的引导标识图像的特征点进行匹配；步骤s32、根据步骤s31匹配的每对特征点的欧氏距离或汉明距离，计算确定所述实时拍摄的环境图像与所述引导标识图像的相似度；步骤s33、与所述引导标识图像的相似度最高的环境图像对应的位置为所述第一预设回充位置；其中，所述第一预设回充位置设置为与所述充电座相距预设距离的位置。本实施例中，通过提取环境图像的特征点来计算欧氏距离或汉明距离，可以减小图像的内存，保存时更加节省空间，而且进行比对的时候比对特征点，可以减小比对的工作量。

进一步地，所述步骤s4中，所述根据其当前位置接收到的红外引导信号的强度和所述相似度匹配的环境图像信息规划一条预设路径的方法包括：步骤s41、在所述远程红外辐射区内，从所述机器人当前位置至所述第一预设回充位置的路径方向中，选择红外引导信号强度增大的方向作为所述预设路径的路径走向；步骤s42、根据摄像头的内参标记所述机器人当前位置，沿着路径走向对所述机器人当前位置附近没有标记的位置拓展节点，并标记新拓展的节点；步骤s43、当节点拓展至所述第一预设回充位置时，将所述第一预设回充位置标记为目标节点，然后将所有标记的节点联结生成所述预设路径。该技术方案基于所述第一预设回充位置作为目标节点有利于生成最短路径，提高机器人回充对接的工作效率。

进一步地，所述步骤s5中，当在所述第一预设回充位置处拍摄到所述充电座的引导标识时，根据摄像头实时获取的环境图像，计算出所述第一预设回充位置与充电座的距离；然后调整所述机器人自身的姿态，进而从所述第一预设回充位置向所述充电座直线行走，在所述近程红外辐射区内移动对准所述充电座的电极，以完成自主回充。该技术方案不需要红外信号的引导，仅通过采集的充电座的引导标识图像就可以找到充电座，提高回充速度。

进一步地，所述步骤s6中，所述将机器人的位姿从第一预设回充位置调整至第二预设回充位置的方法具体为：控制所述机器人朝着红外引导信号渐强的方向原地旋转或发生位移，使其位姿从所述第一预设回充位置开始调整至所述第二预设回充位置，其中，所述第二预设回充位置不局限存在于所述远程红外辐射区或所述近程红外辐射区。该技术方案通过红外引导的方式部署所述第二预设回充位置为所述机器人提供一个红外视觉结合重复引导的初始回充位置，辅助视觉引导实现所述机器人最终与充电座的对接充电，这使得机器人对接回充的成功率大大提高。

一种芯片，用于存储程序，所述程序用于控制机器人执行所述机器人回充方法，通过大范围红外引导回充辅助视觉标识引导回充，提高视觉引导回充的工作效率和视觉识别充电座的引导标识的成功率，避免机器人在对接回充过程中进行地毯式对红外信号搜索，进一步避免机器人在低效率的回充中损耗电量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于视觉标识的机器人回充方法流程图。

图2为本发明实施例提供的确定所述第一预设回充位置的方法流程图。

图3为本发明实施例提供的规划所述预设路径的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

参考图1，本发明实施例提出一种基于视觉标识的机器人回充方法，包括步骤：

步骤s101、机器人进入充电模式后，向充电座发出充电信号，然后进入步骤s102；本实施例下，机器人与充电座通过无线连接方式进行指令交互，机器人通过无线方式向充电座发出充电指令，然后充电座启动红外光源发出红外信号，机器人通过红外接收管搜索、发现、识别充电座发出的红外信号。

步骤s102、当机器人在当前位置的各个方位都接收到充电座向外辐射的红外引导信号时，机器人开启摄像头实时采集充电座上设置的引导标识，然后进入步骤s103。本实施例下，充电座启动红外光源，朝天花板方向发射出红外引导信号，特别地，经过安装在红外光源上部的凸透镜散射，再经过反射镜的反射后以四处发散方式向外辐射红外光信号。由于红外引导信号发射球面波，并以360°全向发射红外引导信号，从而确保充电座四周的任何方位都能有红外光信号，使得器人在当前位置的各个方位都接收到充电座向外辐射的红外引导信号，至少在摄像头实时采集的区域不存在红外线辐射的死角。

可选地，所述步骤s102中，所述向外辐射的红外引导信号是所述充电座的红外光源射向天花板的红外编码信号，红外编码信号的覆盖范围是以所述充电座为中心的球形区域范围，针对所述充电座移动的场景条件，该技术方案在摄像头采集不到充电座的引导标识图像的情况下，通过接收充电座发射的大辐射范围的红外引导信号，辅助机器人的视觉引导回充，解决充电座移动带来的视觉采集盲区。

步骤s103、根据实时拍摄的环境图像与预先存储的充电座的引导标识图像的相似度，确定与所述引导标识图像的相似度匹配的环境图像对应的位置为所述第一预设回充位置，然后进入步骤s104。该技术方案首先通过采集引导标识图像来确定所述第一预设回充位置，从而为红外信号引导提供近距离的回充对接区域，提高机器人对接的成功率。

在本发明实施例中，可以在充电座上安装主动式视觉引导装置，该主动式视觉引导装置上安装有可以发射可见光或红外光的光源，且光源具有明显形态或纹理特征，构成了明显可以区分的图像标记，且该标记的尺寸必须确保在相当之范围内可见及可分辨。该主动式视觉引导装置在自动充电开始前必须供电运行。其中，在机器人的充电电极之上安装可见光或红外波段相机，需要注意的是，该相机类型必须与充电座上的主动式视觉引导装置的发光类型匹配。由于采用主动式视觉引导标记，相机的曝光时间不需要设置太大。另外，在机器人上安装可用于图像处理与对准控制计算的处理器，且将上述相机的信号线接入该图像处理器数据接口。同时，处理器的输出信号线连接上移动机器人的电机驱动控制模块接口。

步骤s104、根据所述机器人在当前位置接收到的红外引导信号的强度和所述相似度匹配的环境图像信息规划一条预设路径，并控制所述机器人沿着预设路径移动至所述第一预设回充位置，然后进入步骤s105。步骤s105、判断所述第一预设回充位置处是否拍摄到充电座的引导标识，是则控制所述机器人从所述第一预设回充位置移动至对准充电座的电极完成充电，否则进入步骤s106。当机器人在完成实时拍摄的环境图像与预先存储的充电座的引导标识图像的匹配之后，在沿着所述预设路径移动的过程中，针对所述充电座移动的情况，该技术方案提供的所述第一预设回充位置为所述机器人提供一个重新确认充电座的引导标识的位置。

步骤s106、根据第一预设回充位置接收到的红外引导信号的强度，将机器人的位姿从第一预设回充位置调整至第二预设回充位置，然后重复步骤s103至步骤s105，直到机器人对准充电座的电极完成充电。该技术方案通过部署所述第二预设回充位置为所述机器人提供一个红外视觉结合重复引导的初始回充位置，该技术方案在远程的红外辐射区域使用视觉标识进行回充引导，当靠近充电座时，先判断充电座是否保留在原先位置，再在红外引导信号的作用下，辅助视觉引导实现所述机器人最终与充电座的对接充电，这使得机器人使用更加简单方便，机器人对接的成功率大大提高，并且效率也会大大提升。

本实施例中，所述机器人在开始工作时，不一定是从充电座出发的，有可能是用户直接将其放入某一房间后开始清扫的，也有可能是所述机器人从房间的某个角落里出发开始工作的。所述机器人按照预设的逻辑算法规定的轨迹进行清扫时，所述机器人的视觉传感器，如摄像头同时也采集周围环境图像，本实施例下只要是采集充电座的引导标识，在采集环境图像的同时，也计算下此时采集环境图像的位置，记录所述机器人的位置，以所述机器人的起点为参照进行记录，例如可以记录从起点到采集充电座的引导标识图像的点所走的位移以及方向，所述机器人在工作时实时记录自身的运动轨迹。所述机器人开始回充时，本发明将采集的环境图像与用户事先存储在扫地机器人内或者扫地机器人在充电位置时拍摄并存储起来的充电座的引导标识图像比较，找出与充电座的引导标识图像的相似度最高的环境图像，然后沿着规划路径移动到该相似度最高环境图像所对应的第一预设回充位置；到达所述第一预设回充位置后，如果拍摄的环境图像中没有出现充电座引导标识，但接收到充电座发出的红外引导信号，通过识别红外引导信号的强度变化情况，控制红外引导信号引导调整所述机器人至所述第二预设回充位置，然后根据搜索并识别到的充电座的引导标识图像，引导所述机器人向充电座自动行走，对准电极充电。

其中，采集环境图像的预设规则可以是每隔一段时间采集一次，也可以是每移动一段距离采集一次。生成回充命令，可以是所述机器人的电量低于预设的阈值，或者是接收到用户发来的结束工作的命令后生成的回充命令。本实施例中，视觉传感器是指利用摄像头的内参获取所述机器人在移动中的位置，实时获取所述机器人的姿态，使所述机器人意识到自己在环境中所处的位置。

在本实施例下所述引导标识为二维码，二维码是黑白相间的图片，辨识度高，制作简单。作为引导标识放在充电座的电极的中心位置上，方便所述机器人识别并对准。

可选地，所述充电座的红外光源向外辐射出红外编码信号，其中红外编码信号的覆盖范围是以所述充电座为中心的球形区域范围所述球形区域范围划分为远程红外辐射区和近程红外辐射区，所述第一预设回充位置作为远程红外辐射区和近程红外辐射区的分界位置。针对所述充电座移动的情况，该技术方案提供的所述第一预设回充位置为所述机器人提供一个重新确认充电座的引导标识的位置，为机器人在不同的红外辐射区内的红外视觉回充引导的发挥协作作用提供操作空间，提高机器人回充对接的精度。

可选地，如图2所示，所述步骤s103具体包括：步骤s1031、利用特征匹配的方法将所述实时拍摄的环境图像的特征点与所述预先存储的充电座的引导标识图像的特征点进行匹配，然后进入步骤s1032；特征点的匹配是针对充电座的引导标识图像的特征描述子的进行的，特征描述子通常是一个向量，两个特征描述子之间的距离可以反应出其相似的程度，也就是这两个特征点是不是同一个，从而根据所述实时拍摄的环境图像的特征描述子与所述预先存储的充电座的引导标识图像的特征描述子之间的距离进行特征点的匹配。

步骤s1032、根据步骤s1031匹配的每对特征点的欧氏距离或汉明距离，计算确定所述实时拍摄的环境图像与所述引导标识图像的相似度；需要说明的是，根据描述子的不同，可以选择不同的距离度量。如果是浮点类型的描述子，可以使用其欧式距离；对于二进制的描述子（brief）可以使用其汉明距离（两个不同二进制之间的汉明距离指的是两个二进制串不同位的个数）。有了计算描述子相似度的方法，那么在特征点的集合中寻找和其最相似的特征点就是特征点的匹配。具体方法包括：首先计算某一个特征点描述子与其他所有特征点描述子之间的距离，然后将得到的距离进行排序，取距离最近的一个作为匹配点。这种方法简单粗暴，其结果也是显而易见的，尽管存在有大量的错误匹配，但使用一些机制可以过滤掉错误的匹配。比如，选择已经匹配的点对的汉明距离小于最小距离的两倍作为判断依据，如果小于该值则认为是一个错误的匹配，过滤掉；大于该值则认为是一个正确的匹配。

步骤s1033、与所述引导标识图像的相似度最高的环境图像对应的位置为所述第一预设回充位置；其中，所述第一预设回充位置设置为与所述充电座相距预设距离的位置。本实施例中，通过提取环境图像的特征点来计算欧氏距离或汉明距离，可以减小图像的内存，保存时更加节省空间，而且进行比对的时候比对特征点，可以减小比对的工作量。

可选地，如图3所示，所述步骤s104中，所述根据其当前位置接收到的红外引导信号的强度和所述相似度匹配的环境图像信息规划一条预设路径的方法包括：

步骤s1041、在所述远程红外辐射区内，从所述机器人当前位置至所述第一预设回充位置的路径方向中，选择红外引导信号强度增大的方向作为所述预设路径的路径走向；由于红外引导信号发射球面波，并以360°全向发射红外引导信号，从而确保充电座四周的任何方位都能有红外光信号，使得器人在当前位置的各个方位都接收到充电座向外辐射的红外引导信号，并且在所述充电座移动后能感测到红外光强度变化。

步骤s1042、根据摄像头的内参标记所述机器人当前位置，沿着路径走向对所述机器人当前位置附近没有标记的位置拓展节点，并标记新拓展的节点；所述根据摄像头的内参标记所述机器人当前位置包括：根据所述机器人的视觉传感器内参可计算得到所述机器人与所述引导标识的相对位置关系，从而在全局坐标系下标记所述机器人的当前位置坐标。

步骤s1043、当节点拓展至所述第一预设回充位置时，将所述第一预设回充位置标记为目标节点，然后根据所述相对位置关系设定每两个标记的节点之间的路径权重，再结合所有标记的节点路径联结生成所述预设路径，有利于生成最短路径，得到最短路径后，可控制所述机器人沿着该最短路径移动至所述第一预设回充位置，从而提高机器人回充对接的工作效率。

可选地，所述步骤s105中，当在所述第一预设回充位置处拍摄到所述充电座的引导标识时，根据摄像头实时获取的环境图像，计算出所述第一预设回充位置与充电座的距离；然后调整所述机器人自身的姿态，进而从所述第一预设回充位置向所述充电座直线行走，在所述近程红外辐射区内移动对准所述充电座的电极，以完成自主回充。该技术方案不需要红外信号的引导，仅通过采集的充电座的引导标识图像就可以找到充电座，提高回充速度。本实施例中，识别到所述充电座后，如果所述机器人与所述充电座的距离小于所述预设距离，可认为所述机器人跨过所述第一预设回充位置，如果所述充电座保留在原位置不发生位移，则所述机器人进入所述近程红外辐射区内，否则根据接收的红外引导信号的强度作进一步的判断，这一判定可以是根据摄像头拍照测得的距离值，也可以是距离传感器定向测量与充电座之间的距离判定的，以引导标识为参照确认充电座的具体位置。

可选地，所述步骤s106中，所述将机器人的位姿从第一预设回充位置调整至第二预设回充位置的方法具体为：控制所述机器人朝着红外引导信号渐强的方向原地旋转或发生位移，使其位姿从所述第一预设回充位置开始调整至所述第二预设回充位置，由于所述充电座已经发生移动，不再保留在原位置；当充电座移动到原位置的附件区域，则确定所述第二预设回充位置存在于所述近程红外辐射区，否则将所述第二预设回充位置设置在所述远程红外辐射区。该技术方案通过红外引导的方式部署所述第二预设回充位置为所述机器人提供一个红外视觉结合重复引导的初始回充位置，辅助视觉引导实现所述机器人最终与充电座的对接充电，这使得机器人对接回充的成功率大大提高。

需要注意的是本发明例使用一个正方形标记作为引导标记，而本领域的相关技术人员可以很容易的想到采用多个几何图形(多个正方形，一个或多个三角形，多个圆形，或者是黑白网格)等改进方法。

一种芯片，用于存储程序，所述程序用于控制机器人执行所述机器人回充方法，通过大范围红外引导回充辅助视觉标识引导回充，提高视觉引导回充的工作效率和视觉识别充电座的引导标识的成功率，避免机器人在对接回充过程中进行地毯式对红外信号搜索，进一步避免机器人在低效率的回充中损耗电量。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。