一种立体条码、识别方法及室内辅助地图构建方法与流程

本发明涉及一种条形码技术，具体为是一种立体条码、识别方法及室内辅助地图构建方法。

背景技术：

条形码(barcode)是将宽度不等的多个黑条和空白，按照一定的编码规则排列，用以表达一组信息的图形标识符。常见的条形码是由反射率相差很大的黑条(简称条)和白条(简称空)排成的平行线图案。条形码可以标出物品的生产国、制造厂家、商品名称、生产日期、图书分类号、邮件起止地点、类别、日期等许多信息，因而在商品流通、图书管理、邮政管理、银行系统等许多领域都得到广泛的应用。但是现今条码都采用黑白两色来储存信息，这恰恰也使其只能应用于特定的场合。

室内导航技术是近些年来新兴起的一个热门技术，它在工业生产和日常生活中都有非常重要的用途。随着近年来机器人技术的发展以及制造成本的降低，小型化的家用机器人开始走进千家万户。据国际机器人联合会统计，全球服务机器人2013年总销售量为4021万台，总销售额为527亿美元，其中个人/家居服务机器人销量约为400万台。家用型服务机器人的核心问题之一是室内地图构建问题，这是一项极其复杂并且极具难度的工作，若能将条码技术应用的导航及地图构建中，为机器人提供额外的信息便可以降低这项工作的难度。但因为室内环境复杂以及机器人往往不具有专用的条码识别设备，光学条码在这种场合下很难得到有效的应用。

随着工艺的进步，成本的降低，低成本激光雷达传感器开始被应用于室内导航及地图构建，其兼具稳定性及精度。现已成为室内自主机器人的主要传感器之一。而激光雷达采集到的数据只包含深度信息，不包含色彩信息，并不能用来识别传统的黑白条码，

技术实现要素：

针对现有技术中条形码只包含色彩信息、不能被激光雷达采集到数据等不足，本发明要解决的问题是提供一种可被激光雷达识别的立体条码、识别方法及室内辅助地图构建方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种立体条码，具有由多个单位宽度的“凹”部分和“凸”部分按所要包含的信息排列组成的平行条状结构，在“凹”部分内部覆盖吸光材料。

2.按权利要求1所述的立体条码，其特征在于：“凹”部分的深度为：

“凹”部分或“凸”部分的宽度为：

δw≈l×δθ

其中δw为横向分辨能力，l为与目标的相对距离，δθ为激光雷达的角度分辨率,γ为墙体法向与雷达正向夹角，d为深度。

“凹”部分和“凸”部分相邻处为具有棱角的直角面连接或斜面连接。

依次包括起始标识、条码长度、条码数据、校验数据以及结束标识，其中条码长度为起始标识与结束标识之间的距离，条码数据为目标对象的编号，校验数据为异或校验，起始标识与结束标识均为“凹”部分和“凸”部分生成的二值数据。

本发明一种立体条码识别方法，包括以下步骤：

立体条码的“凹”部分和“凸”部分分别代表二进制中的二值数据；

激光雷达向目标条码发射探测信号；

将接收到的从目标条码反射回来的信号即目标回波与发射信号进行比较，通过测量信号的传播时间来确定扫描仪与对象的相对距离，从而得到二值数据；

对二值数据进行解析，获得立体条码信息。

当激光雷达向目标条码发射探测信号为连续模式时，接收装置通过比较接收波形与发射波形确定相位差从而获得传播时间：

其中，t为周期，φ为相位差，n为传播过程中的整波数；

传播时间与距离的关系为：

其中，tl为信号传播时间，s为激光雷达与目标相对距离，c为光速。

本发明一种室内辅助地图构建方法，包括以下步骤：

1)在室内选择地点放置携带地点信息的立体条码；

2)机器人通过激光雷达进行扫码；

3)利用激光雷达所测数据换算成与目标的相对距离，识别环境信息；

4)利用上述环境信息构建室内辅助地图。

本发明还包括以下步骤：

当机器人的激光雷达与墙面成夹角时，条码形状检测出现畸变，采用如下方法进行矫正：

以雷达为原点建立平面直角坐标系；

根据激光雷达所返回数据(ρ,θ)，计算直角坐标下数据(x,y)

x＝ρ×cos(θ)

y＝ρ×sin(θ)

利用最小二乘法取得雷达坐标系下的墙面直线方程

计算直线与雷达自然坐标系的横轴夹角α：

α＝arctan(a)

建立新坐标系，其原点与原坐标系重合，横轴与墙面平行，所得的数据及墙面方程转换到新坐标系下

其中，x,y为旋转前坐标数据，x′y′为旋转后坐标数据；

将墙面直线与数据做差，选取合适阈值进行二值化，得到凹槽的二进制数据。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明提出一种立体条码、识别方法及室内辅助地图构建方法，将立体条码应用于室内环境，构建室内辅助地图，利用识别方法识别立体条码的深度信息，满足了激光雷达采集数据只包含深度信息、不包含色彩信息这一特点，为激光雷达的应用提供新的思路，益于室内导航技术发展。

2.应用本发明中方法，可在一定范围内矫正因雷达组条码位置变化产生的数据畸变。

附图说明

图1为本发明中以雷达的几何中心为原点建立的机构人坐标图示；

图2a为本发明中拟合并旋转后结果图示；

图2b为本发明中消去偏置后凹槽的相对深度图示；

图2c为本发明中二值化后得到的2进制数据图示；

图3为本发明中建立的新坐标系o’图示。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。

本发明一种立体条码，具有由多个单位宽度的“凹”部分和“凸”部分按所要包含的信息排列组成的平行条状结构，在“凹”部分内部覆盖吸光材料。

“凹”部分或“凸”部分的宽度为：

δw≈l×δθ

“凹”部分的深度为:

其中δw为横向分辨能力，l为与目标的相对距离，δθ为激光雷达的角度分辨率,γ为墙体法向与雷达正向夹角,d为深度。

如果立体条码的整体宽度在l到l*n之间，l为单个“凹”部分(设其二值数为0)占的宽度，则n是连续出现0的个数，l大于2中横向分辨能力δw。具体数量由需要携带的信息量决定。

激光雷达urg-04lx为例，该激光雷达的角度分辨率为0.36°,假设标记条码位于2m远处，则激光雷达所能分辨的最小距离约为12mm，故凹凸条纹的宽度应该大于12mm。

“凹”部分和“凸”部分相邻处为具有棱角的直角面连接或斜面连接。

立体条码依次包括起始标识、条码长度、条码数据、校验数据以及结束标识，其中条码长度为起始标识与结束标识之间的距离，条码数据为目标对象的编号，校验数据为异或校验，起始标识与结束标识均为“凹”部分和“凸”部分生成的二值数据。

本发明立体条码识别方法包括以下步骤：

立体条码的“凹”部分和“凸”部分分别代表二进制中的二值数据；

激光雷达向目标条码发射探测信号；

将接收到的从目标条码反射回来的信号即目标回波与发射信号进行比较，通过测量信号的传播时间来确定扫描仪与对象的相对距离，从而得到二值数据；

对二值数据进行解析，获得立体条码信息。

本实施例中，将立体条码应用于激光雷达，用物体的凹凸(深度信息)而非黑白色彩来存储信息。

本发明例如“凹”和“凸”分别代表“0”和“1”，这是激光雷达能够识别的深度信息。

为了降低对激光雷达精度的要求，提高条码的识别率将“凹”的部分识别出来，条码“凹”的部分内部覆盖吸光材料，使得激光雷达扫描到凹的部分时会返回较为明显的数据。

吸光性材料是指光线照射在事物之上，于照明之外并无透射，也不产生映射和大块的耀斑和反光。

如果在条码的“凹”部分覆盖针对所用激光雷达波长的吸光材料，此部分对激光雷达的雷达信号的反射就会削弱很多，“凹”的部分就会被判断为距离极远。当扫描到该部分区域时，计算出的相对距离数据会出现剧烈跳变，基于这个原理，只要给条码加上特殊的起始标识与结束标识，便可以很容易的将该区域与其它环境信息区分开来。

激光雷达是以发射微光束探测目标信息的雷达系统，向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，通过测量信号的传播时间来确定扫描仪与对象的相对距离。时间测量方式有两种，分别是连续模式和脉冲模式。

在脉冲模式下，激光雷达直接测得信号传播时间。

在连续波模式下，发射装置产生的激光信号经过调制形成有一定波形的连续信号，接收装置通过比较接收波形与发射波形确定相位差从而获得传播时间:

其中，t为周期，φ为相位差，n-为传播过程中的整波数；

传播时间与距离的关系为：

其中，tl为信号传播时间，s为激光雷达与目标相对距离，c为光速。

本实施例以“0101”作为起始，以“1010”作为结束(0代表“凹”，1代表“凸”)，条码的正方向规定为从左到右。雷达从左向右扫描，一旦发现0，继续向右扫描，若识别到“101”则认为接下来是条码数据，直到扫描到“1010”这个标志性数据，认为条码数据结束。由于使用吸光材料覆盖“凹”的部分，在扫描到0时数据会发生极为剧烈的跳变，又因为起始标识被设计为“0101”，两个0之间的距离便可以被检测出来，从而实现对不同宽度条码的适应。在条码数据开始之前加入条码长度的信息，就可以在读取条码信息之前用起始标识与结束标识之间的距离以及条码位数可以计算更为精确的条码信息中每个比特的位置，在读取信息时只读取每个比特所占位置正中央的信息，从而提高鲁棒性，降低误码率。

而在实际中无论使用哪种方法读取条码信息都难免会出现误码，故在编码时应选取拥有校验或者纠错能力的编码方式，在不同的应用环境中可以使用不同编码方式，本设计以简单的异或校验为例，故整个条码以如下方式构成：

起始标识+条码长度+条码数据+校验+结束标识

条码数据为目标对象的编号，假设楼梯的编号为十进制42,取条码长度为8位，异或校验中不包含起始以及结束标识，则编码后：

起始标识：0x5

条码长度部分：0x08

条码数据部分：0x2a

校验部分：0x22

结束标识：0xa

故最终的编码为：0x5082a22a将此编码按照0即“凹”，1即“凸”的方法制成标记条码用以辅助地图构建。

本发明室内辅助地图构建方法包括以下步骤：

1)在室内选择地点放置携带地点信息的立体条码；

2)机器人通过激光雷达进行扫码，

3)利用激光雷达所测数据换算成与目标的相对距离，识别环境信息；

4)利用上述环境信息构建室内辅助地图。

故室内地图构建是利用激光雷达所测数据换算成与目标的相对距离进行的，并且一旦雷达没有接收到返回信号，就会被判断为与目标相对距离无限远(实际中会体现为一个极大的数据)。

在实际情况下机器人不可能随时保证正对目标，当机器人的正向与墙面法向成一定夹角时，以雷达为原点建立坐标如图1所示，会出现如图中p2点所示条码形状检测出现畸变的情况。

采用如下方法进行矫正：

1)根据激光雷达所返回数据(ρ,θ)，计算直角坐标下数据(x,y)

x＝ρ×cos(θ)

y＝ρ×sin(θ)

其中，ρ为激光雷达返回的距离，θ为θ为激光雷达返回的角度，图1中γ墙体法向与雷达正向夹角。

2)利用最小二乘法取得雷达坐标系下的墙面直线方程

3)计算直线与雷达自然坐标系的横轴夹角α

α＝arctan(a)

4)建立新坐标系o’，其原点与原坐标系重合，横轴与墙面平行，如图3所示，将雷达所得的数据及墙面方程转换到新坐标系下

其中，x,y为旋转前坐标数据，x′y′为旋转后坐标数据；α为直线与雷达自然坐标系的横轴夹角，小于180度；

5)将墙面直线与数据做差，选取合适阈值进行二值化，得到凹槽的二进制数据。matlab仿真三个凹槽，如图2a所示，为拟合并旋转后结果，图2b为消去偏置后凹槽的相对深度，图2c为二值化后得到的2进制数据，可见该方法能够在一定程度上解决侧对标识时的数据畸变问题。

本发明在室内特殊地点附近(如楼梯口或转角)放置一种携带地点信息的特殊条码来辅助激光雷达进行室内地图构建，条码采用立体形式便于激光雷达识别，在标记物表面制作凹凸交替的凸起，以“凸”代表1，以“凹”代表0，凹凸的宽度及深度根据所采用激光雷达的精度而定；在“凹”的部分内覆盖针对所用激光雷达波长的吸光材料；按照编码方式生成目标信息的二进制编码，同时计算校验位，并加上起始标识和结束标识。将具有上述结构特征的立体条码应用于室内，通过机器人进行激光雷达扫描，扫描到条码后，对侧面观察时条码地标数据畸变进行修正，首先采用最小二乘法找出墙面的方程，将墙面方程转换到世界坐标系下，剃掉偏离直线距离远的点，根据偏离点的分布，计算凹槽分布，矫正数据，如果凹槽分布能通过校验，就可以识别条码数据。

本发明简单易行，施工成本低，方便改造和维护。