本發(fā)明涉及移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于地面圖像紋理的視覺導(dǎo)航方法。

背景技術(shù)：

視覺導(dǎo)航是目前移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域中的熱點(diǎn)，隨著機(jī)器人的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域愈加廣泛，目前機(jī)器人的導(dǎo)航方式主要有磁條導(dǎo)航，慣性導(dǎo)航，激光導(dǎo)航等。

磁條導(dǎo)航需要在機(jī)器人移動(dòng)路徑上鋪設(shè)磁條，精度較低，且突出地面的磁條易損壞；慣性導(dǎo)航隨著時(shí)間的累積，慣性導(dǎo)航累積誤差增大，需輔助其他設(shè)備予以校正，且高精度的慣性導(dǎo)航器件成本較高；激光導(dǎo)航需要在移動(dòng)路徑兩邊添加反光板，對(duì)反光板的安裝精度要求較高，且對(duì)其他光源敏感，不易于室外作業(yè)，成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于地面圖像紋理的視覺導(dǎo)航方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。所述基于地面圖像紋理的視覺導(dǎo)航方法不需對(duì)地面進(jìn)行額外處理，適用范圍廣且方面，輔以地面的圖片來標(biāo)定，間歇性校正累計(jì)誤差，以達(dá)到高精度定位，且每次經(jīng)過標(biāo)定點(diǎn)時(shí)會(huì)更新用以標(biāo)定的圖片信息，自適應(yīng)地面磨損等情況。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種基于地面圖像紋理的視覺導(dǎo)航方法，包括以下步驟：

步驟1，建坐標(biāo)系：建立絕對(duì)坐標(biāo)系，在坐標(biāo)系內(nèi)設(shè)置多個(gè)標(biāo)定點(diǎn)；

步驟2，機(jī)器人設(shè)置：使得移動(dòng)機(jī)器人在移動(dòng)過程中可自動(dòng)使用圖像采集裝置對(duì)移動(dòng)路徑上的地面紋理進(jìn)行拍照；

步驟3，圖像紋理對(duì)比：若當(dāng)前拍照?qǐng)D像紋理與標(biāo)定點(diǎn)圖像紋理無重疊處時(shí)，則與上一幀拍照?qǐng)D像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，以得到當(dāng)前位置；

若當(dāng)前拍照?qǐng)D像紋理與標(biāo)定點(diǎn)圖像紋理有重疊處時(shí)，則與標(biāo)定點(diǎn)圖像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，以得到當(dāng)前位置。

優(yōu)選的，步驟1中的標(biāo)定點(diǎn)為人為設(shè)定，并指定每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)對(duì)應(yīng)的絕對(duì)坐標(biāo)。

優(yōu)選的，所述標(biāo)定點(diǎn)間隔設(shè)置在移動(dòng)路徑上。

優(yōu)選的，步驟3中的標(biāo)定點(diǎn)圖像為事先拍攝好的標(biāo)定點(diǎn)位置圖像，且標(biāo)定點(diǎn)圖像提前存儲(chǔ)在機(jī)器人中。

優(yōu)選的，所述圖像配準(zhǔn)的算法為：

1)：輸入兩張照片坐標(biāo)i1(x，y)，i2(x，y)，且輸入照片的寬、高均為w：x，y∈[0，w]；

2)：對(duì)i1，i2進(jìn)行快速傅里葉變換，得到譜s1(u，v)，s2(u，v)，可表示為：

3)：對(duì)s1，s2求幅值并做對(duì)數(shù)極坐標(biāo)變換，得到對(duì)數(shù)極坐標(biāo)下的幅值圖p1，p2，可表示為：

4)：對(duì)p1，p2進(jìn)行傅里葉變換，得到sp1，2(uρ，vθ)，可表示為：

5)：計(jì)算其中×表示對(duì)每個(gè)像素執(zhí)行復(fù)數(shù)乘法操作，可表示為：

6)：計(jì)算歸一化的as的傅里葉變換逆ws，可表示為：ws(ρ，θ)＝∫∫as(uρ，vθ)|as(uρ，vθ)|^-1e^j2π(ux+vy)duρdvθ；

7)：計(jì)算ws的極值點(diǎn)坐標(biāo)，并取若干極值點(diǎn)的θ坐標(biāo)值作為備選旋轉(zhuǎn)角度，分別為θ1，θ2，......θn，可表示為：

8)：計(jì)算i1的傅里葉變換共軛，可表示為：

9)：對(duì)所有的備選旋轉(zhuǎn)角度θ1，θ2，......θn：

a)對(duì)i2旋轉(zhuǎn)θi角度，得到i2(x，y)＝i2(xcosθ-ysinθ，xsinθ+ycosθ)；

b)對(duì)i2′計(jì)算傅里葉變換，得到

c)計(jì)算

d)計(jì)算歸一化的ai的傅里葉變換逆wi并計(jì)算wi的最大值的標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)，記為ci，可表示為：wi(x，y)＝∫∫ai(u，v)|ai(u，v)|^-1e^j2π(ux+vy)dudv；

ci＝(maxw-mean(w))/std(w)；

10)：去標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)c最大所對(duì)應(yīng)的θi，可表示為：令θ′＝1°，為二分尋找精確旋轉(zhuǎn)角度的初始范圍值；

11)：重復(fù)以下步驟直到θ收斂，θ為旋轉(zhuǎn)角度：

e)對(duì)于θi，f的三個(gè)數(shù)值θ-θ′，θ，θ+θ′，這3個(gè)角度執(zhí)行步驟9中所述操作，得到三組傅里葉變換逆wi，f(x，y)，標(biāo)準(zhǔn)倍數(shù)c；

f)保留標(biāo)準(zhǔn)倍數(shù)c最大所對(duì)應(yīng)的θi，f和wi，f(x，y)，然后令θ＝θi，f，θ′＝θ′/2；

12)：對(duì)步驟11中f)所得到的wi，f計(jì)算極值點(diǎn)坐標(biāo)，記為x1，y1，可表示為：

13)：對(duì)i1和i2做左右各8個(gè)像素的0值補(bǔ)丁，記為i1b和i2b，可得到：

14)：對(duì)i2b旋轉(zhuǎn)θ角度得到i2b′，可表示為：i2b′(x，y)＝i2b(xcosθ-ysinθ，xsinθ+ycosθ)；

15)：對(duì)i1b′和i2b′進(jìn)行傅里葉變換得到f1b和f2b；

16)：計(jì)算可得到：

17)：計(jì)算歸一化的ab的傅里葉變換逆wb，并計(jì)算出極值點(diǎn)坐標(biāo)，記為x2，y2，可得：

(x2，y2)＝argmaxwb(x，y)；

18)：在{x1，x2，x1-w，x2-w}中取眾數(shù)，即為x方向位移；

19)：在{y1，y2，y1-w，y2-w}中取眾數(shù)，即為y方向位移。

優(yōu)選的，步驟2中圖像采集裝置選用攝像機(jī)，且攝像機(jī)安裝于機(jī)器人底部。

優(yōu)選的，步驟3中若當(dāng)前拍照?qǐng)D像與標(biāo)定點(diǎn)圖像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，則在配準(zhǔn)完成后，將當(dāng)前拍照?qǐng)D像與標(biāo)定點(diǎn)圖像進(jìn)行糅合，產(chǎn)生具有兩張圖像特征的新圖像作為新的標(biāo)定點(diǎn)圖像。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明通過標(biāo)定點(diǎn)的設(shè)置，在兩個(gè)標(biāo)定點(diǎn)之間，使用的是圖像“慣性導(dǎo)航”，即對(duì)當(dāng)前幀相對(duì)于上一幀的變化量進(jìn)行積分，得出當(dāng)前的姿態(tài)坐標(biāo)，當(dāng)?shù)竭_(dá)標(biāo)定點(diǎn)時(shí)，用此處數(shù)據(jù)矯正姿態(tài)坐標(biāo)，從而消除“慣性導(dǎo)航”的累計(jì)誤差。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、增加標(biāo)定點(diǎn)時(shí)就是對(duì)此處地面拍攝一張圖片，并指定此時(shí)對(duì)應(yīng)的絕對(duì)坐標(biāo)，所以對(duì)于相機(jī)分辨率能分清楚紋理的地面，是不需要進(jìn)行任何附加處理的；

2、用標(biāo)定點(diǎn)消除“慣性導(dǎo)航”的累計(jì)誤差，定位誤差是可控的，與標(biāo)定點(diǎn)的間隔距離成正比，間隔一米時(shí)定位誤差為±5mm；

3、“慣性導(dǎo)航”時(shí)，采集當(dāng)前地面圖像信息，是與上一幀圖像比對(duì)的，因此可允許100％的地面突變，即當(dāng)前經(jīng)過此處拍攝到的圖像信息相對(duì)于上次經(jīng)過此處的變化程度，且在經(jīng)過標(biāo)定點(diǎn)時(shí)，會(huì)用當(dāng)前所拍攝到的標(biāo)定點(diǎn)的圖像來更新已保存的標(biāo)定點(diǎn)圖像信息，而且標(biāo)定點(diǎn)處允許50％的地面突變，因此只要標(biāo)定點(diǎn)處地面的突變率不大于50％，都可自適應(yīng)地面的變化，如磨損，灑落雜物等；

4、由于是采集地面圖像，可將攝像機(jī)安裝在車體底部或其他避光處，予其提供光源，使其不受外界光源干擾，故可應(yīng)用于各種場景，包括室外。

本發(fā)明提出了的視覺導(dǎo)航方法，不需對(duì)地面進(jìn)行額外處理，適用范圍廣且方面，輔以地面的圖片來標(biāo)定，間歇性校正累計(jì)誤差，以達(dá)到高精度定位，且每次經(jīng)過標(biāo)定點(diǎn)時(shí)會(huì)更新用以標(biāo)定的圖片信息，自適應(yīng)地面磨損等情況。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法的流程圖；

圖2為實(shí)施例中坐標(biāo)系與標(biāo)定點(diǎn)的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參閱圖1-2，本案提出一實(shí)施例的一種基于地面圖像紋理的視覺導(dǎo)航方法，其包括以下步驟：

步驟1，建坐標(biāo)系：建立絕對(duì)坐標(biāo)系，在坐標(biāo)系內(nèi)設(shè)置多個(gè)標(biāo)定點(diǎn)；

步驟2，機(jī)器人設(shè)置：使得移動(dòng)機(jī)器人在移動(dòng)過程中可自動(dòng)使用圖像采集裝置對(duì)移動(dòng)路徑上的地面紋理進(jìn)行拍照；

步驟3，圖像紋理對(duì)比：若當(dāng)前拍照?qǐng)D像紋理與標(biāo)定點(diǎn)圖像紋理無重疊處時(shí)，則與上一幀拍照?qǐng)D像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，以得到當(dāng)前位置；

若當(dāng)前拍照?qǐng)D像紋理與標(biāo)定點(diǎn)圖像紋理有重疊處時(shí)，則與標(biāo)定點(diǎn)圖像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，以得到當(dāng)前位置。

首先，建立一個(gè)絕對(duì)坐標(biāo)系，在移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)前，在移動(dòng)路徑上間隔的設(shè)置多個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)均人為指定，而且每個(gè)人為設(shè)定的標(biāo)定點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)均為已知。

然后，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行設(shè)置，將攝像機(jī)安裝在機(jī)器人車體底部或其他避光處，用來對(duì)地面進(jìn)行拍照，取得地面圖像紋理，而且事先將每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的地面圖像紋理均進(jìn)行拍攝，并儲(chǔ)存于機(jī)器人的存儲(chǔ)器中，用來進(jìn)行圖像配準(zhǔn)。

最后，使得移動(dòng)機(jī)器人開始運(yùn)動(dòng)，如說明書附圖2的xoy坐標(biāo)系所示，a、b、c、d、e點(diǎn)均為提前人為設(shè)定好的標(biāo)定點(diǎn)，并且每個(gè)點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)均已知，如a(xa，ya，θa)、b(xb，yb，θb)、c(xc，yc，θc)、d(xd，yd，θd)、e(xe，ye，θe)，并且提前拍攝好這五個(gè)點(diǎn)的地面紋理圖像。

當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)至b點(diǎn)附近時(shí)，機(jī)器人的攝像機(jī)當(dāng)前拍攝到的地面圖像紋理就會(huì)與事先拍攝好的b點(diǎn)地面圖像紋理具有重疊的地方，那么此時(shí)，先將當(dāng)前拍攝的地面圖像照片以及b點(diǎn)地面圖像照片的坐標(biāo)進(jìn)行輸入，通過配準(zhǔn)方法，1)：輸入兩張照片坐標(biāo)i1(x，y)，i2(x，y)，且輸入照片的寬、高均為w：x，y∈[0，w]；

2)：對(duì)i1，i2進(jìn)行快速傅里葉變換，得到譜s1(u，v)，s2(u，v)，可表示為：

3)：對(duì)s1，s2求幅值并做對(duì)數(shù)極坐標(biāo)變換，得到對(duì)數(shù)極坐標(biāo)下的幅值圖p1，p2，可表示為：

4)：對(duì)p1，p2進(jìn)行傅里葉變換，得到sp1，2(uρ，vθ)，可表示為：

5)：計(jì)算其中×表示對(duì)每個(gè)像素執(zhí)行復(fù)數(shù)乘法操作，可表示為：

6)：計(jì)算歸一化的as的傅里葉變換逆ws，可表示為：ws(ρ，θ)＝∫∫as(uρ，vθ)|as(uρ，vθ)|^-1e^j2π(ux+vy)duρdvθ；

7)：計(jì)算ws的極值點(diǎn)坐標(biāo)，并取若干極值點(diǎn)的θ坐標(biāo)值作為備選旋轉(zhuǎn)角度，分別為θ1，θ2，......θn，可表示為：

8)：計(jì)算i1的傅里葉變換共軛，可表示為：

9)：對(duì)所有的備選旋轉(zhuǎn)角度θ1，θ2，......θn：

a)對(duì)i2旋轉(zhuǎn)θi角度，得到i2(x，y)＝i2(xcosθ-ysinθ，xsinθ+ycosθ)；

b)對(duì)i2′計(jì)算傅里葉變換，得到

c)計(jì)算

d)計(jì)算歸一化的ai的傅里葉變換逆wi并計(jì)算wi的最大值的標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)，記為ci，可表示為：wi(x，y)＝∫∫ai(u，v)|ai(u，v)|^-1e^j2π(ux+vy)dudv；

ci＝(maxw-mean(w))/std(w)；

12)：去標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)c最大所對(duì)應(yīng)的θi，可表示為：令θ′＝1°，為二分尋找精確旋轉(zhuǎn)角度的初始范圍值；

13)：重復(fù)以下步驟直到θ收斂，θ為旋轉(zhuǎn)角度：

e)對(duì)于θi，f的三個(gè)數(shù)值θ-θ′，θ，θ+θ′，這3個(gè)角度執(zhí)行步驟9中操作，得到三組傅里葉變換逆wi，f(x，y)，標(biāo)準(zhǔn)倍數(shù)c；

f)保留標(biāo)準(zhǔn)倍數(shù)c最大所對(duì)應(yīng)的θi，f和wi，f(x，y)，然后令θ＝θi，f，θ′＝θ′/2；

12)：對(duì)步驟11中f)所得到的wi，f計(jì)算極值點(diǎn)坐標(biāo)，記為x1，y1，可表示為：

13)：對(duì)i1和i2做左右各8個(gè)像素的0值補(bǔ)丁，記為i1b和i2b，可得到：

14)：對(duì)i2b旋轉(zhuǎn)θ角度得到i2b′，可表示為：i2b′(x，y)＝i2b(xcosθ-ysinθ，xsinθ+ycosθ)；

15)：對(duì)i1b′和i2b′進(jìn)行傅里葉變換得到f1b和f2b；

16)：計(jì)算可得到：

17)：計(jì)算歸一化的ab的傅里葉變換逆wb，并計(jì)算出極值點(diǎn)坐標(biāo)，記為x2，y2，可得：

(x2，y2)＝argmaxwb(x，y)；

18)：在{x1，x2，x1-w，x2-w}中取眾數(shù)，即為x方向位移；

19)：在{y1，y2，y1-w，y2-w}中取眾數(shù)，即為y方向位移；

進(jìn)而獲得當(dāng)前拍照的位置(x，y，θ)，從而進(jìn)行下一步的視覺導(dǎo)航，而且當(dāng)此圖像配準(zhǔn)完成后，將b點(diǎn)的地面圖像與當(dāng)前拍照?qǐng)D像進(jìn)行糅合，步驟3中若當(dāng)前拍照?qǐng)D像與標(biāo)定點(diǎn)圖像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，則在配準(zhǔn)完成后，將當(dāng)前拍照?qǐng)D像與標(biāo)定點(diǎn)圖像進(jìn)行糅合，產(chǎn)生具有b點(diǎn)地面圖像紋理特征和當(dāng)前拍照?qǐng)D像紋理特征的新圖像作為新的標(biāo)定點(diǎn)圖像，使此新的標(biāo)定點(diǎn)圖像將原來b點(diǎn)的地面圖像替換掉，及時(shí)更新，有利于自適應(yīng)地面磨損。

當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)至b點(diǎn)與c點(diǎn)之間時(shí)，機(jī)器人的攝像機(jī)當(dāng)前拍攝到的地面圖像紋理與事先拍攝好的任意一個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的地面圖像紋理都不會(huì)具有重疊的地方，那么此時(shí)，將當(dāng)前拍攝的地面圖像照片與上一幀拍攝的地面圖像的坐標(biāo)進(jìn)行輸入，也通過配準(zhǔn)方法，1)：輸入兩張照片坐標(biāo)i1(x，y)，i2(x，y)，且輸入照片的寬、高均為w：x，y∈[0，w]；

2)：對(duì)i1，i2進(jìn)行快速傅里葉變換，得到譜s1(u，v)，s2(u，v)，可表示為：

3)：對(duì)s1，s2求幅值并做對(duì)數(shù)極坐標(biāo)變換，得到對(duì)數(shù)極坐標(biāo)下的幅值圖p1，p2，可表示為：

4)：對(duì)p1，p2進(jìn)行傅里葉變換，得到sp1，2(uρ，vθ)，可表示為：

5)：計(jì)算其中×表示對(duì)每個(gè)像素執(zhí)行復(fù)數(shù)乘法操作，可表示為：

6)：計(jì)算歸一化的as的傅里葉變換逆ws，可表示為：ws(ρ，θ)＝∫∫as(uρ，vθ)|as(uρ，vθ)|^-1e^j2π(ux+vy)duρdvθ；

7)：計(jì)算ws的極值點(diǎn)坐標(biāo)，并取若干極值點(diǎn)的θ坐標(biāo)值作為備選旋轉(zhuǎn)角度，分別為θ1，θ2，......θn，可表示為：

8)：計(jì)算i1的傅里葉變換共軛，可表示為：

9)：對(duì)所有的備選旋轉(zhuǎn)角度θ1，θ2，......θn：

a)對(duì)i2旋轉(zhuǎn)θi角度，得到i2(x，y)＝i2(xcosθ-ysinθ，xsinθ+ycosθ)；

b)對(duì)i2′計(jì)算傅里葉變換，得到

c)計(jì)算

d)計(jì)算歸一化的ai的傅里葉變換逆wi并計(jì)算wi的最大值的標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)，記為ci，可表示為：wi(x，y)＝∫∫ai(u，v)|ai(u，v)|^-1e^j2π(ux+vy)dudv；

ci＝(maxw-mean(w))/std(w)；

14)：去標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)c最大所對(duì)應(yīng)的θi，可表示為：令θ′＝1°，為二分尋找精確旋轉(zhuǎn)角度的初始范圍值；

15)：重復(fù)以下步驟直到θ收斂，θ為旋轉(zhuǎn)角度：

e)對(duì)于θi，f的三個(gè)數(shù)值θ-θ′，θ，θ+θ′，這3個(gè)角度執(zhí)行步驟9中操作，得

到三組傅里葉變換逆wi，f(x，y)，標(biāo)準(zhǔn)倍數(shù)c；

f)保留標(biāo)準(zhǔn)倍數(shù)c最大所對(duì)應(yīng)的θi，f和wi，f(x，y)，然后令θ＝θi，f，θ′＝θ′/2；

12)：對(duì)步驟11中f)所得到的wi，f計(jì)算極值點(diǎn)坐標(biāo)，記為x1，y1，可表示為：

13)：對(duì)i1和i2做左右各8個(gè)像素的0值補(bǔ)丁，記為i1b和i2b，可得到：

14)：對(duì)i2b旋轉(zhuǎn)θ角度得到i2b′，可表示為：i2b′(x，y)＝i2b(xcosθ-ysinθ，xsinθ+ycosθ)；

15)：對(duì)i1b′和i2b′進(jìn)行傅里葉變換得到f1b和f2b；

16)：計(jì)算可得到：

17)：計(jì)算歸一化的ab的傅里葉變換逆wb，并計(jì)算出極值點(diǎn)坐標(biāo)，記為x2，y2，可得：

(x2，y2)＝argmaxwb(x，y)；

18)：在{x1，x2，x1-w，x2-w}中取眾數(shù)，即為x方向位移；

19)：在{y1，y2，y1-w，y2-w}中取眾數(shù)，即為y方向位移；

進(jìn)而獲得當(dāng)前拍照的位置，從而進(jìn)行下一步的視覺導(dǎo)航。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。