一種基于行走機(jī)器人的分布式視覺(jué)定位系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于行走機(jī)器人的分布式 視覺(jué)定位系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，隨著科技的發(fā)展，行走機(jī)器人在服務(wù)、探測(cè)、物流等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛 的應(yīng)用。而要對(duì)行走機(jī)器人快速定位和導(dǎo)航成為實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵。
[0003]目前行走機(jī)器人很多只靠自身的安裝的傳感器或攝像頭對(duì)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)和建立， 而沒(méi)有涉及到機(jī)器人與外部視覺(jué)設(shè)備協(xié)同定位的技術(shù)，這大大限制了機(jī)器人的工作職能， 降低了工作效率。特別在室內(nèi)如辦公室環(huán)境中存在多種大物體，當(dāng)行走機(jī)器人在移動(dòng)時(shí)，需 要獲得精確定位和室內(nèi)環(huán)境信息，分布式視覺(jué)定位系統(tǒng)就能解決這方面的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)行走機(jī)器人定位不準(zhǔn)確，工作效率低的問(wèn)題，提供了 一種協(xié)同定位、定位準(zhǔn)確的基于行走機(jī)器人的分布式視覺(jué)定位系統(tǒng)。本發(fā)明還提供了一種 基于行走機(jī)器人的分布式視覺(jué)定位方法。
[0005] 本發(fā)明的上述技術(shù)問(wèn)題主要是通過(guò)下述技術(shù)方案得以解決的：一種基于行走機(jī)器 人的分布式視覺(jué)定位系統(tǒng)，包括設(shè)置在室內(nèi)環(huán)境中的視覺(jué)節(jié)點(diǎn)、行走機(jī)器人和控制服務(wù)器， 所述視覺(jué)節(jié)點(diǎn)包括多個(gè)攝像頭單元，所述控制服務(wù)器包括圖像處理單元、定位單元和地圖 單元，攝像頭單元分別與圖像處理單元連接，圖像處理單元和地圖單元分別與定位單元相 連，定位單元與行走機(jī)器人相連接，在行走機(jī)器人上設(shè)置有特征標(biāo)示。本發(fā)明能準(zhǔn)確定位行 走機(jī)器人在室內(nèi)的位置，大大提高了行走機(jī)器人的工作職能，提高了工作效率。多個(gè)攝像頭 單元分布在室內(nèi)環(huán)境中，形成多視覺(jué)節(jié)點(diǎn)協(xié)同定位。攝像頭單元將拍攝到的圖像傳送給圖 像處理單元處理，圖像處理單元對(duì)圖像進(jìn)行特征點(diǎn)提取，判斷行走機(jī)器人是否進(jìn)入圖像。定 位單元根據(jù)處理后的圖像對(duì)行走機(jī)器人進(jìn)行位置定位，同時(shí)根據(jù)地圖單元儲(chǔ)存的環(huán)境地圖 在地圖上定位并顯示行走機(jī)器人。特征標(biāo)示設(shè)置在行走機(jī)器人表面上，用于識(shí)別機(jī)器人以 及定位用。各單元之間通過(guò)IPC進(jìn)行通信。
[0006] 作為一種優(yōu)選方案，所述圖像處理單元包括依次連接的圖像增強(qiáng)模塊和輪廓提取 模塊，圖像增強(qiáng)模塊分別與攝像頭單元連接，輪廓提取模塊與定位單元連接。通過(guò)圖像增強(qiáng) 模塊和輪廓提取模塊的處理，將圖像中行走機(jī)器人上的特征標(biāo)示提取出來(lái)，作為后續(xù)定位 計(jì)算。圖像增強(qiáng)模塊對(duì)圖像進(jìn)行灰度化、二值化處理。輪廓提取模塊采用改進(jìn)的Canny算 子算法提取主體識(shí)別點(diǎn)和距離識(shí)別點(diǎn)的邊緣。
[0007] 作為一種優(yōu)選方案，所述處理單元上設(shè)置有顯示單元。顯示單元能顯示當(dāng)前環(huán)境 地圖，并能將定位后的行走機(jī)器人顯示在環(huán)境地圖中，使得操作者直觀看到行走機(jī)器人當(dāng) 前位置。
[0008] 作為一種優(yōu)選方案，所述攝像頭單元之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互相連接。攝像頭之間通過(guò) IPC(Inter-Process Communication)進(jìn)行通信。攝像頭單元之間能進(jìn)行同步操作，將同一 時(shí)刻的圖像發(fā)送給控制服務(wù)器進(jìn)行處理。
[0009] 作為一種優(yōu)選方案，所述特征標(biāo)示包括設(shè)置在行走機(jī)器人表面正中的主體識(shí)別 點(diǎn)，對(duì)稱設(shè)置在識(shí)別點(diǎn)兩側(cè)的兩個(gè)距離識(shí)別點(diǎn)，主體識(shí)別點(diǎn)和兩個(gè)距離識(shí)別點(diǎn)為圓形且處 于同一直線上，兩個(gè)距離識(shí)別點(diǎn)之間形成標(biāo)示長(zhǎng)度。主體識(shí)別點(diǎn)在圖像上用于識(shí)別行走機(jī) 器人，在圖像處理單元中提取到主體識(shí)別點(diǎn)，檢測(cè)到行走機(jī)器人進(jìn)入拍攝該圖像的攝像頭 單元范圍內(nèi)。而距離識(shí)別點(diǎn)根據(jù)它們之間的距離用來(lái)推算出行走機(jī)器人到拍攝的攝像頭單 元之間的距離。
[0010] 一種基于行走機(jī)器人的分布式視覺(jué)定位方法，包括以下步驟：
[0011] Si.分別對(duì)各攝像機(jī)單元設(shè)定不同距離進(jìn)行標(biāo)定，獲取圖像坐標(biāo)系內(nèi)標(biāo)示長(zhǎng)度和 全局坐標(biāo)系內(nèi)標(biāo)示長(zhǎng)度之比與距離的關(guān)系表；即在各不同距離進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，記錄標(biāo)示長(zhǎng)度 在圖像坐標(biāo)系內(nèi)長(zhǎng)度與標(biāo)示長(zhǎng)度在全局坐標(biāo)系內(nèi)長(zhǎng)度的比值，這樣就可以根據(jù)圖像中檢查 到的標(biāo)示長(zhǎng)度推導(dǎo)出距離。每隔一個(gè)距離進(jìn)行一次標(biāo)定，標(biāo)定采用Halcan標(biāo)定算法進(jìn)行操 作，獲取攝像機(jī)單元內(nèi)外參數(shù)，得到圖像坐標(biāo)到全局坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。
[0012] S2.攝像頭單元開(kāi)始工作，每隔一時(shí)段將同時(shí)采集的圖像發(fā)送給圖像處理單元分 別進(jìn)行處理，圖像處理單元對(duì)圖像中特征標(biāo)示進(jìn)行輪廓提取，根據(jù)輪廓計(jì)算出特征標(biāo)示中 主體識(shí)別點(diǎn)和距離識(shí)別點(diǎn)圓心像素?cái)?shù)據(jù)，根據(jù)這些像素?cái)?shù)據(jù)確定標(biāo)示長(zhǎng)度像素?cái)?shù)據(jù)；
[0013] S3.以圖像中心為中心將圖像劃分若干區(qū)域，確定行走機(jī)器人在圖像中的區(qū)域位 置，根據(jù)區(qū)域優(yōu)先級(jí)，選取行走機(jī)器人位于優(yōu)先級(jí)更高區(qū)域的圖像進(jìn)行后續(xù)處理；對(duì)多張圖 像進(jìn)行處理，最后選取其中行走機(jī)器人位于區(qū)域優(yōu)先級(jí)最高的圖像進(jìn)行處理。
[0014] S4.計(jì)算圖像坐標(biāo)系內(nèi)標(biāo)示長(zhǎng)度和全局坐標(biāo)系內(nèi)標(biāo)示長(zhǎng)度之比，選取標(biāo)定中與其 最接近的比值，獲得行走機(jī)器人到攝像單元的距離值，根據(jù)距離值在環(huán)境地圖上對(duì)行走機(jī) 器人進(jìn)行定位。
[0015] 作為一種優(yōu)選方案，步驟Sl中對(duì)攝像機(jī)標(biāo)定過(guò)程為：采用標(biāo)定板進(jìn)行標(biāo)定，將標(biāo) 定板在攝像機(jī)單元工作距離設(shè)定范圍內(nèi)，每隔固定間距進(jìn)行一次標(biāo)定，獲得每個(gè)距離的攝 像機(jī)內(nèi)外參數(shù)。一般設(shè)定在800~1500cm距離內(nèi)，每隔50cm進(jìn)行一次標(biāo)定。本方案采用 Halcan標(biāo)定算法進(jìn)行操作。
[0016] 作為一種優(yōu)選方案，步驟S2中標(biāo)示長(zhǎng)度像素?cái)?shù)據(jù)獲取具體包括以下步驟：
[0017] S21.對(duì)圖像進(jìn)行灰度化、二值化處理；該處理方法為已公開(kāi)的技術(shù)，具體內(nèi)容可 以參見(jiàn)文獻(xiàn)：劉廣起，鄭曉勢(shì)，張曉波。基于圖像紋理特征提取的車牌定位算法[J]。中國(guó) 圖象圖形學(xué)報(bào)，2005,10 (11) : 1419-1422。
[0018] S22.采用改進(jìn)的Canny算子算法提取主體識(shí)別點(diǎn)和距離識(shí)別點(diǎn)的輪廓；經(jīng)過(guò)處理 提取得到的主體識(shí)別點(diǎn)和距離識(shí)別點(diǎn)是許多點(diǎn)構(gòu)成的這樣一個(gè)圖像。該改進(jìn)的Canny算子 算法為已知公開(kāi)的技術(shù)，具體內(nèi)容可以參見(jiàn)文獻(xiàn)：李慶利，張少軍，李忠富等。一種基于多項(xiàng) 式插值改進(jìn)的亞像素細(xì)分算法[J]。北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003, 25 (3) : 280-283。對(duì)主體識(shí)別 點(diǎn)和距離識(shí)別點(diǎn)提取邊緣時(shí)，由于主體識(shí)別點(diǎn)和距離識(shí)別點(diǎn)是圓形，重要特征點(diǎn)分布在各 個(gè)方向，只有對(duì)梯度方向進(jìn)行細(xì)分后，求出（45°，135°，180°，235°，270°，315° )等8 個(gè)梯度方向，才能提取連通性較好的單像素邊緣，因此采用8個(gè)模板方向進(jìn)行邊緣檢測(cè)。采 用的8個(gè)方向的模板。
[0019] S23.對(duì)提取的輪廓圖像進(jìn)行Hough變換，
[0020] 提取圖像中像素值為1的所有像素點(diǎn)，并統(tǒng)計(jì)出總的像素個(gè)數(shù)；根據(jù)圖像中主體 識(shí)別點(diǎn)位置設(shè)定半徑的范圍（r_，r_)、圓半徑r步長(zhǎng)、角度步長(zhǎng)和閾值；
[0021] 根據(jù)公式
計(jì)算圓心橫坐標(biāo)a，式中b為縱坐標(biāo)，取遍整 個(gè)y值，從而確定有效的a、b值；
[0022] 根據(jù)有效的a、b值，確定Hough數(shù)字的索引值；
[0023] 根據(jù)求出的索引值，通過(guò)計(jì)算累計(jì)、構(gòu)建出層數(shù)為r = rmax_rmin的Hough數(shù)組；
[0024] 求得半徑層的所有a、b值，其平均值即為主體識(shí)別點(diǎn)圓心坐標(biāo)（a。，b。）；
[0025] 如此計(jì)算獲得兩距離識(shí)別點(diǎn)的圓心坐標(biāo)；
[0026] S24.若兩距離識(shí)別點(diǎn)處于同一直線上，將兩距離識(shí)別點(diǎn)圓心列坐標(biāo)進(jìn)行相減獲得 標(biāo)示長(zhǎng)度值，若兩距離識(shí)別點(diǎn)不處于同一直線上，將兩距離識(shí)別點(diǎn)圓心列坐標(biāo)進(jìn)行相減獲 得直邊長(zhǎng)度值，將兩距離識(shí)別點(diǎn)圓心橫坐標(biāo)進(jìn)行相減獲得橫邊長(zhǎng)度值，然后計(jì)算出標(biāo)示長(zhǎng) 度值。
[0027] 作為一種優(yōu)選方案，步驟S3中選取要進(jìn)行后續(xù)處理的圖像的具體步驟包括：
[0028] S31.以圖像中心為中心向外將圖像依次劃分為最佳區(qū)域、可信區(qū)域和偏離區(qū)域， 且設(shè)定各區(qū)域的優(yōu)先級(jí)依次降低；
[0029] S32.根據(jù)主體識(shí)別點(diǎn)的圓心坐標(biāo)，檢測(cè)主體識(shí)別點(diǎn)位于哪個(gè)區(qū)域，即獲得活動(dòng)行 走機(jī)器人位于哪個(gè)區(qū)域；
[0030] S33.比較多張圖像，選取行走機(jī)器人位于區(qū)域優(yōu)先級(jí)最高的圖像進(jìn)行后續(xù)處理。 若所在區(qū)域相同，則選取圓心坐標(biāo)更靠近中心的圖像。
[0031] 因此，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：準(zhǔn)確定位行走機(jī)器人在室內(nèi)的位置，大大提高了行走機(jī)器 人的工作職能，提高了工作效率。多個(gè)攝像頭單元分布在室內(nèi)環(huán)境中，形成多視覺(jué)節(jié)點(diǎn)協(xié)同 定位。
【附圖說(shuō)明】
[0032] 附圖1是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)框示圖；
[0033] 附圖2是本發(fā)明的一種方法流程示意圖。
[0034] 1-視覺(jué)節(jié)點(diǎn)2-控制服務(wù)器3-行走機(jī)器人4-攝像頭單元5-圖像處理單元 6-定位單元7-地圖單元8-顯示單元9-圖像增強(qiáng)模塊10-輪廓提取模塊
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面通過(guò)實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說(shuō)明。
[0036] 實(shí)施例：
[0037] 本實(shí)施例一種基于行走機(jī)器人的分布式視覺(jué)定位系統(tǒng)，如圖1所示，包括設(shè)置在 室內(nèi)環(huán)境中的視覺(jué)節(jié)點(diǎn)1、行走機(jī)器人3和控制服務(wù)器2。視覺(jué)節(jié)點(diǎn)包括多個(gè)攝像頭單元4， 攝像頭單元之間通過(guò)IPC相連接?？刂品?wù)器包括圖像處理單元5、定位單元6、地圖單元7 和顯示單元8,其中圖像處理單元又包括圖像增強(qiáng)模塊9和輪廓提取模塊10。攝像頭單元 分別與圖像處理單元的圖像增強(qiáng)模塊連接，圖像增強(qiáng)模塊與輪廓提取模塊相連，輪廓提取 模塊與定位單元相連。地圖單元和顯示單元分別與定位單元相連，定位單元與行走機(jī)器人 相連接，在行走機(jī)器人上設(shè)置有特征標(biāo)示。特征標(biāo)示包括