一種基于行動(dòng)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動(dòng)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，行動(dòng)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)行動(dòng)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]目前行動(dòng)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)行動(dòng)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)行動(dòng)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)確的基于行動(dòng)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動(dòng)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:一種基于行動(dòng)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)、行動(dòng)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，定位單元與行動(dòng)機(jī)器人相連接，在行動(dòng)機(jī)器人上設(shè)置有特征標(biāo)示。本發(fā)明能準(zhǔn)確定位行動(dòng)機(jī)器人在室內(nèi)的位置，大大提高了行動(dòng)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，判斷行動(dòng)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)行動(dòng)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動(dòng)機(jī)器人。特征標(biāo)示設(shè)置在行動(dòng)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)模塊和邊緣提取模塊，圖像增強(qiáng)模塊分別與攝像頭單元連接，邊緣提取模塊與定位單元連接。通過(guò)圖像增強(qiáng)模塊和邊緣提取模塊的處理，將圖像中行動(dòng)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，并能將定位后的行動(dòng)機(jī)器人顯示在環(huán)境地圖中，使得操作者直觀看到行動(dòng)機(jī)器人當(dāng)前位置。
[0008]作為一種優(yōu)選方案，控制服務(wù)器還包括有導(dǎo)航單元，導(dǎo)航單元與定位單元相連接。導(dǎo)航單元對(duì)行動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)進(jìn)行導(dǎo)航，在導(dǎo)航路線設(shè)定后，通過(guò)定位單元對(duì)行動(dòng)機(jī)器人在地圖上進(jìn)行定位，確定行動(dòng)機(jī)器人在導(dǎo)航過(guò)程中的位置，然后再根據(jù)導(dǎo)航路線控制行動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行移動(dòng)。
[0009]作為一種優(yōu)選方案，行動(dòng)機(jī)器人包括激光傳感單元，激光傳感單元與定位單元相連接。激光傳感單元對(duì)行動(dòng)機(jī)器人前方障礙進(jìn)行掃描，同時(shí)能測(cè)得行動(dòng)機(jī)器人到障礙的距離，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送給定位單元，能在地圖上進(jìn)行顯示。
[0010]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 Communicat1n)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。
[0011]作為一種優(yōu)選方案，所述特征標(biāo)示包括設(shè)置在行動(dòng)機(jī)器人表面正中的識(shí)別條，識(shí)別條為長(zhǎng)發(fā)形，識(shí)別條長(zhǎng)度為標(biāo)示長(zhǎng)度。主體識(shí)別點(diǎn)在圖像上用于識(shí)別行動(dòng)機(jī)器人，在圖像處理單元中提取到識(shí)別條，檢測(cè)到行動(dòng)機(jī)器人進(jìn)入拍攝該圖像的攝像頭單元范圍內(nèi)。并根據(jù)識(shí)別條長(zhǎng)度來(lái)推算出行動(dòng)機(jī)器人到拍攝的攝像頭單元之間的距離。
[0012]一種基于行動(dòng)機(jī)器人的分布式視覺(jué)定位方法，包括以下步驟:
S1.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。
[0013]S2.攝像頭單元開始工作，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)行邊緣提取，根據(jù)邊緣計(jì)算出特征標(biāo)示中標(biāo)示條邊界像素?cái)?shù)據(jù)，根據(jù)這些像素?cái)?shù)據(jù)確定標(biāo)示條像素?cái)?shù)據(jù)；
S3.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，獲得行動(dòng)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)行動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行定位。
[0014]作為一種優(yōu)選方案，步驟S1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。
[0015]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:
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?；趫D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。
[0016]S22.采用改進(jìn)的Canny算子算法提取提取識(shí)別條輪廓；經(jīng)過(guò)處理提取得到的識(shí)別條是許多點(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)識(shí)別條提取輪廓時(shí)，其重要特征點(diǎn)分布在水平方向和豎直方向，只需要求出水平和垂直邊緣的梯度方向即可，其它方向的點(diǎn)都是不必要點(diǎn)，梯度方向也不需要求出，因此采用水平、垂直模板方向進(jìn)行輪廓檢測(cè)。采用的水平、垂直模板。
[0017]S23.獲取識(shí)別條各邊界線的點(diǎn)集合，
從下到上逐列掃描每個(gè)像素，遇到白點(diǎn)輸出坐標(biāo)，然后轉(zhuǎn)向下一列繼續(xù)掃描，并輸出白點(diǎn)坐標(biāo)，直到掃描結(jié)束，輸出下邊界線所有點(diǎn)集；
從右到左逐行掃描每個(gè)像素，遇到白點(diǎn)輸出坐標(biāo)，然后轉(zhuǎn)向下一行繼續(xù)掃描，并輸出白點(diǎn)坐標(biāo)，直到掃描結(jié)束，輸出右邊界線所有點(diǎn)集；
從上到下逐列掃描每個(gè)像素，遇到白點(diǎn)輸出坐標(biāo)，然后轉(zhuǎn)向下一列繼續(xù)掃描，并輸出白點(diǎn)坐標(biāo)，直到掃描結(jié)束，輸出上邊界線所有點(diǎn)集；
從左到右逐行掃描每個(gè)像素，遇到白點(diǎn)輸出坐標(biāo)，然后轉(zhuǎn)向下一行繼續(xù)掃描，并輸出白點(diǎn)坐標(biāo)，直到掃描結(jié)束，輸出左邊界線所有點(diǎn)集；
524.分別對(duì)各邊界線的點(diǎn)集進(jìn)行最小二乘法擬合，擬合得到各邊界線，根據(jù)邊界線交點(diǎn)獲得識(shí)別條四個(gè)角點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)四個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出識(shí)別條中心坐標(biāo)；
525.取上邊界的兩個(gè)角點(diǎn)，若兩角點(diǎn)處于同一直線上，將兩角點(diǎn)點(diǎn)列坐標(biāo)進(jìn)行相減獲得標(biāo)示長(zhǎng)度值，若兩角點(diǎn)不處于同一直線上，將兩角點(diǎn)列坐標(biāo)進(jìn)行相減獲得直邊長(zhǎng)度值，將兩角點(diǎn)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。
[0018]因此，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:準(zhǔn)確定位行動(dòng)機(jī)器人在室內(nèi)的位置，大大提高了行動(dòng)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】
[0019]附圖1是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)框示圖；
附圖2是本發(fā)明的一種方法流程示意圖。
[0020]1-視覺(jué)節(jié)點(diǎn)2-控制服務(wù)器3-行動(dòng)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-邊緣提取模塊11-導(dǎo)航單元12-激光傳感單元。
【具體實(shí)施方式】
[0021]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。
[0022]實(shí)施例:
本實(shí)施例一種基于行動(dòng)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、行動(dòng)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、導(dǎo)航單元11和顯示單元8，其中圖像處理單元又包括圖像增強(qiáng)模塊