用于室内移动机器人定位的规则图形码及定位方法技术

本发明专利技术公开了一种用于室内移动机器人定位的规则图形码及定位方法，用于解决现有室内移动机器人定位方法远距离识别效率低的技术问题。技术方案是所述的规则图形码为二维码式图形码，其图案为规则的正方形模块阵列，由编码区域和功能图形区域两部分组成，其中功能图形区域为规则图形码的外部回字形位置探测图形，用于在摄像机采集图像中定位规则图形码的位置，编码区域为回字形区域内部的二维点阵图形，二维点阵的四个顶点处的标记点用于标识编码区的坐标方向，其余标记点作为编码区的数据信息编码。采用所述的规则图形码作为人工视觉路标，能够实现室内移动机器人的三维位姿测量和定位，并且提高了远距离识别效率和准确性。

Regular graphic code and location method for indoor mobile robot positioning

The invention discloses a rule graphic code and a positioning method for indoor mobile robot localization, which is used to solve the technical problems of the existing indoor mobile robot location method's long distance recognition efficiency. The technical scheme is the rules of graphic code for the two-dimensional code type codes, the design for the square array module by encoding rules, regional and functional pattern area is composed of two parts, the function of graphic region rules for graphic code external back shaped position detection graphics used in camera positioning rules graphic code position that area is back to shape encoding regions within the two-dimensional graphics, four vertices of a two dimensional array of markers for identifying coordinate direction encoding region, other markers as data encoding region. The rule based graphic code is used as an artificial visual landmark, which can realize the 3D pose measurement and location of indoor mobile robot, and improve the efficiency and accuracy of long distance recognition.

【技术实现步骤摘要】
用于室内移动机器人定位的规则图形码及定位方法
本专利技术涉及一种规则图形码，还涉及一种以所述规则图形码作为人工路标时的室内移动机器人定位方法。
技术介绍
视觉人工路标定位法是室内移动机器人定位一种常用而有效的定位方法，相对于自然路标，采用可视化标签制成的人工路标实现机器人定位任务设备成本低，对环境依赖和破坏较小，是一种可行性很高的定位方法。在视觉标签的设计过程中需要考虑到复杂环境下标签的识别定位、数据信息的稳定提取等问题。基于红外光环境的视觉标签是人工路标设计中一种常见方法，视觉标签可以发射红外光或是由红外反光材料制成，并通过红外摄像机采集环境信息，这种方式可有效滤除标签以外的环境信息，简化路标识别定位过程，与这种设计方式相似的还包括采用特定的标签颜色用于滤除环境信息干扰，专利“主动红外点阵式人工路标及智能体定位系统及方法”(申请号：201410092325.7)和“一种用于室内移动机器人定位的红外路标及其使用方法”(申请号：201610638253.0)均采用了主动式红外路标，这种路标虽然可以有效滤除环境信息干扰，但通常需要红外摄像机和具有红外光发射功能的视觉标签，对于被动式红外路标还需要配备红外光源，因此设备成本较高而且路标制作难度较大。采用规则图形码作为人工路标是另一种常见的设计思路，图形码内包含的位置探测图形可用于从包含复杂环境信息的图像中快速定位图形码的位置，数据编码图形用于存储的数据信息。采用这种规则图形码制成的人工路标，不仅易于在复杂环境下进行快速识别，而且成本低，敷设方便，具有较高的可行性。二维码就是规则图形码在人工路标中的一个典型应用，专利“基于二维码的室内移动机器人定位系统和方法”(申请号：201210186563.5)就采用了通用的二维码作为人工路标，这种路标具有易于识别、信息容量大、纠错能力强等优点，但将通用的二维码直接应用于人工路标会存在一些问题，因为通用二维码一般用于摄像机近距离扫描识别的场景，而且这种二维码通常采用复杂的编码方式存储大容量信息，对敷设精度要求较高，专利“一种用于AGV导航的规则图形码码阵及其读码方法”(申请号：201610201583.3)采用二维码码阵的形式消除单个二维码敷设精度差造成的读码失败问题，该方法解码过程相对复杂而且只适用于近距离扫码识别场景，应用局限性较大。对于移动机器人定位问题，通常要求系统能在较远的距离下识别人工路标，而且路标中应该包含该路标在世界坐标系下的位姿参数编码，因此针对移动机器人室内定位问题，需要设计一种适应于该应用场景的二维码结构。
技术实现思路
为了克服现有室内移动机器人定位方法远距离识别效率低的不足，本专利技术提供一种用于室内移动机器人定位的规则图形码及定位方法。所述的规则图形码为二维码式图形码，其图案为规则的正方形模块阵列，由编码区域和功能图形区域两部分组成，其中功能图形区域为规则图形码的外部回字形位置探测图形，用于在摄像机采集图像中定位规则图形码的位置，编码区域为回字形区域内部的二维点阵图形，二维点阵的四个顶点处的标记点用于标识编码区的坐标方向，其余标记点作为编码区的数据信息编码。采用所述的规则图形码作为人工视觉路标，可以实现室内移动机器人的三维位姿测量和定位，有效解决了复杂环境中二维码式人工路标无法远距离快速定位与识别问题，提高了远距离识别效率和准确性。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种规则图形码，其特点是：包括位置探测图形和二维点阵式编码区域两部分，所述位置探测图形为规则图形码的回字形区域，所述回字形区域由两个共心同向的外部正方形1和内部正方形2组成，内外正方形2的对应边与中间的白色空隙组成黑白相间的条纹，条纹的宽度比例为1:n:1，所述条纹构成图像扫描过程中判断图形码位置的依据。所述二维点阵式编码区域为回字形区域内部的编码点阵区域3，编码点阵区域3中的每一个方块表示一个编码标记点，其中点阵的四个顶点由第一方向标记点4、第二方向标记点5、第三方向标记点6和第四方向标记点7组成了编码区的坐标方向标识图形，规定四个方向标记点中仅有第四方向标记点7一个为白色，其余三个方向标记点为黑色，构成旋转不对称图形，由除四个顶点以外的其余所有标记点组成图形码位姿信息编码。图形码坐标系OXlYlZl的原点O位于图形码的形心位置，Z轴垂直图像码平面向外，XY轴分别平行于第一方向标记点4、第二方向标记点5和第一方向标记点4、第三方向标记点6的连线，坐标系OXlYlZl为右手坐标系。一种以上述规则图形码作为人工路标时的室内移动机器人定位方法，其特点是包括以下步骤：步骤一、在机器人工作的室内环境敷设以规则图形码制成的人工路标，路标均匀排布在天花板或者平整地面上，标定每一个规则图形码的坐标系在世界坐标系下的位姿，关联并存储所述人工路标的位姿参数和规则图形码中的编码矩阵，若二维编码区域为m*m的编码阵列，则编码的路标数目为2m×m-4。步骤二、采用架设在移动机器人上的摄像机实时采集环境信息，得到灰度图像。其中所架设摄像机镜头对准粘贴有人工路标的平面，保持镜头光轴与人工路标平面垂直，在机器人移动的过程中采用固定帧率采集图像。步骤三、为消除镜头畸变对后续直线特征提取的影响，对采集的原始图像进行畸变矫正。通过相机参数标定得到镜头的畸变参数(k1,k2,p1,p2,k3)，畸变矫正的模型为其中，x′,y′为原始归一化图像坐标，x″,y″为矫正后的归一化图像坐标。对矫正后的灰度图像做自适应二值化处理，得到用于位置探测图形识别的二值图像。步骤四、位置探测图形中的外部正方形1和内部正方形2的对应边与两正方形之间的间隙构成宽度比为1:2:1的黑白相间的条纹，沿任意方向扫描含有位置探测图形的图像，扫描到该条纹区域时黑白像素数目应满足1:2:1的比例，以该比例关系作为检测位置探测图形黑白条纹的标准，对步骤三得到的二值图像进行逐行逐列扫描，检测符合上述识别标准的黑白条纹，存储所有满足条件的黑白条纹的中点图像坐标作为识别位置探测图形的预备点集，根据点集元素的数量是否超过给定阈值初步判断图像中是否存在位置探测图形，若数量不足则结束本帧图像的后续计算。步骤五、若预备点集元素数量满足阈值条件，则采用Hough变换拟合预备点集中可能存在的直线，根据拟合直线的数量和直线间的位置关系判断是否存在位置探测图形，判断条件为：拟合出的直线数目至少为四条；选取Hough变换结果中获得投票数最多的四条直线并判断其位相对置关系，四条直线须满足相邻直线的夹角阈值和相对直线的距离阈值条件。若满足以上条件则根据以这四条直线定位作为位置探测图形的中心线，根据该中心线定位图形码编码区的位置，若不满足则停止本帧图像的后续处理。步骤六、对步骤五中拟合的四条直线所包围区域做双线性插值，根据插值结果计算编码点阵区域3所有标记点在二值图像中的图像坐标，再根据标记点的图像坐标提取二值图像中标记点携带的二值信息，提取方法为：检测每个标记点坐标中心邻域内所有像素值的均值，如果均值超过给定阈值，则该标记点携带的数据信息表示为0，否则表示为1。步骤七、判断四个方向标记点携带的二值信息是否满足三个值为1，一个值为0，其值为1表示该标记点在二值图像中为黑色块，0表示为白色块。若不满足该条件说明位置探测图形识别结果有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种规则图形码，其特征在于：包括位置探测图形和二维点阵式编码区域两部分，所述位置探测图形为规则图形码的回字形区域，所述回字形区域由两个共心同向的外部正方形(1)和内部正方形(2)组成，内外正方形(2)的对应边与中间的白色空隙组成黑白相间的条纹，条纹的宽度比例为1:n:1，所述条纹构成图像扫描过程中判断图形码位置的依据；所述二维点阵式编码区域为回字形区域内部的编码点阵区域(3)，编码点阵区域(3)中的每一个方块表示一个编码标记点，其中点阵的四个顶点由第一方向标记点(4)、第二方向标记点(5)、第三方向标记点(6)和第四方向标记点(7)组成了编码区的坐标方向标识图形，规定四个方向标记点中仅有第四方向标记点(7)一个为白色，其余三个方向标记点为黑色，构成旋转不对称图形，由除四个顶点以外的其余所有标记点组成图形码位姿信息编码；图形码坐标系OXlYlZl的原点O位于图形码的形心位置，Z轴垂直图像码平面向外，XY轴分别平行于第一方向标记点(4)、第二方向标记点(5)和第一方向标记点(4)、第三方向标记点(6)的连线，坐标系OXlYlZl为右手坐标系。

【技术特征摘要】
1.一种规则图形码，其特征在于：包括位置探测图形和二维点阵式编码区域两部分，所述位置探测图形为规则图形码的回字形区域，所述回字形区域由两个共心同向的外部正方形(1)和内部正方形(2)组成，内外正方形(2)的对应边与中间的白色空隙组成黑白相间的条纹，条纹的宽度比例为1:n:1，所述条纹构成图像扫描过程中判断图形码位置的依据；所述二维点阵式编码区域为回字形区域内部的编码点阵区域(3)，编码点阵区域(3)中的每一个方块表示一个编码标记点，其中点阵的四个顶点由第一方向标记点(4)、第二方向标记点(5)、第三方向标记点(6)和第四方向标记点(7)组成了编码区的坐标方向标识图形，规定四个方向标记点中仅有第四方向标记点(7)一个为白色，其余三个方向标记点为黑色，构成旋转不对称图形，由除四个顶点以外的其余所有标记点组成图形码位姿信息编码；图形码坐标系OXlYlZl的原点O位于图形码的形心位置，Z轴垂直图像码平面向外，XY轴分别平行于第一方向标记点(4)、第二方向标记点(5)和第一方向标记点(4)、第三方向标记点(6)的连线，坐标系OXlYlZl为右手坐标系。2.一种以权利要求1所述规则图形码作为人工路标时的室内移动机器人定位方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、在机器人工作的室内环境敷设以规则图形码制成的人工路标，路标均匀排布在天花板或者平整地面上，标定每一个规则图形码的坐标系在世界坐标系下的位姿，关联并存储所述人工路标的位姿参数和规则图形码中的编码矩阵，若二维编码区域为m*m的编码阵列，则编码的路标数目为2m×m-4；步骤二、采用架设在移动机器人上的摄像机实时采集环境信息，得到灰度图像；其中所架设摄像机镜头对准粘贴有人工路标的平面，保持镜头光轴与人工路标平面垂直，在机器人移动的过程中采用固定帧率采集图像；步骤三、为消除镜头畸变对后续直线特征提取的影响，对采集的原始图像进行畸变矫正；通过相机参数标定得到镜头的畸变参数(k1,k2,p1,p2,k3)，畸变矫正的模型为其中，x′,y′为原始归一化图像坐标，x″,y″为矫正后的归一化图像坐标；对矫正后的灰度图像做自适应二值化处理，得到用于位置探测图形识别的二值图像；步骤四、位置探测图形中的外部正方形(1)和内部正方形(2)的对应边与两正方形之间的间隙构成宽度比为1:2:1的黑白相间的条纹，沿任意方向扫描含有位置探测图形的图像，扫描到该条纹区域时黑白像素数目应满足1:2:1的比例，以该比例关系作...

【专利技术属性】
技术研发人员：于薇薇，冯阳阳，梁为育，刘昀，彭江涛，杨东，孟华林，秦现生，谭小群，李希，唐婧仪，
申请(专利权)人：西北工业大学，成都飞机工业集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61