一种攀爬机器人空间定位方法及空间定位系统技术方案

本发明专利技术涉及机器人的视觉定位的技术领域，更具体地，涉及一种攀爬机器人空间定位方法及空间定位系统，包括离线运行和在线运行两种模块。离线运行包括对建筑信息模型进行信息提取与运算、求解标记坐标系与世界坐标系的变换矩阵并生成人工标记信息数据库、相机标定以及手眼标定等；在线运行包括实时视频监控与图像抓取、标记检测与位姿估计、二维码标记信息数据库检索与攀爬机器人绝对位姿求解等。离线运行与在线运行结合，减少了传感器的使用，简化了算法计算过程，且每一个二维码标记都有一个独有的ID信息，单个二维码标记即可提供足够多的对应点，从而实现了攀爬机器人攀爬过程中的远程空间定位且提高了定位精度。

【技术实现步骤摘要】
一种攀爬机器人空间定位方法及空间定位系统
本专利技术涉及机器人的视觉定位的
，更具体地，涉及一种攀爬机器人空间定位方法及空间定位系统。
技术介绍
随着大型玻璃幕墙在城市建筑应用的普及化，与幕墙相关的清洁、检修、维护等日常工作日益重要，而可以用于替代工人执行这些作业任务的爬壁机器人，作为一种自动化、智能化的解决方案，成为了科研院校和相关企业关注的焦点。针对爬壁机器人的附着方式、运动方式以及机械结构，国内外的专家学者做了较多的研究，研发出了多款爬壁机器人，如钩爪式、磁吸式、气动吸附型、连杆式、无人机型，双足连杆型等。具体到爬壁机器人自我精确定位层面，研究者做出了一些有益的成果，并尝试了红外线、超声波、WiFi、蓝牙、室内全球定位系统以及超宽带技术等多种方案，亦有研究者在技术方案中尝试融入建筑信息信息，但存在定位精度不高，机器人应用场景为单一壁面，未扩展至三维空间，获取信息有限，仅能达到米级或亚米级定位精度。中国专利CN201410214064.1公开了一种核电站爬壁机器人三维视景仿真模拟运动方法，所述爬壁机器人吸附于核电站蒸汽发生器二次侧的筒体内壁上，建立所述筒体的桶壁、管板、传热管束以及爬壁机器人的三维模型，生成所述蒸汽发生器的三维场景；建立所述爬壁机器人在所述筒体内壁上的位置坐标；实时获得所述爬壁机器人在所述筒体内壁上的当前位置的坐标、运动状态以及各关节位姿信息；依据所述当前位置的坐标、运动状态信息和各关节位姿信息对应调整所述爬壁机器人的位置、运动状态和各关节的姿态。此方案中实时监控所述爬壁机器人的位置、运动状态和各关节位姿信息，便于精准的检测和操控，减少操控难度，实现操作人员的离线培训，但是需要使用较多的传感器，计算过程复杂，不能稳定有效地解决爬壁机器人的定位。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种攀爬机器人空间定位方法，减少传感器的使用，简化算法和计算，简化了定位方式，提高了定位精度，实现稳定有效的爬壁机器人空间定位。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：提供一种攀爬机器人空间定位方法，攀爬机器人包括机器人本体和设置于电脑端的机器人控制系统，机器人本体包括两组机器人末端，所述机器人末端设有用于行走的吸附模块，两组吸附模块均分别固定设有相机，所述吸附模块、相机均与机器人控制系统信号连接，空间定位方法包括以下步骤：S1：基于建筑信息模型进行信息提取与运算，获得二维码标记信息数据库；所述建筑信息模型包括玻璃幕墙、杆件和若干不同的二维码标记，所述杆件连接于相邻玻璃幕墙之间，所述二维码标记设于玻璃幕墙；S2：通过所述相机采集图像信息，经无线图像传输模块传输至机器人控制系统；S3：对相机与机器人末端进行手眼标定，求解相机与机器人末端之间的手眼标定矩阵机器人控制系统对步骤S2中所述图像信息中的二维码标记进行图像处理，获取二维码标记的ID信息，将所述二维码标记的ID信息在步骤S1所述二维码标记信息数据库中进行检索，获得标记坐标系与世界坐标系之间的变换矩阵采用针孔相机模型对相机进行标定，机器人控制系统对步骤S2中所述图像信息中的二维码标记进行位姿估计，求解相机坐标系与标记坐标系之间的变换矩阵S4：结合步骤S3中步骤S4中和步骤S5中求解出攀爬机器人当前位姿矩阵实现攀爬机器人攀爬过程中的远程空间定位。本专利技术的攀爬机器人空间定位方法，包括离线运行和在线运行两种模块。离线运行包括基于建筑中常用的建筑信息模型进行信息提取与运算、求解标记坐标系与世界坐标系的变换矩阵并生成二维码标记信息数据库、相机标定以及手眼标定等；在线运行包括实时视频监控与图像抓取、标记检测与位姿估计、二维码标记信息数据库检索与攀爬机器人绝对位姿求解等。离线运行与在线运行结合，减少了传感器的使用，简化了算法计算过程，且每一个二维码标记都不同，每个二维码标记都有一个独有的ID信息，且单个二维码标记即可提供足够多的对应点，从而实现了攀爬机器人攀爬过程中的远程空间定位且提高了定位精度。优选地，步骤S1中，所述建筑信息模型为在AutodeskRevit软件中建立的玻璃幕墙环境模型。优选地，信息提取与运算的步骤包括：先分出各种构件类型的集合，通过类过滤器来过滤所有图元，将过滤出的图元放在收集器中，遍历收集器中所有图元，依次判断是否为玻璃幕墙、杆件以及二维码标记，分别得到类型集合；提取玻璃幕墙和杆件的几何信息及二维码标记的ID信息以及几何信息，将提取到的玻璃幕墙和杆件的几何信息存储于电脑，将提取到的二维码标记的ID信息和几何信息存储。优选地，根据信息提取获得的二维码标记的几何信息，使用迭代就近点算法ICP算法计算标记坐标系到世界坐标系下的变换矩阵序列，与二维码标记的ID信息共同生成二维码标记信息数据库。优选地，标记坐标系中二维码标记的四个角点与世界坐标系中二维码标记的四个角点分别组成四组对应点，标记坐标系中二维码标记的四个角点与世界坐标系中二维码标记的四个角点视为已完美配准的两组“点云”，求解标记坐标系和世界坐标系之间的变换矩阵的方法为：计算标记坐标系下描述的四个对应点的质心位置p，世界坐标系下描述的四个对应点的质心位置p′，计算每个点的去质心坐标：qi＝pi-p,qi′＝pi′-p′(i＝1,2,3,4)式中，pi为标记坐标系下描述的第i个对应点的坐标，qi为标记坐标系下描述的第i个对应点的去质心坐标，pi′为世界坐标系下描述的第i个对应点的坐标，qi′为世界坐标系下描述的第i个对应点的去质心坐标；两组“点云”经过变换后的误差E(R，t)为：其中，R为旋转矩阵，t为平移向量；使E(R，t)取得最小值，计算优化后的旋转矩阵R*：根据优化后的旋转矩阵R*计算优化后的平移向量t*：t*＝p-R*p′。优选地，步骤S2中，具体步骤为：相机采集到图像信息后，借助RTSP(RealTimeStreamingProtocol，实时流传输)视频流网络协议，利用高频WIFI技术无线传输至机器人控制系统，电脑的控制界面实时显示当前选择相机实时监控画面。优选地，步骤S3中，相机与机器人末端之间的手眼标定矩阵的具体求解过程为：采用EyeInHand的手眼标定方法，将标定板固定在攀爬机器人工作空间内，控制攀爬机器人末端运动至不同位置，拍摄标定板以获得不同角度下的标定图像，从而推导出相机相对于机器人末端的手眼标定矩阵优选地，步骤S3中，二维码标记的ID信息的获取步骤为：S301：系统将步骤S2中所述图像信息转化为灰度图；S302：搜索所有灰度图中的所有二维码标记，利用自适应阈值分割二维码标记；S303：从阈值化图像中提取二维码标记的外形轮廓，舍弃非凸多边形以及非方形轮廓；S304：剔除与二维码标记尺寸不符的轮廓，对图像进行透视变换，得到正视图；S305：利用最大类间差法进行阈值化，分析出二维码标记的黑白位；S306：对黑白位本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种攀爬机器人空间定位方法，攀爬机器人包括机器人本体和设置于电脑端的机器人控制系统，机器人本体包括两组机器人末端，所述机器人末端设有用于行走的吸附模块，两组吸附模块均分别固定设有相机，所述吸附模块、相机均与机器人控制系统信号连接，其特征在于，空间定位方法包括以下步骤：/nS1：基于建筑信息模型进行信息提取与运算，获得二维码标记信息数据库；所述建筑信息模型包括玻璃幕墙(2)、杆件和若干不同的二维码标记(1)，所述杆件连接于相邻玻璃幕墙(2)之间，所述二维码标记(1)设于玻璃幕墙(2)；/nS2：通过所述相机采集图像信息，经无线图像传输模块传输至机器人控制系统；/nS3：对相机与机器人末端进行手眼标定，求解相机与机器人末端之间的手眼标定矩阵

【技术特征摘要】
1.一种攀爬机器人空间定位方法，攀爬机器人包括机器人本体和设置于电脑端的机器人控制系统，机器人本体包括两组机器人末端，所述机器人末端设有用于行走的吸附模块，两组吸附模块均分别固定设有相机，所述吸附模块、相机均与机器人控制系统信号连接，其特征在于，空间定位方法包括以下步骤：
S1：基于建筑信息模型进行信息提取与运算，获得二维码标记信息数据库；所述建筑信息模型包括玻璃幕墙(2)、杆件和若干不同的二维码标记(1)，所述杆件连接于相邻玻璃幕墙(2)之间，所述二维码标记(1)设于玻璃幕墙(2)；
S2：通过所述相机采集图像信息，经无线图像传输模块传输至机器人控制系统；
S3：对相机与机器人末端进行手眼标定，求解相机与机器人末端之间的手眼标定矩阵机器人控制系统对步骤S2中所述图像信息中的二维码标记进行图像处理，获取二维码标记(1)的ID信息，将所述二维码标记(1)的ID信息在步骤S1所述二维码标记信息数据库中进行检索，获得标记坐标系与世界坐标系之间的变换矩阵采用针孔相机模型对相机进行标定，机器人控制系统对步骤S2中所述图像信息中的二维码标记(1)进行位姿估计，求解相机坐标系与标记坐标系之间的变换矩阵
S4：结合步骤S3中步骤S4中和步骤S5中求解出攀爬机器人(3)当前位姿矩阵



实现攀爬机器人(3)攀爬过程中的远程空间定位。


2.根据权利要求1所述的攀爬机器人空间定位方法，其特征在于，步骤S1中，所述建筑信息模型为在AutodeskRevit软件中建立的玻璃幕墙环境模型。


3.根据权利要求2所述的攀爬机器人空间定位方法，其特征在于，步骤S1中，信息提取与运算的步骤包括：先分出各种构件类型的集合，通过类过滤器来过滤所有图元，将过滤出的图元放在收集器中，遍历收集器中所有图元，依次判断是否为玻璃幕墙(2)、杆件以及二维码标记(1)，分别得到类型集合，提取玻璃幕墙(2)和杆件的几何信息及二维码标记(1)的ID信息和几何信息，将提取到的玻璃幕墙(2)和杆件的几何信息存储于电脑，将提取到的二维码标记(1)的ID信息和几何信息存储。


4.根据权利要求3所述的攀爬机器人空间定位方法，其特征在于，步骤S1中，根据信息提取获得的二维码标记(1)的几何信息，使用迭代就近点算法ICP算法计算标记坐标系到世界坐标系下的变换矩阵序列，与二维码标记(1)的ID信息共同生成二维码标记信息数据库。


5.根据权利要求4所述的攀爬机器人空间定位方法，其特征在于，标记坐标系中二维码标记的四个角点与世界坐标系中二维码标记的四个角点分别组成四组对应点，标记坐标系中二维码标记的四个角点与世界坐标系中二维码标记的四个角点视为已完美配准的两组“点云”，求解标记坐标系和世界坐标系之间的变换矩阵的方法为：
计算标记坐标系下描述的四个对应点的质心位置p，世界坐标系下描述的四个对应点的质心位置p′，计算每个点的去质心坐标：
qi＝pi-p,qi′＝pi′-p′(i＝1,2,3,4)...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶文达，朱海飞，付紫杨，管贻生，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44