[发明专利]基于红外路标的移动机器人定位系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及红外成像技术领域，具体地涉及移动机器人视觉定位技术领域。

背景技术

随着计算机技术、超大规模集成电路技术、网络技术、人工智能技术等的飞速发展，机器人技术也得到了突飞猛进的发展。机器人的种类越来越多，应用范围也越来越广。2007年，微软总裁比尔·盖茨在《科学美国人》杂志中预言：机器人将与30年前的个人电脑一样进入千家万户。韩国三星经济研究所曾经预测，到2020年，世界机器人市场规模到将达到1.4万亿美元，韩国信息与通信部甚至曾订出2020年每家都有一个机器人的惊人目标。对于智能移动机器人来说，为了能高效地从环境中穿行并到达目的地，并使它能根据环境中己知的一些特征来判断出它自身的位置，这就是移动机器人的定位问题。机器人要想能在未知环境中自动行走，定位是最基本的问题。

近年来国内外许多研究人员使用多种传感器，对移动机器人的自定位问题进行了深入研究，提出了许多自定位方法。自定位方法包括：拓扑表示法、航位推算法、卡尔曼滤波估计、栅格法、概率法、同时定位与制图法等。用于定位的传感器包括：视觉传感器、激光、红外、超声、码盘、陀螺仪、加速度计等。码盘、陀螺仪、加速度计是用于局部定位的辅助传感器。红外、超声传感器受精度所限，一般用于紧急避障。激光传感器成本较高，不适合民用推广。视觉传感器获取的环境信息最为丰富，发展空间最大。目前研究人员都侧重于机器人的视觉定位研究。

移动机器人的视觉定位一般分自然路标和人工路标两种模式。自然路标是指利用环境中原有的场景作为标记进行定位导航。虽然自然路标不破坏原有环境，普适性好，但计算复杂、鲁棒性不强、实用性差。人工路标是指人为设计特定的路标安装在环境中，人工路标虽然对环境有所改变，但计算简单、特征稳定、实用性强。目前研究人员所采用的人工路标多是设计特殊颜色信息或者纹理结构信息的图案，也包括数字、字母以及二维条码等。这些图案一般都是用纸片打印制作，通过环境光照明使摄像机感光成像，因此容易受环境光照变化的影响，从而稳定性较差。

发明内容

本发明的目的是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于红外路标的移动机器人视觉定位系统和方法，实现针对移动机器人的准确、快速、鲁棒的定位。

本发明的基于红外路标的移动机器人室内定位系统包括：点阵式主动红外路标，贴附于室内天花板上，为3×3型点阵式，红外路标的世界坐标值被预先确定；广角红外摄像机，固定在移动机器人身上，用于捕捉红外图像，广角摄像机的内参和畸变参数被预先标定，其初始单应矩阵H₀也被预先确定；计算机单元，用于从广角红外摄像机接收所述红外图像，并对红外图像进行畸变校正及图像预处理操作，并根据处理后的红外图像来检测和识别红外路标，然后利用初始单应矩阵H₀，采用扩展单应矩阵定位方法对移动机器人进行定位计算。

本发明还提供了一种基于红外路标的移动机器人室内定位方法，该方法包括步骤：将3×3型的点阵式主动红外路标帖附于天花板上，确定所有红外路标的世界坐标值；将广角红外摄像机固定在机器人身上，标定广角摄像机的内参和畸变参数，计算摄像机的初始单应矩阵H₀；确定移动机器人的初始位姿；捕捉红外图像，并进行畸变校正及图像预处理操作；检测并识别红外路标；利用初始单应矩阵H₀，采用扩展单应矩阵定位方法进行定位计算。

本发明的优点如下：本发明提出的红外路标模式制作简单，方便图像检测、识别以及定位计算；定位算法原理简单、计算快速、定位准确。本发明提出的定位系统可用于较大范围的室内场所进行移动机器人的快速、准确、鲁棒的定位。

附图说明

图1为本发明的系统组成示意图；

图2为本发明中的红外路标示意图；

图3为本发明的定位系统的离线工作流程图；

图4为本发明的定位系统的在线工作流程图；

图5为真实mark与虚拟mark之间的平移旋转关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1给出了本发明的基于红外路标的移动机器人定位系统的示意图。

参照图1，该系统包括：贴附于室内天花板上的、3×3型的点阵式主动红外路标1；固定在机器人身上的广角红外摄像机2；用于图像分析与定位计算的计算机单元3。