本發(fā)明涉及移動體自主定位技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于具有天花板的室內(nèi)、并且能夠結(jié)合環(huán)境信息進(jìn)行自主定位的移動機(jī)器人的定位系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

室內(nèi)定位作為移動機(jī)器人導(dǎo)航的基礎(chǔ)，是機(jī)器人領(lǐng)域的熱點問題之一。目前常用的室內(nèi)移動機(jī)器人定位有兩種方式：有源定位和無源定位。有源定位主要包括RFID、WIFI、紅外和超聲等。這些方法通常在室內(nèi)固定位置放置多個發(fā)射源，然后移動機(jī)器人通過接收不同位置的信號判斷當(dāng)前位置。但是有源定位方法擴(kuò)展性差，對環(huán)境要求高。無源定位主要是設(shè)置人工標(biāo)志點，通過識別標(biāo)志點實現(xiàn)自主定位。但是該方法需要機(jī)器人能時刻識別標(biāo)志點，因此標(biāo)志點數(shù)量要足夠多。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是當(dāng)前室內(nèi)移動機(jī)器人的定位方法要求在室內(nèi)布置多個發(fā)射源或者多個識別標(biāo)志點，提高了移動機(jī)器人對工作環(huán)境的要求，限制了移動機(jī)器人的適用范圍。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種結(jié)合環(huán)境信息的室內(nèi)移動機(jī)器人定位系統(tǒng)，該室內(nèi)移動機(jī)器人用于具有天花板的室內(nèi)，所述天花板被劃分成多個形狀一致的正方形分格。

定位系統(tǒng)包括天花板圖片采集模塊、環(huán)境圖片采集模塊、中央處理器，存儲模塊和數(shù)據(jù)通訊模塊。

天花板圖片采集模塊采集移動機(jī)器人上方的天花板圖片并傳遞至中央處理器。

環(huán)境圖片采集模塊采集移動機(jī)器人周圍環(huán)境圖片并傳遞至中央處理器。

移動機(jī)器人在其室內(nèi)活動范圍上設(shè)置有多個均勻散布的位置點，這些位置點稱為自然信標(biāo)點，移動機(jī)器人在每一個自然信標(biāo)點采集一張?zhí)旎ò鍒D片和一張環(huán)境圖片，中央處理器預(yù)處理天花板圖片和環(huán)境圖片后將兩張圖片與自然信標(biāo)點的坐標(biāo)信息和方位角信息以彼此關(guān)聯(lián)的方式存儲至存儲模塊，經(jīng)預(yù)處理后的天花板圖片和環(huán)境圖片分別稱為該自然信標(biāo)點的天花板自然信標(biāo)和環(huán)境自然信標(biāo)。

中央處理器用于實時計算移動機(jī)器人的位置，中央處理器預(yù)處理實時天花板圖片和實時環(huán)境圖片，中央處理器將實時環(huán)境圖片與所有環(huán)境自然信標(biāo)比對并根據(jù)比對結(jié)果作出如下動作：

動作一，如果實時環(huán)境圖片與所有環(huán)境自然信標(biāo)均不匹配，則中央處理器提取實時天花板圖片的中的第一特征點和特征直線，中央處理器比對實時天花板圖片與上一幀天花板圖片，計算得到移動機(jī)器人實時位置相對于上一幀天花板圖片對應(yīng)的移動機(jī)器人位置的位移向量和方位角變化量。由于天花板被分格成多個相同大小的正方格，將出現(xiàn)在天花板圖片中的所有正方格的角點中的最靠近圖片中心的角點確定為第一特征點，將經(jīng)過該角點的兩條相互垂直的直線中的任意一條直線確定為特征直線。天花板圖片的拍攝周期短，在任意一個拍攝周期內(nèi)，移動機(jī)器人的位移量和方位角變化量很小，實時天花板圖片中的第一特征點與上一幀天花板圖片(即離實時天花板圖片最近一次拍攝的天花板圖片)中的第一特征點的距離遠(yuǎn)小于天花板分格的邊長，中央處理器據(jù)此準(zhǔn)確提取實時天花板圖片中的第一特征點，繼而計算出移動機(jī)器人的位移向量；計算出經(jīng)過實時天花板圖片的第一特征點的兩條直線與上一幀天花板圖片的特征直線的所有夾角(有四個夾角)，夾角值最小的角即為移動機(jī)器人的方位角變化量。

動作二，如果實時環(huán)境圖片與任一的環(huán)境自然信標(biāo)匹配，則中央處理器提取實時天花板圖片的中的第一特征點和特征直線，提取實時環(huán)境圖片中的第二特征點，中央處理器比對實時天花板圖片和天花板自然信標(biāo)，計算得到移動機(jī)器人實時位置相對于自然信標(biāo)點的位移向量，中央處理器繼續(xù)比對實時環(huán)境圖片和環(huán)境自然信標(biāo)，計算得到移動機(jī)器人的實時位置相對于自然信標(biāo)點的方位角變化量。

數(shù)據(jù)通訊模塊用于中央處理器和存儲模塊與上位機(jī)或其他外接設(shè)備數(shù)據(jù)通訊。

進(jìn)一步的，所述天花板圖片采集模塊為CMOS相機(jī)，所述環(huán)境圖片采集模塊為全景相機(jī)。

進(jìn)一步的，中央處理器對天花板圖片和環(huán)境圖片的預(yù)處理包括濾波處理和腐蝕膨脹處理。

本發(fā)明還提供了另一種的技術(shù)方案為：一種結(jié)合環(huán)境信息的室內(nèi)移動機(jī)器人定位方法，所述定位方法用于計算室內(nèi)移動機(jī)器人的實時位置，移動機(jī)器人在具有天花板的室內(nèi)活動，所述天花板被劃分成多個形狀一致的正方形分格；定位方法包括如下準(zhǔn)備步驟和工作步驟：

準(zhǔn)備步驟1，建立自然信標(biāo)庫，在移動機(jī)器人的室內(nèi)活動范圍上設(shè)置多個均勻散布的位置點，這些位置點稱為自然信標(biāo)點，將移動機(jī)器人分別置于每一個自然信標(biāo)點，移動機(jī)器人采集上方的天花板圖片和周圍的環(huán)境圖片，將經(jīng)過預(yù)處理的天花板圖片和環(huán)境圖片作為該自然信標(biāo)點的天花板自然信標(biāo)和環(huán)境自然信標(biāo)，將每一個自然信標(biāo)點的位置信息、天花板自然信標(biāo)和環(huán)境自然信標(biāo)作為一組關(guān)聯(lián)信息存儲；

準(zhǔn)備步驟2，為移動機(jī)器人采集初始點上方的天花板圖片，賦予初始點的位置信息；

工作步驟1，移動機(jī)器人開始工作后，采集移動機(jī)器人實時位置上方的天花板圖片和周圍的環(huán)境圖片；

工作步驟2，預(yù)處理實時天花板圖片和環(huán)境圖片；

工作步驟3，比對實時環(huán)境圖片和環(huán)境自然信標(biāo)；

工作步驟4，如果實時環(huán)境圖片與所有環(huán)境自然信標(biāo)均不匹配，則提取實時天花板圖片的中的第一特征點和特征直線，比對實時天花板圖片與上一幀天花板圖片，計算得到移動機(jī)器人實時位置相對于上一幀天花板圖片對應(yīng)的移動機(jī)器人位置的位移向量和方位角變化量，再計算出移動機(jī)器人的實時位置；

工作步驟5，如果實時環(huán)境圖片與任一的環(huán)境自然信標(biāo)匹配，則提取實時天花板圖片的中的第一特征點和特征直線，提取實時環(huán)境圖片中的第二特征點，比對實時天花板圖片和天花板自然信標(biāo)，計算得到移動機(jī)器人實時位置相對于自然信標(biāo)點的位移向量；比對實時環(huán)境圖片和環(huán)境自然信標(biāo)，計算得到移動機(jī)器人的實時位置相對于自然信標(biāo)點的方位角變化量；再計算出移動機(jī)器人的實時位置；

進(jìn)一步優(yōu)化的是，所述準(zhǔn)備步驟還包括：準(zhǔn)備步驟3，標(biāo)定天花板圖片采集模塊和環(huán)境圖片采集模塊與移動機(jī)器人理論中心點的位置關(guān)系。

進(jìn)一步優(yōu)化的是，所述對天花板圖片和環(huán)境圖片的預(yù)處理手段包括濾波處理和腐蝕膨脹處理。

有益效果：(1)本發(fā)明提供的結(jié)合環(huán)境信息的室內(nèi)移動機(jī)器人定位系統(tǒng)和方法設(shè)置了自然信標(biāo)庫，移動機(jī)器人在利用天花板圖片進(jìn)行位置計算的時候容易產(chǎn)生累積誤差，自然信標(biāo)庫的存在使得移動機(jī)器人在運(yùn)動至自然信標(biāo)點及其附近時，計算系統(tǒng)采用預(yù)存于自然信標(biāo)庫中的天花板圖片作為基準(zhǔn)圖片，這意味著移動機(jī)器人在自然信標(biāo)點及其附近自動重新標(biāo)定位置，有助于消除定位計算中的累積誤差，提高定位精度。(2)本發(fā)明提供的結(jié)合環(huán)境信息的室內(nèi)移動機(jī)器人定位系統(tǒng)和方法利用環(huán)境圖片比對的方式判斷移動機(jī)器人是否處于自然信標(biāo)點及其附近，不需要在室內(nèi)實際環(huán)境中設(shè)置其他硬件，避免了對使用環(huán)境的具體改造，提高了移動機(jī)器人的適用范圍。(3)本發(fā)明提供的結(jié)合環(huán)境信息的室內(nèi)移動機(jī)器人定位系統(tǒng)和方法在使用前標(biāo)定天花板圖片采集模塊和環(huán)境圖片采集模塊與移動機(jī)器人理論中心點的位置關(guān)系，消除圖片采集模塊在機(jī)器人中的具體安裝位置所帶來的測量偏差，更為精確的反應(yīng)移動機(jī)器人再使用環(huán)境中的定位。

附圖說明

圖1是實施例1移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是移動機(jī)器人定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖3是天花板圖片示例。

圖4是定位系統(tǒng)工作流程圖。

其中：1、機(jī)器人本體；2、CMOS相機(jī)；3、全景相機(jī)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

實施例1

如圖1至圖4所示，本實施例的移動機(jī)器人包括一個具有動力系統(tǒng)的機(jī)器人本體1、控制機(jī)器人運(yùn)動的上位機(jī)和定位系統(tǒng)，定位系統(tǒng)依據(jù)設(shè)定的周期不斷計算機(jī)器人在室內(nèi)的位置信息并傳遞至上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)機(jī)器人的位置信息控制機(jī)器人的具體運(yùn)動軌跡和運(yùn)動姿態(tài)。機(jī)器人的位置信息包括機(jī)器人在室內(nèi)平面空間中的絕對位置坐標(biāo)和機(jī)器人的方位角。

本實施例的移動機(jī)器人用于具有天花板的室內(nèi)，所述天花板被劃分成多個形狀一致的正方形分格。

定位系統(tǒng)包括天花板圖片采集模塊、環(huán)境圖片采集模塊、中央處理器，存儲模塊和數(shù)據(jù)通訊模塊。

天花板圖片采集模塊為CMOS相機(jī)2，相機(jī)鏡頭垂直指向天花板，相機(jī)采集移動機(jī)器人上方的天花板圖片并傳遞至中央處理器。

環(huán)境圖片采集模塊為全景相機(jī)3，全景相機(jī)3采集移動機(jī)器人周圍環(huán)境圖片并傳遞至中央處理器。

數(shù)據(jù)通訊模塊用于中央處理器和存儲模塊與上位機(jī)或其他外接設(shè)備數(shù)據(jù)通訊。

本實施例移動機(jī)器人的定位系統(tǒng)在正式工作之前需進(jìn)行如下的四個準(zhǔn)備步驟：

準(zhǔn)備步驟一、標(biāo)定CMOS相機(jī)2和全景相機(jī)3，獲得CMOS相機(jī)2和全景相機(jī)3的畸變參數(shù)；具體步驟包括：(1)打印一張標(biāo)準(zhǔn)的國際象棋盤作為標(biāo)定板，并將其貼在一個剛性的平面上；(2)從不同角度拍攝15張標(biāo)定板圖像(數(shù)量多可使標(biāo)定更準(zhǔn)確)；(3)檢測標(biāo)定板上的角點，并確定圖像坐標(biāo)和實際坐標(biāo)；(4)利用線性模型計算出攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)；(5)利用畸變模型，對攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，求出畸變參數(shù)；

準(zhǔn)備步驟二、標(biāo)定CMOS相機(jī)2和全景相機(jī)3與移動機(jī)器人理論中心點的位置關(guān)系，獲得CMOS相機(jī)2坐標(biāo)系和全景相機(jī)3坐標(biāo)系與移動機(jī)器人坐標(biāo)系之間的相對向量和方位角變化量；

準(zhǔn)備步驟三、建立自然信標(biāo)庫，在移動機(jī)器人的室內(nèi)活動范圍上以2米的間隔設(shè)置多個均勻散布的位置點，這些位置點稱為自然信標(biāo)點，將移動機(jī)器人分別置于每一個自然信標(biāo)點，移動機(jī)器人采集上方的天花板圖片和周圍的環(huán)境圖片，將經(jīng)過預(yù)處理(畸變校正、濾波降噪和腐蝕膨脹處理)的天花板圖片和環(huán)境圖片作為該自然信標(biāo)點的天花板自然信標(biāo)和環(huán)境自然信標(biāo)，將每一個自然信標(biāo)點的位置信息、天花板自然信標(biāo)和環(huán)境自然信標(biāo)作為一組關(guān)聯(lián)信息存儲；

準(zhǔn)備步驟四、為移動機(jī)器人采集初始點上方的天花板圖片，賦予初始點的位置信息。

當(dāng)移動機(jī)器人從初始位置開始運(yùn)動之后，中央處理器用于實時計算移動機(jī)器人的位置，具體的計算周期依據(jù)移動機(jī)器人的具體需求定義。定位系統(tǒng)在每一個周期內(nèi)計算出一個機(jī)器人位置信息(包括絕對坐標(biāo)和方位角)。具體計算過程是CMOS相機(jī)2和全景相機(jī)3分別拍攝一張實時天花板圖片和環(huán)境圖片，中央處理器預(yù)處理實時天花板圖片和實時環(huán)境圖片，中央處理器將實時環(huán)境圖片與所有環(huán)境自然信標(biāo)比對，比對原理是：利用SIFT算法提取實時環(huán)境圖片的第一特征點，將第一特征點的像素值及其前后左右點的像素值和梯度值存儲為第一一維向量；將環(huán)境自然信標(biāo)圖片的對應(yīng)點(對應(yīng)點是指與實時環(huán)境圖片的第一特征點的圖片坐標(biāo)一致的點)的像素值及其前后左右點的像素值和梯度值存儲為第二一維向量，計算第一一維向量和第二一維向量之間的歐拉距離，如果該歐拉距離小于設(shè)定的閾值，判定該第一特征點和對應(yīng)點匹配，即實時環(huán)境圖片與環(huán)境自然信標(biāo)圖片存在一對匹配點；針對實時環(huán)境圖片的所有第一特征點重復(fù)前述過程，最終統(tǒng)計后，如果實時環(huán)境圖片與環(huán)境自然信標(biāo)之間擁有超過10對匹配點(數(shù)值10依據(jù)具體應(yīng)用而設(shè)定)，則判定實時環(huán)境圖片與該環(huán)境自然信標(biāo)匹配；否則判定實時環(huán)境圖片與該環(huán)境自然信標(biāo)不匹配。

中央處理器依據(jù)實時環(huán)境圖片與所有環(huán)境自然信標(biāo)比對結(jié)果作出如下動作：

動作一，如果實時環(huán)境圖片與所有環(huán)境自然信標(biāo)均不匹配，則中央處理器提取實時天花板圖片的中的第一特征點和特征直線，中央處理器比對實時天花板圖片與上一幀天花板圖片，計算得到移動機(jī)器人實時位置相對于上一幀天花板圖片對應(yīng)的移動機(jī)器人位置的位移向量和方位角變化量。

由于天花板被分格成多個相同大小的正方格，將出現(xiàn)在天花板圖片中的所有正方格的角點中的最靠近圖片中心的角點確定為第一特征點，將經(jīng)過該角點的兩條相互垂直的直線中的任意一條直線確定為特征直線。

天花板圖片的拍攝周期短，在任意一個拍攝周期內(nèi)，移動機(jī)器人的位移量和方位角變化量很小，實時天花板圖片中的第一特征點與上一幀天花板圖片(即離實時天花板圖片最近一次拍攝的天花板圖片)中的第一特征點的距離很小，中央處理器據(jù)此準(zhǔn)確提取實時天花板圖片中的第一特征點，繼而計算出移動機(jī)器人的位移向量；計算出經(jīng)過實時天花板圖片的第一特征點的兩條直線與上一幀天花板圖片的特征直線的所有夾角(有四個夾角)，夾角值最小的角即為移動機(jī)器人的方位角變化量。

動作二，如果實時環(huán)境圖片與任一的環(huán)境自然信標(biāo)匹配，則：(1)中央處理器利用ORB算法提取實時天花板圖片和天花板自然信標(biāo)圖片的中的第一特征點和若干干擾點，再利用聚類算法進(jìn)一步計算得到實時天花板圖片和天花板自然信標(biāo)圖片的第一特征點(即角點)，根據(jù)兩張?zhí)旎ò鍒D片的第一特征點可計算得到移動機(jī)器人的位移向量；(2)中央處理器利用SIFT算法提取實時環(huán)境圖片中的第二特征點，中央處理器利用SIFT算法提取環(huán)境自然信標(biāo)圖片中的第二特征點，其中，實時環(huán)境圖片中的第二特征點與環(huán)境自然信標(biāo)圖片中的第二特征點是具有對應(yīng)匹配關(guān)系的；通過這兩組具有對應(yīng)匹配關(guān)系的第二特征點，中央處理器計算出多個移動機(jī)器人的方位角變化量，中央處理器利用聚類算法處理計算出的多個移動機(jī)器人的方位角變化量，最終獲得一個輸出值作為移動機(jī)器人的方位角變化量。

動作一和動作二的目的在于計算出移動機(jī)器人的位移向量和方位角變化量，依據(jù)移動機(jī)器人的位移向量和方位角變化量計算移動機(jī)器人位置信息的計算公式為：

式中θ表示方位角變化量，(p_xi，p_yi)是移動機(jī)器人的位移向量，(x′，y′)，(x，y)分別表示移動機(jī)器人在當(dāng)前周期和上一個周期(或者自然信標(biāo)點)中的絕對坐標(biāo)。

動作一是移動機(jī)器人在除了自然信標(biāo)點及其附近以外的區(qū)域所采用的位置計算方法，該計算方法以上一個周期的位置計算結(jié)果作為計算基準(zhǔn)，以此計算當(dāng)前周期的位置信息，所以該計算結(jié)果具有累積性。動作二是移動機(jī)器人在自然信標(biāo)點及其附近所采用的位置計算方法，該計算方法以自然信標(biāo)點預(yù)存的位置信息作為計算基準(zhǔn)，以此計算當(dāng)前周期的位置信息，避免移動機(jī)器人長距離活動帶來的計算誤差累積。

雖然說明書中對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行了說明，但這些實施方式只是作為提示，不應(yīng)限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。在不脫離本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)進(jìn)行各種省略、置換和變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。