基于環(huán)境信息的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人及其定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種視頻監(jiān)控系統(tǒng)W及一種定位機(jī)器人的方法，具體設(shè)及一種覆蓋環(huán) 境的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，W及一種利用該覆蓋環(huán)境的視頻監(jiān)控系統(tǒng)定位機(jī)器人的方法，屬于機(jī) 器人技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 術(shù)語(yǔ)解釋?zhuān)?br>[0003] 1、移動(dòng)機(jī)器人及其環(huán)境
[0004] -般來(lái)說(shuō)，一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)由機(jī)械部分、傳感部分和控制部分等=個(gè)部分組 成;或由機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、機(jī)器人一一環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)和控制系 統(tǒng)等六個(gè)子系統(tǒng)組成。其中，機(jī)械系統(tǒng)是由關(guān)節(jié)連在一起的許多機(jī)械連桿的集合體，形成開(kāi) 環(huán)運(yùn)動(dòng)學(xué)鏈系；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是使各種機(jī)械部件產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的裝置;感知系統(tǒng)由機(jī)器人內(nèi)部傳感 器模塊和外部傳感器模塊組成，可獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有用信息;機(jī)器人一一環(huán)境 交互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng);人機(jī)交互系統(tǒng)是人與 機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系和參與機(jī)器人控制的裝置，包括指令給定裝置和信息顯示裝置;控制系統(tǒng) 的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序W及從傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)，支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī) 構(gòu)去完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。
[0005] 環(huán)境是指移動(dòng)機(jī)器人所能到達(dá)的空間位置。
[0006] 2、機(jī)器人定位和實(shí)時(shí)定位
[0007] 機(jī)器人定位是確定移動(dòng)機(jī)器人在所處環(huán)境的空間位置的過(guò)程。
[000引機(jī)器人實(shí)時(shí)定位是指機(jī)器人采用的定位方法及其軟硬件設(shè)備能夠及時(shí)、正確地確 定移動(dòng)機(jī)器人在所處環(huán)境的空間位置的能力，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)定位要求是機(jī)器人控制系統(tǒng)能夠正 確、及時(shí)地控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的前提條件之一。
[0009] 3、機(jī)器人的位姿
[0010] 位姿是位置和姿態(tài)的縮略語(yǔ)，機(jī)器人的位姿包括機(jī)器人的位置和機(jī)器人的姿態(tài)， 機(jī)器人的姿態(tài)是指移動(dòng)機(jī)器人在環(huán)境中的移動(dòng)方向。
[0011] 4、RGB(Red，Green，Blue)色彩模式
[0012] RGB色彩模式是工業(yè)界的一種顏色標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)個(gè)模型中顏色的參數(shù)分別是:紅色(R)、 綠色（G)和藍(lán)色（B)，通過(guò)=種顏色的變化W及它們相互之間的疊加可W得到各種顏色。 RGB24使用24位二進(jìn)制位來(lái)表示彩色圖像中的一個(gè)像素，RGB每個(gè)分量都用8位二進(jìn)制位表 示，取值范圍為0-255,是最常用的數(shù)字彩色圖像采樣模式。
[0013] 5、服八 Hue, Sa1:urat i on,化 Iue)顏色模型
[0014] 服V是根據(jù)顏色的直觀特性創(chuàng)建的一種顏色空間，也稱(chēng)六角錐體模型。運(yùn)個(gè)模型中 顏色的參數(shù)分別是:色調(diào)化），飽和度(S)和亮度(V)。
[0015] 移動(dòng)機(jī)器人為了實(shí)現(xiàn)在環(huán)境中的自主移動(dòng)，必須要解決的問(wèn)題是：自身的導(dǎo)航與 定位問(wèn)題，即在移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)之前，它要解決"在哪里?""到哪里?"和"如何去?"運(yùn)S個(gè)問(wèn) 題。
[0016] 解決"在哪里?"運(yùn)個(gè)問(wèn)題，就是確定移動(dòng)機(jī)器人在環(huán)境中的位置。換句話(huà)說(shuō)，"室內(nèi) 移動(dòng)機(jī)器人定位"就是移動(dòng)機(jī)器人確定其在室內(nèi)環(huán)境中位置的過(guò)程。
[0017] 室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的定位有其自身的特點(diǎn)：
[0018] 一、在室內(nèi)環(huán)境中，由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)(例如GPS、北斗等)覆蓋不好，所W室內(nèi)移動(dòng) 機(jī)器人的定位無(wú)法使用衛(wèi)星導(dǎo)航；
[0019] 二、由于多徑效應(yīng)的影響，無(wú)線(xiàn)信號(hào)定位方式并不適用于室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人；
[0020] =、由于室內(nèi)環(huán)境相比室外環(huán)境顯得狹小，所W室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的定位精度要求 更高(一般為厘米級(jí)），并且要求實(shí)時(shí)定位；
[0021] 四、室內(nèi)環(huán)境有較復(fù)雜的電磁場(chǎng)，所W含有磁性元件的慣性導(dǎo)航設(shè)備在室內(nèi)環(huán)境 中的應(yīng)用受到限制。
[0022] 根據(jù)環(huán)境模型的有無(wú)，移動(dòng)機(jī)器人的定位方法分為=類(lèi):基于環(huán)境模型的定位、無(wú) 環(huán)境模型的定位、同時(shí)建立環(huán)境和定位。其中，基于環(huán)境模型的定位又可分為=種：局部定 位(也稱(chēng)相對(duì)定位）、全局定位(也稱(chēng)絕對(duì)定位）、組合定位(局部定位和全局定位組合）。
[0023] 局部定位是移動(dòng)機(jī)器人僅用自身攜帶的傳感器即可實(shí)現(xiàn)的定位。目前，有基于里 程計(jì)和慣性導(dǎo)航設(shè)備的兩種航位推算方法，應(yīng)用于室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的局部定位方法是基于 里程計(jì)的航位推算方法。
[0024] 局部定位的優(yōu)點(diǎn)是：1、機(jī)器人的位姿是自我推算出來(lái)的，不需要對(duì)外部環(huán)境的感 知信息;2、定位間隔時(shí)間短;3、定位數(shù)據(jù)具有良好的連續(xù)性。
[0025] 局部定位的缺點(diǎn)是：1、需要已知機(jī)器人初始位姿信息;2、定位誤差隨時(shí)間(慣性導(dǎo) 航方式)或距離（里程計(jì)方式）累計(jì)，不適于長(zhǎng)時(shí)間（慣性導(dǎo)航方式)或長(zhǎng)距離（里程計(jì)方式） 精確定位。
[0026] 全局定位是移動(dòng)機(jī)器人使用自身攜帶的傳感器(例如超聲波、激光雷達(dá)、視覺(jué)傳感 器等)感知外部的特征信息實(shí)現(xiàn)的定位。目前，應(yīng)用于室內(nèi)機(jī)器人的全局定位方法包括路標(biāo) 法和地圖匹配法。
[0027] 基于路標(biāo)的定位方法依賴(lài)于環(huán)境中已知特征的信標(biāo)，并需要在移動(dòng)機(jī)器人上安裝 傳感器，由傳感器對(duì)信標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，從而得到移動(dòng)機(jī)器人的絕對(duì)位置信息。
[00%]基于地圖匹配的定位方法是全局環(huán)境地圖事先已知，并存入移動(dòng)機(jī)器人中，進(jìn)行 地圖匹配定位時(shí)，利用移動(dòng)機(jī)器人攜帶的傳感器探測(cè)周?chē)h(huán)境并建立局部環(huán)境地圖，通過(guò) 與全局地圖的對(duì)比確定移動(dòng)機(jī)器人的全局位置。
[0029] 全局定位的優(yōu)點(diǎn)是：1、無(wú)需已知移動(dòng)機(jī)器人的初始位姿信息;2、定位數(shù)據(jù)準(zhǔn)確;3、 定位誤差不隨時(shí)間、距離累計(jì)。
[0030] 全局定位的缺點(diǎn)是：1、需要對(duì)外部環(huán)境的感知信息;2、定位間隔時(shí)間長(zhǎng);3、定位數(shù) 據(jù)不連續(xù)、跳躍大;4、室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，定位傳感器易被遮擋。
[0031] 組合定位是將局部定位與全局定位取長(zhǎng)補(bǔ)短、融合構(gòu)成的。組合定位方法是目前 最常用的一種定位方式。在運(yùn)種定位方式下，局部定位數(shù)據(jù)作為組合定位的輸出數(shù)據(jù)，全局 定位數(shù)據(jù)則用來(lái)消除隨時(shí)間(慣性導(dǎo)航方式)或距離(里程計(jì)方式)累計(jì)的局部定位誤差。
[0032] 基于環(huán)境模型的組合定位方法是目前最常用的一種室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人定位方式。
[0033] 在基于環(huán)境模型的組合定位方法中，環(huán)境模型可設(shè)為室內(nèi)二維地平面全局坐標(biāo) 系，在環(huán)境中移動(dòng)的機(jī)器人的位姿可用=元組(x，y，0)來(lái)表示，其中，（x，y)表示移動(dòng)機(jī)器人 位于全局坐標(biāo)系的位置，0表示移動(dòng)機(jī)器人在全局坐標(biāo)系中的航向。
[0034] 在基于環(huán)境模型的組合定位方法中，局部定位方案采用基于里程計(jì)的航位推算方 法;全局定位方案中，由于視覺(jué)傳感器相對(duì)于其它傳感器而言能夠提供最豐富的感知信息， 因此，基于里程計(jì)和視覺(jué)傳感器的機(jī)器人組合定位技術(shù)是最具代表性的室內(nèi)機(jī)器人定位方 法。
[0035] 基于里程計(jì)的局部定位方法：
[0036] 不失一般性，室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人采用輪式兩輪差速驅(qū)動(dòng)方式，左右兩輪分別裝有記 錄驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)行距離的里程計(jì)。如圖1所示，假設(shè)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪軸屯、連線(xiàn)的中點(diǎn)為M，那么在任 意時(shí)刻機(jī)器人的位姿可用M點(diǎn)的位姿M(X，y，0)來(lái)表示，其中（X，y)為M點(diǎn)在xoy坐標(biāo)系中的位 置，0表示X軸正向與M點(diǎn)航向之間的夾角。在任意tn時(shí)刻，n = 0，1，2，…，機(jī)器人的位姿可表 示為Mn(Xn，yn,目n)，其中在to時(shí)刻的位姿M〇(XO,y〇,目日)是已知的。
[0037] 圖2是機(jī)器人位姿推導(dǎo)示意圖。參照?qǐng)D2,環(huán)境全局坐標(biāo)系為xoy，機(jī)器人兩個(gè)驅(qū)動(dòng) 輪的軸間距為2a，Mk表示tk時(shí)刻機(jī)器人兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的軸中屯、位置。在任意tn時(shí)刻，n = 0，1， 2,…，左輪和右輪里程計(jì)的讀數(shù)分別為mL(n)和mR(n)。從任意U-I時(shí)刻到U時(shí)刻（n=l， 2，…，）的時(shí)間間隔設(shè)為常數(shù)T，且充分小，
[0038] 左輪里程計(jì)的運(yùn)行距離為：
[0039] AmL(n)=mL(n)-mL(n-l) (1)
[0040] 右輪里程計(jì)的運(yùn)行距離為：
[0041 ] AmR(n)=mR(n)-mR(n-l) (2)
[0042] 情況1: AmL(n)辛 AmR(n)，已知（Xn-I，yn-1,目n-i)，求（Xn，yn,目n)，n=l ,2,,
[0043] 在運(yùn)種情況下，機(jī)器人從tn-l時(shí)刻到tn時(shí)刻的時(shí)間段T，左輪和右輪移動(dòng)距離不同， 當(dāng)T充分小，可W合理地假設(shè)機(jī)器人行走的軌跡是一段圓弧，參照?qǐng)D2。從tn-1時(shí)刻到tn時(shí)刻 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡Mn-lMn是一段圓弧，其圓屯、為〇/，半徑為〇/Mn-I = C/Mn = Rn,圓屯、角為0; W 〇/為原點(diǎn)，〇/Mn-I為軸，為建立局部坐標(biāo)系〇//。〇/ 軸與全局坐標(biāo)系OX軸之間的夾角 為Pn-I,它與0n-l之間的關(guān)系為：
[0044] f3n-i = 0n-i-9〇° (3)
[0045] 參照?qǐng)D2,有：
[0046] AmL(n) = (Rn-a)0 (4)
[0047] AmR(n) = (Rn+a)0 巧）
[004引式(5)減去式(4)，并化簡(jiǎn)整理，有：
[0049]
(6 J
[0050] 式(4)加上式(5)，并將式(6)帶入，化簡(jiǎn)整理，有：
[0051]
。)
[0化2]其中，AmiXn)辛 AmR(n)。
[OOM]參照?qǐng)D2，Mn點(diǎn)在局部坐標(biāo)系的位置(厶，/。)可由下式給出：
[0054]
CS)
[0化5]局部坐標(biāo)系的原點(diǎn)(x%，/o)在全局坐標(biāo)系xoy的坐標(biāo)可由下式給出：
[005引
（9)
[0057]所W，Mn(Xn，yn)在全局坐標(biāo)系xoy的坐標(biāo)可由下式給出：
[0化引 I)
[0化9]
[0060] (Il)
[0061 ] I = Sin 目 n-i，有；
[0062] (12)
[0063] 其中，n = l，2，...，。
[0064] 由假設(shè)時(shí)間間隔常數(shù)T充分小，貝化很小，有SinP-0和COS0- 1，再由式（6)和式 (7)，由式（12)可得：
[0065]
(13)
[0066] 在使用式（13)推算機(jī)器人位置時(shí)，（Xn-I，yn-1，目n-i)是已知的，AmL(n)和AmR(n)分 別由式(1)和式(2)得到。
[0067] 結(jié)合圖2和式(6)，有：
[006引
[0069]
[0070]
[0071] 其中，n = l，2,…，，目日已知。
[0072] 由式（13)和（15)可求得(Xn，yn，目 n)。
[0073] 圖