以定距三球?yàn)橐曈X標(biāo)志物的室內(nèi)自動(dòng)運(yùn)輸車定位系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種室內(nèi)定位技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于機(jī)器視覺的室內(nèi)自動(dòng) 運(yùn)輸車定位技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于室內(nèi)環(huán)境中存在較多的限制條件，導(dǎo)致GPS系統(tǒng)并不能發(fā)揮它準(zhǔn)確定位的 優(yōu)勢(shì)。因此尋找一個(gè)合適技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)定位（IPS)也很快成為當(dāng)今研究開發(fā)的熱點(diǎn)。目 前常用的室內(nèi)定位技術(shù)包括AGPS技術(shù)、超聲波技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)和無線局域網(wǎng)技術(shù)等， 但這些技術(shù)的定位精度比較低，不僅易受多徑效應(yīng)和環(huán)境變動(dòng)而影響計(jì)算，而且需要在室 內(nèi)布置大量硬件設(shè)施輔助定位，不利于維護(hù)。近年來出現(xiàn)一些基于視覺的物體位置和方 向的檢測(cè)方法，如文獻(xiàn) "DeRen Li, Yong Liu, XiuXiao Yuan, Image-based self-position and orientation method for moving platform[J]. Science China Information Sciences, 2013, 56(4) :4649-4662. "其主要優(yōu)勢(shì)是能夠避開上述技術(shù)因傳輸產(chǎn)生的誤差， 提供比較高的定位精度，并且能夠不增加硬件成本就能進(jìn)行目標(biāo)物方向和傾角的檢測(cè)。
[0003] 對(duì)于機(jī)器視覺的定位方式，目前主要有以下三種方案：單目視覺定位、雙目視覺 定位和全方位視覺定位?；陔p目視覺的定位系統(tǒng)，主要根據(jù)雙攝像頭獲取場(chǎng)景圖像的視 差信息進(jìn)行位置判斷，如文獻(xiàn)"白明，莊嚴(yán)，王偉.雙目立體匹配算法的研究與進(jìn)展[J]. 控制與決策，2008, 23(7) :721-729. " ；全方位視覺定位系統(tǒng)，利用全方位攝像頭獲取包含 360°場(chǎng)景信息的圖像，接著把全方位圖展開成柱面全景圖，最后實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的定位，如文 獻(xiàn)"周明暉.基于全方位視覺的柱面展開與實(shí)時(shí)目標(biāo)跟蹤算法研究[D].上海：上海交通大 學(xué)，2013"。對(duì)比以上兩種方案，基于單目視覺的定位系統(tǒng)無需解決雙目視覺系統(tǒng)中雙圖像 的像素匹配和全方位視覺系統(tǒng)中圖像畸變、像素重復(fù)與丟失等帶來的誤差問題，并具有成 本低、體積小、實(shí)時(shí)性高的特點(diǎn)，因此近年來越來越多地被采用。其中基于幾何投影法的單 目視覺測(cè)距方法被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人測(cè)距、汽車自動(dòng)壁障等。但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，機(jī)器人 或汽車的走動(dòng)容易引起攝像頭的抖動(dòng)，這將嚴(yán)重影響測(cè)距算法，造成較大的誤差。
[0004] 通常自動(dòng)運(yùn)輸車（AGV)本身不適用于作為定位目標(biāo)，因?yàn)椴煌瑧?yīng)用的AGV外觀不 盡相同，需要針對(duì)不同的AGV更改識(shí)別算法，并且AGV外觀在不同視圖下不具有不變性，需 要增加矯正算法，這不僅會(huì)帶來矯正誤差，而且會(huì)增加代碼開銷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本實(shí)用新型的目的是為了避免上述現(xiàn)有室內(nèi)定位技術(shù)存在的誤差問題，提供一種 采用固定單攝像頭方式并以特定組合的三球標(biāo)志物作為定位目標(biāo)的室內(nèi)自動(dòng)運(yùn)輸車定位 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)自動(dòng)運(yùn)輸車的快速、精確、可靠的定位。
[0006] 本實(shí)用新型所采用技術(shù)方案如下：
[0007] 設(shè)計(jì)一種由特定組合的三球標(biāo)志物作為定位目標(biāo)，間接實(shí)現(xiàn)室內(nèi)自動(dòng)運(yùn)輸車位 置、方向及傾角的檢測(cè)，該標(biāo)志物由兩個(gè)半徑相同的小球和一個(gè)半徑為小球半徑2倍的大 球組合而成，且兩個(gè)小球球心與大球球心距離都為大球半徑的4倍，三球球心構(gòu)成一個(gè)以 小球球心與大球球心的距離為腰長，頂角為120°的等腰三角形，三個(gè)球均可分別裝入三種 不同顏色的LED，搭配成27種不同編碼的標(biāo)志物。在室內(nèi)地面中，大球球心主要作為定位目 標(biāo)的位置判斷，等腰三角形在室內(nèi)地面的方位作為定位目標(biāo)方向的判斷，三小球的球心所 構(gòu)成平面與室內(nèi)平面產(chǎn)生的夾角作為定位目標(biāo)的傾角判斷。
[0008] 所述三種不同顏色的LED為紅、綠、藍(lán)三種顏色的LED。
[0009] 所述等腰三角形方位是指以大球球心為原點(diǎn)，與底邊中點(diǎn)構(gòu)成的射線在室內(nèi)地面 指向的方向。
[0010] 在室內(nèi)天花板上固定安裝光軸垂直于室內(nèi)地面的攝像機(jī)，由該攝像機(jī)獲取室內(nèi)地 面圖像，處理器對(duì)所獲取的圖像進(jìn)行預(yù)處理、標(biāo)志物的識(shí)別以及位姿的計(jì)算，并通過無線通 信模塊完成對(duì)自動(dòng)運(yùn)輸車的導(dǎo)航及控制。
[0011] 優(yōu)選的，所述處理器為DSP數(shù)字信號(hào)處理器。
[0012] 所述圖像預(yù)處理具體處理過程如下：先對(duì)RGB圖像進(jìn)行顏色分割，接著對(duì)顏色分 割后的圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)腐蝕和膨脹操作，最后對(duì)圖像進(jìn)行邊緣提取操作。
[0013] 所述標(biāo)志物的識(shí)別具體處理過程如下：先對(duì)所有邊緣輪廓像素進(jìn)行歸類和記錄， 接著對(duì)滿足面積要求以及圓形度要求的輪廓進(jìn)行篩選，對(duì)篩選后的輪廓圖像進(jìn)行最小二乘 法的橢圓擬合，最后利用三球之間的距離、線度比例關(guān)系和模式匹配方法識(shí)別出標(biāo)志物。
[0014] 所述位姿的計(jì)算具體處理過程如下：先由圖像中三球球心的位置根據(jù)小孔成像的 幾何投影關(guān)系計(jì)算出三球在室內(nèi)地面位置，再根據(jù)三球的計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步得出目標(biāo)物的方 向和傾角。
[0015] 優(yōu)選的，所述無線通信模塊為工作在2. 4G~2. 5GHz的無線收發(fā)芯片。
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0017] (1)對(duì)單個(gè)球狀物進(jìn)行位置定位，它在任意視角下都具不變性，任意方位都不影響 識(shí)別的穩(wěn)定性，避免了增加矯正算法帶來的代碼開銷，提高識(shí)別速度。
[0018] (2)檢測(cè)自動(dòng)運(yùn)輸車方向和傾角時(shí)，只需通過三球位置關(guān)系即可檢測(cè)，無需對(duì)自動(dòng) 運(yùn)輸車輪廓進(jìn)行處理，此方式實(shí)現(xiàn)簡潔，且誤差小、實(shí)時(shí)性好。
[0019] (3)根據(jù)三球的可發(fā)光性、特定的距離及線度比例關(guān)系，不僅提高了系統(tǒng)對(duì)標(biāo)志物 識(shí)別的可靠性，抗干擾能力強(qiáng)，可完成復(fù)雜環(huán)境下的定位，且可組合成27種編號(hào)的標(biāo)志物， 可適用于多臺(tái)自動(dòng)運(yùn)輸車的同時(shí)導(dǎo)航及控制。
[0020] (4)標(biāo)志物的使用讓系統(tǒng)不局限于某種形狀的自動(dòng)運(yùn)輸車，只需把標(biāo)志物安裝在 自動(dòng)運(yùn)輸車就可定位，提高系統(tǒng)普適性。
[0021] (5)采用固定攝像機(jī)方式，無需解決機(jī)器人或汽車走動(dòng)引起攝像頭抖動(dòng)造成的誤 差問題，有效提尚了室內(nèi)的定位精度。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本實(shí)用新型中的三球標(biāo)志物構(gòu)造示意圖；
[0023] 圖2為本實(shí)用新型中的標(biāo)志物位置定位原理模型圖；
[0024] 圖3為本實(shí)用新型中的標(biāo)志物方向檢測(cè)示意圖；
[0025] 圖4 (a)~（b)分別為標(biāo)志物中小球Q的y方向傾斜及兩小球X方向傾斜示意圖；
[0026] 圖5為本實(shí)用新型中的系統(tǒng)組成示意圖；
[0027] 圖6為本實(shí)用新型中的處理器對(duì)每幀圖像的處理及識(shí)別算法流程圖；
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施作進(jìn)一步的詳細(xì)描述
[0029] 設(shè)計(jì)一種由特定組合的三球標(biāo)志物作為定位目標(biāo)，間接實(shí)現(xiàn)室內(nèi)自動(dòng)運(yùn)輸車的定 位功能，該標(biāo)志物結(jié)構(gòu)如圖1所示，由三個(gè)小球半徑比例為R1:R2:R3=2:1:1，兩個(gè)小球球心 與大球球心距離L0與大球半徑R1比例為L0:R1=4:1，兩個(gè)小球球心與大球球心之間的夾 角Z QPQ' =120°，三個(gè)球均可分別裝入三種不同顏色的LED，搭配成27種不同組合的標(biāo)志 物。
[0030] 進(jìn)行定位目標(biāo)的位置檢測(cè)時(shí)，只需找出大球球心在圖像中的位置，然后通過幾何 投影關(guān)系求出在室內(nèi)地面的位置。如圖2所示，該攝像機(jī)成像模型簡化為小孔成像模型，在 室內(nèi)坐標(biāo)系中，將攝像頭在室內(nèi)地面的垂直投影點(diǎn)0作為坐標(biāo)系原點(diǎn)，沿著攝像頭方向的 右方定義為X軸方向，攝像頭正前方定義為Y軸方向。在圖像坐標(biāo)系中，Η和W分別為圖像 的高和寬，為方便計(jì)算，定義圖像矩形的中點(diǎn)G'為圖像坐標(biāo)系的原點(diǎn)，y軸為原點(diǎn)垂直于圖 像上邊界向上的方向。P(x，y)是目標(biāo)點(diǎn)的室內(nèi)坐標(biāo)，p(u，v)為對(duì)應(yīng)的圖像坐標(biāo)。則目標(biāo)點(diǎn) 在Y軸的坐標(biāo)y有下面公式確定：
[0031]
[0032] 其中h為攝像頭距離地面的高度，yl是攝像頭光軸與地面交點(diǎn)G到0點(diǎn)的距離， Δ h是標(biāo)志物質(zhì)心距離地面的高度、2 Θ為攝像機(jī)的垂直視場(chǎng)角，Η為圖像的高。
[0033] 則目標(biāo)點(diǎn)在X軸的坐標(biāo)X有下面公式確定：
[0034]
[0035] 六 τ 6。 yin雙詠ν L· 口 小 I 用,η 乃 m I豕 口 見。
[0036] 參照?qǐng)D3,進(jìn)行定位目標(biāo)的方向檢測(cè)時(shí)，先由上述公式獲得三個(gè)球球心在室內(nèi)坐 標(biāo)系的坐標(biāo)P(xl, yl)、Q(x2, y2)、Q'（x3, y3)，在進(jìn)行方向解算之前，需要對(duì)這些坐標(biāo)進(jìn) 行修正，這是因?yàn)楫?dāng)三球球心平面與室內(nèi)平面不平行（即存在傾角）時(shí)，這時(shí)P(xl，yl)、 Q(x2，y2)、Q'（x3，y3)組成的三角形不再是頂角為120°的等腰三角形，然而已知這種誤差 是由于小球相對(duì)大球有垂直偏移造成，使得計(jì)算X、y的計(jì)算結(jié)果同時(shí)被改變，且已知三球 構(gòu)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)邊長為L0的等腰三角形，因此可以根據(jù)這些特性對(duì)存在變形的三角形進(jìn)行 矯正，其方法：用兩點(diǎn)距離公式分別計(jì)算出可丨距離Lpq和距離Lpq'，先求得Lpq與L0 的偏