差AL，保持v不變，u減少或增加1，重新算得Lpq與L0的偏差AL'，找出使得AL'相 對A L減少時u的變化趨勢，并保持這個趨勢，同樣的，保持u不變，改變v的值，使得Δ L' 相對Δ L減少時v的變化趨勢，繼續(xù)按照這個趨勢給v、u減少或增加1，直到Lpq與L0的 偏差量最小，則中止循環(huán)，根據新的v、u值重新算得Q的坐標值y2、x2。同理對Q'坐標進 行矯正得到新的坐標值y3、x3。當然如果一開始Lpq和Lpq'的值都接近或等于L0,則無需 矯正，直接進行下面的方向解算。
[0037] 以大球球心坐標P為極點建立極坐標系，其中極軸平行于⑶。Q(x2，y2)、 Q'（x3，y3)直角坐標轉為極坐標，求得線段^^的中點Qm，Qm在極坐標系的極角即為標志 物的方向角β，從而得到自動運輸車的方向。
[0038] 參照圖4,進行定位目標的傾角檢測時，主要依據三小球的球心所構成平面與 室內平面產生的夾角，該夾角在Ρ為原點的直角坐標系中可分解成y方向傾角yy (上 下傾）和X方向傾角γχ (左右傾)，依然先獲得矯正后室內三球球心坐標值P(xl，yl)、 Q(x2, y2)、Q'（x3, y3)，圖4(a)為小球Q的y方向傾斜示意圖，Q相對P在y軸方向上的距離 Lcjp= | y2_yl |，a q 由公式 a q=tan_l ((h_ Δ h) /y2)求得，Lq 由公式 Lq=L0X | sin ( β - π /3) 確定，則Q在y方向傾角yyq由如下公式確定：
[0039]
[0040] 小球Q相對大球P垂直偏移量Δ hq由公式Δ hq=Lq*sin γ yq確定。
[0041] 同理Q'在y方向傾角由如下公式確定：
[0042]
[0043] 其中L q' p為Q'相對P點在y軸方向的距離，a q' =tan_l ((h- Δ h) /y3)，L q' =L0*|sin (β + π/3) |〇
[0044] 小球Q'相對大球P垂直偏移量Ah q'由公式Ah q' =L q' *sinyy q'確定。
[0045] 因此標志物y方向傾角由如下公式確定：
[0046]當γ y>0表示向上傾斜，γ y〈0表示向下傾斜。
j.
[0047] 圖4(b)為兩小球X方向傾斜示意圖，其中確定，
[0048] 最Jf
當γ χ>0表示Q比Q'高，γ χ〈0表示Q比Q'低。
[0049] 圖5給出了本實用新型的以定距三球為視覺標志物的室內自動運輸車定位系統(tǒng) 的示意圖，參照圖5,該系統(tǒng)包括：固定在室內天花板5上的小孔攝像機1 ;用于圖像處理與 識別的嵌入式系統(tǒng)2 ;作為定位目標且固定于自動運輸車的三球組合標志物3 ;用于嵌入式 系統(tǒng)與自動運輸車通信的無線模塊4。系統(tǒng)工作過程：攝像機1的光軸垂直于室內地面6， 向下拍攝室內地面圖像，連接在攝像機的嵌入式系統(tǒng)2對所獲取的圖像進行處理和分析， 完成標志物3的識別及位姿的計算，并通過無線通信模塊4完成對自動運輸車的導航及控 制。
[0050] 本實用新型中嵌入式系統(tǒng)處理器對圖像的處理及識別算法流程如圖6所示，具體 包括如下：
[0051] 步驟1 :在每個像素的R、G、B分量中，如果滿足其中一個分量均大于另兩個分量 150灰度差時，把該像素置為255,如果不滿足則置0,根據此方式對圖像進行顏色分割。
[0052] 步驟2 :為減少噪聲和一些小面積紅色塊的影響，對顏色分割后的圖像進行形態(tài) 學腐蝕和膨脹操作，這里采用5X5的圓形結構元素作為形態(tài)核，這不僅較好的去除噪聲， 而且不影響圖像中標志物的形狀。
[0053] 步驟3 :采用Canny方法，對圖像進行輪廓邊緣提取。
[0054] 步驟4:為去除背景中類橢圓或者其他形狀邊緣特征的影響，先對輪廓圖像使用 面積約束，對于640*480像素的圖像，這里選取最小的面積閾值Smin=40和最大的面積閾值 Smax=31415,把滿足面積區(qū)間Se [Smin，Smax]的輪廓進行篩選。
[0055] 步驟5 :面積篩選之后，接著采用周長平方與面積之間的比值C=P2/S進行圓形度 判斷，其中P表示物體的周長，當輪廓滿足圓特性時，求得C的值將是接近4 π的值。
[0056] 步驟6 :得到篩選后的輪廓圖像，即可進行圓的識別，這里采用最小二乘法橢圓擬 合方法，把每個邊緣輪廓的所有像素點分別代入目標函數：
[0057]
[0058]
[0059] 通過求解目標函數的最小值來確認橢圓的各個參數A、B、C、D、E、F。
[0060] 步驟7 :為進一步提高系統(tǒng)識別可靠性，可根據三個小球半徑比例為 R1: R2: R3=2:1:1，兩個小球球心與大球球心距離L0與大球半徑R1比例為L0: Rl=4:1此特 定幾何關系，在圓擬合后的圖像中依次組合鄰近的三個圓，并對每組三圓進行一次幾何判 斷和篩選。
[0061] 步驟8 :在每組三圓中的每個圓分別采用Hu不變矩匹配進行區(qū)域形狀匹配，該方 法具有較強的平移、尺度和旋轉不變性，匹配結果由以下公式確定：
[0062]
[0063]
[0064] 其中/r W1是A和B的Hu矩
[0065] 具體做法如下：
[0066] 假設存在N個符合比例條件的三圓，記錄每組三圓的每個圓中心位置（u，v) i={(ui, vi), (ui+1, vi+1)}，i e [0, N]和半徑 Ri={ri, ri+l}，i e [0, N]，以每個圓中心位 置為中心，長和寬都為2R的矩形在原RGB圖像設置感興趣區(qū)域（ROI)，并且取出每個ROI的 RGB分量最大的通道進行二值化處理，并記錄該球顏色Ci，最后與圓外為黑色，圓內為白色 的模板進行Hu矩匹配，只有三圓中的每個圓同時滿足相似條件的才是最終的識別結果，并 記錄此時所獲得大球圖像的圓心p (ul, vl)及顏色C1，按照逆時針方向記錄Q小球圖像的圓 心q(u2, v2)及顏色C2, Q'小球圖像的圓心q'（u3, v3)及顏色C3。
[0067] 每種顏色用兩位二進制數來表示，這里規(guī)定00代表紅色，01代表綠色，10代表藍 色，因此三球顏色組合需要用6位二進制數來表示，例如C1C2C3分別為藍、綠、紅，則該組合 二進制編碼為100100,用該方式對多架室內自動運輸車進行編號。
[0068] 步驟9 :把三球球心的圖像坐標p (ul, vl)、q(u2, v2)、q'（u3, v3)代入（1)所述方 法即可以獲得三球球心的室內坐標P(xl，yl)、Q(x2, y2)、Q'（x3, y3)，進而得到自動運輸車 的位置P(x，y)、方向角β、上下傾角yy、左右傾角γχ。
[0069] 以上所述的本實用新型的實施方式，并不構成對本實用新型保護范圍的限定。任 何在本實用新型的精神原則之內所作出的修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新 型的權利要求保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種以定距三球為視覺標志物的室內自動運輸車定位系統(tǒng)，其特征在于由特定組合 的三球標志物作為定位目標，間接實現(xiàn)室內自動運輸車位置、方向及傾角的檢測； 所述特定組合的三球標志物由兩個半徑相同的小球和一個半徑為小球半徑2倍的大 球組合而成，且兩個小球球心與大球球心距離都為大球半徑的4倍，三球球心構成一個以 小球球心與大球球心的距離為腰長，頂角為120°的平面等腰三角形，該平面與自動運輸車 底盤平面平行，三個球均可分別裝入三種不同顏色的LED，搭配成27種不同編號的標志物； 所述大球用于標志物在室內地面中的位置判斷； 所述等腰三角形用于標志物方向的檢測，即等腰三角形中頂點為大球球心的點作為原 點，與底邊中點構成的射線在室內地面指向的方向即為標志物方向； 所述平面用于標志物傾角檢測，即三小球的球心所構成平面與室內平面產生的夾角作 為標志物的傾角； 所述不同編號為采用〇〇代表紅色，01代表綠色，10代表藍色，使用6位二進制數來表 示不同顏色組合的標志物。
【專利摘要】本實用新型公開了一種以定距三球為視覺標志物的室內自動運輸車定位系統(tǒng)，系統(tǒng)結構在于：采用特定大小比例、特定擺放位置、可發(fā)光的三球組合作為標志物，并固定在自動運輸車上；小孔攝像機固定在室內天花板上，向下拍攝標志物；通過連接在攝像機的嵌入式系統(tǒng)對每幀圖像進行標志物提取和分析，完成對自動運輸車位姿的檢測，并把定位結果通過無線模塊完成對自動運輸車的通信及控制。本實用新型所述定位系統(tǒng)不僅計算簡單、能同時實現(xiàn)位置、方向及傾角定位，且穩(wěn)定性好，精度高，可完成復雜環(huán)境下的定位。
【IPC分類】G08C17/02, G01C11/00, G01C21/00
【公開號】CN205175398
【申請?zhí)枴緾N201420035649
【發(fā)明人】蘇成悅, 林劍冰
【申請人】廣東工業(yè)大學, 蘇成悅, 林劍冰
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2014年1月20日