CN105425807A - 一种基于人工路标的室内机器人导航方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于人工路标的室内机器人导航方法及装置，相关方法包括：构建室内地图，该室内地图中各个人工路标的位置信息与预先设置在室内天花板上的人工路标位置信息一致；当确定目标位置后，进行路径规划，并按照规划后的路径运动；在运动过程中实时扫描室内天花板，当扫描区域包含人工路标时，根据所采集到的人工路标的图像获取机器人的当前位置；根据所规划的路径以及机器人的当前位置来调整机器人的姿态和控制其运动状态，使机器人朝着目标位置运动。本方案具有着自主导航、抗干扰能力强、无轨迹移动等优点，同时，还克服了目前大多数导航方式定位精度差的问题，提高了室内导航的精确度，改善了室内导航的合理性。
Description
技术领域
本发明涉及机器人导航技术领域，尤其涉及一种基于人工路标的室内机器人导航方法及装置。
背景技术
近年来，由于人工智能的不断发展，在多学科、多领域互相渗透的的基础上，越来越多的人开始关注基于导航技术领域的机器人研究。智能机器人是在复杂的环境下，具有环境感知能力、动态决策能力、运动控制能力等多种能力的综合***。它运用了传感器技术、自动控制技术、信息处理技术、计算机技术以及人工智能技术等多学科的技术成果，代表人工智能的最高技术水准，是目前科学技术发展较快的领域之一。
随着机器人研究水平的不断提高，智能机器人的应用范围也逐渐变大。在机器人的相关技术中，导航技术是其核心技术，也是实现自主运行、自主组织、自主规划的关键技术。现在最常见的导航技术有电磁导航、惯性导航、视觉导航、无线导航、传感器导航、卫星导航等等。这些导航方式存在这样那样的短处。电磁导航定位不准、灵活性不高且要高密度铺设磁条维护起来成本很高。惯性导航也存在定位准确度低，而且运动过程中极易产生偏差，不利于长时间长距离的移动。对于视觉导航，又因为运动时实时运算量较大，而且受光照影响较大，不尽人意。其他传统的导航方式也存在着稳定性差或者维护成本高等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于人工路标的室内机器人导航方法及装置，实现了在室内复杂环境下的精确导航。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于人工路标的室内机器人导航装置，包括：设置在室内天花板上的人工路标，以及设置在机器人内部的人机交互管理模块、运动控制模块、地图管理与路径规划模块、图像采集与处理模块；其中：
人机交互管理模块，用于实现人机交互的通讯、配置和管理；在初始阶段，由用户通过人机交互管理模块输入目标位置，所述人机交互管理模块将输入的目标位置传输给地图管理与路径规划模块；
地图管理与路径规划模块，用于室内地图的构建以及机器人走行至目标位置的路径规划；所构建的室内地图中各个人工路标的位置信息与设置在室内天花板上的人工路标位置信息一致；
图像采集与处理模块，用于采集设置在室内天花板上的人工路标的图像，并根据所采集到的人工路标的图像获取机器人的当前位置；
所述运动控制模块，用于根据地图管理与路径规划模块规划的路径，以及图像采集与处理模块获取的机器人的当前位置来调整机器人的姿态和控制其运动状态，使机器人朝着目标位置运动。
进一步的，该装置还包括：安全报警模块，用于定时检测机器人自身的安全状态，当发生异常时执行相应的报警处理。
进一步的，所述设置在室内天花板上的人工路标为黑白相间的多圆环编码图标或者带有黑色圆环形轮廓的字母图标；
其中，黑白相间的多圆环编码图标是一组宽度相等黑白相间，最外层是黑色的多圆环编码图标，在圆环宽度不变的情况下，增加圆环数即可增加编码的位数使得每个多圆环编码图标的人工路标都可以识别为一组唯一的编码，从而标识不同的位置信息；
带有黑色圆环形轮廓的字母图标由外部黑色环形轮廓及黑色环形轮廓内的英文字母组成；英文字母共26个，用于标识不同的位置信息。
进一步的，所述图像采集与处理模块，用于采集设置在室内天花板上的人工路标的图像，并根据所采集到的人工路标的图像获取机器人的当前位置包括：
所述图像采集与处理模块采集设置在室内天花板上的人工路标的图像后，若所述人工路标为黑白相间的多圆环编码图标，则进行灰度与二值化处理再利用霍夫找圆算法计算多圆环编码图标的圆心和半径，依次将黑色圆环区域被识别为1，白色圆环区域被识别为0，从而确定多圆环编码图标的编码，再利用该编码在所构建的室内地图中进行查询，从而获得取机器人的当前位置；
若所述人工路标为黑色圆环形轮廓的字母图标，则识别出相应的字母图标后，在所构建的室内地图中进行查询，从而获得取机器人的当前位置。
一种基于人工路标的室内机器人导航方法，包括：
构建室内地图，该室内地图中各个人工路标的位置信息与预先设置在室内天花板上的人工路标位置信息一致；
当确定目标位置后，进行路径规划，并按照规划后的路径运动；
在运动过程中实时扫描室内天花板，当扫描区域包含人工路标时，根据所采集到的人工路标的图像获取机器人的当前位置；
根据所规划的路径以及机器人的当前位置来调整机器人的姿态和控制其运动状态，使机器人朝着目标位置运动。
进一步的，该方法还包括：定时检测机器人自身的安全状态，当发生异常时执行相应的报警处理。
进一步的，预先设置在室内天花板上的人工路标为黑白相间的多圆环编码图标或者带有黑色圆环形轮廓的字母图标；
其中，黑白相间的多圆环编码图标是一组宽度相等黑白相间，最外层是黑色的多圆环编码图标，在圆环宽度不变的情况下，增加圆环数即可增加编码的位数使得每个多圆环编码图标的人工路标都可以识别为一组唯一的编码，从而标识不同的位置信息；
带有黑色圆环形轮廓的字母图标由外部黑色环形轮廓及黑色环形轮廓内的英文字母组成；英文字母共26个，用于标识不同的位置信息。
进一步的，所述根据所采集到的人工路标的图像获取机器人的当前位置包括：
当采集到室内天花板上的人工路标的图像后，若所述人工路标为黑白相间的多圆环编码图标，则进行灰度与二值化处理再利用霍夫找圆算法计算多圆环编码图标的圆心和半径，依次将黑色圆环区域被识别为1，白色圆环区域被识别为0，从而确定多圆环编码图标的编码，再利用该编码在所构建的室内地图中进行查询，从而获得取机器人的当前位置；
若所述人工路标为黑色圆环形轮廓的字母图标，则识别出相应的字母图标后，在所构建的室内地图中进行查询，从而获得取机器人的当前位置。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，基于人工路标实现室内导航，具有着自主导航、抗干扰能力强、无轨迹移动等优点，也通过对人工路标识别进行定位校准来克服了目前大多数导航方式定位精度差的问题，提高了室内导航的精确度，改善了室内导航的合理性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于人工路标的室内机器人导航装置的示意图；
图2为本发明实施例提供的黑白相间的多圆环编码图标示意图；
图3为本发明实施例提供的带有黑色圆环形轮廓的字母图标示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于人工路标的室内机器人导航方法的流程图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
图1为本发明实施例提供的一种基于人工路标的室内机器人导航装置的示意图。如图1所示，该装置主要包括：设置在室内天花板上的人工路标，以及设置在机器人内部的人机交互管理模块、运动控制模块、地图管理与路径规划模块、图像采集与处理模块；其中：
人机交互管理模块，用于实现人机交互的通讯、配置和管理；在初始阶段，由用户通过人机交互管理模块输入目标位置，所述人机交互管理模块将输入的目标位置传输给地图管理与路径规划模块；
地图管理与路径规划模块，用于室内地图的构建以及机器人走行至目标位置的路径规划；所构建的室内地图中各个人工路标的位置信息与设置在室内天花板上的人工路标位置信息一致；
图像采集与处理模块，用于采集设置在室内天花板上的人工路标的图像，并根据所采集到的人工路标的图像获取机器人的当前位置；
所述运动控制模块，用于根据地图管理与路径规划模块规划的路径，以及图像采集与处理模块获取的机器人的当前位置来调整机器人的姿态和控制其运动状态，使机器人朝着目标位置运动。
本发明实施例中，所述人工路标均固定于室内天花板上，选择在这样的位置固定，机器人距离人工路标高度固定，易识别、抗干扰、不易遭到脏污或人为破坏的特点。
优选的，该装置还包括：安全报警模块，用于定时检测机器人自身的安全状态，当发生异常时执行相应的报警处理。
本发明实施例中，所述设置在室内天花板上的人工路标为黑白相间的多圆环编码图标或者带有黑色圆环形轮廓的字母图标；
如图2所示，为黑白相间的多圆环编码图标示意图；黑白相间的多圆环编码图标是一组宽度相等黑白相间，最外层是黑色的多圆环编码图标，在圆环宽度不变的情况下，增加圆环数即可增加编码的位数使得每个多圆环编码图标的人工路标都可以识别为一组唯一的编码，从而标识不同的位置信息。
如图3所示，为带有黑色圆环形轮廓的字母图标示意图；带有黑色圆环形轮廓的字母图标由外部黑色环形轮廓及黑色环形轮廓内的英文字母组成；英文字母共26个，用于标识不同的位置信息。
本发明实施例中，室内各个位置的位置信息与对应的人工路标的编码或者字母信息均预先存储在机器人数据库内。
本发明实施例中，所述图像采集与处理模块采集设置在室内天花板上的人工路标的图像后，若所述人工路标为黑白相间的多圆环编码图标，则进行灰度与二值化处理再利用霍夫找圆算法计算多圆环编码图标的圆心和半径，依次将黑色圆环区域被识别为1，白色圆环区域被识别为0，从而确定多圆环编码图标的编码，再利用该编码在所构建的室内地图中进行查询，从而获得取机器人的当前位置；示例性的，图2所示的多圆环编码图标的编码为0101。
若所述人工路标为黑色圆环形轮廓的字母图标，则识别出相应的字母图标后，在所构建的室内地图中进行查询，从而获得取机器人的当前位置。
本发明实施例中，不仅可以通过人工路标可以实现室内导航，还可以通过对人工路标识别进行定位校准，来对对机器人运动轨迹的整体控制和细节调整。所谓整体控制是指：电子地图形成后，机器人一旦接收到了目的地的位置信息，便知道了自己目的地的行进方向，其自身携带的方向传感器便会调节机器人自身操着目的地方向运动，这就是机器人对自己运动轨迹的整体控制。所谓的细节调整是指，机器人在经过每一个目标位置时，都会对自身的运动方向进行细微的调整。机器人根据人工路标中心点坐标与图像中心点坐标偏转角度和距离的关系，调整机器人运动，使图像中心点与人工路标中心尽可能重合，使机器人尽可能运动到人工路标的正下方，这样确保朝着当前方向前进可以达到下一目标位置，一步步朝着目标位置运动。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
本发明另一实施例还提供一种基于人工路标的室内机器人导航方法，如图4所示，其主要包括如下：
步骤41、构建室内地图，该室内地图中各个人工路标的位置信息与预先设置在室内天花板上的人工路标位置信息一致。
步骤42、当确定目标位置后，进行路径规划，并按照规划后的路径运动。
步骤43、在运动过程中实时扫描室内天花板，当扫描区域包含人工路标时，根据所采集到的人工路标的图像获取机器人的当前位置。
步骤44、根据所规划的路径以及机器人的当前位置来调整机器人的姿态和控制其运动状态，使机器人朝着目标位置运动。
优选的，该方法还包括：定时检测机器人自身的安全状态，当发生异常时执行相应的报警处理。
本发明实施例中，预先设置在室内天花板上的人工路标为黑白相间的多圆环编码图标或者带有黑色圆环形轮廓的字母图标；
其中，黑白相间的多圆环编码图标是一组宽度相等黑白相间，最外层是黑色的多圆环编码图标，在圆环宽度不变的情况下，增加圆环数即可增加编码的位数使得每个多圆环编码图标的人工路标都可以识别为一组唯一的编码，从而标识不同的位置信息；
带有黑色圆环形轮廓的字母图标由外部黑色环形轮廓及黑色环形轮廓内的英文字母组成；英文字母共26个，用于标识不同的位置信息。
本发明实施例中，所述根据所采集到的人工路标的图像获取机器人的当前位置包括：
当采集到室内天花板上的人工路标的图像后，若所述人工路标为黑白相间的多圆环编码图标，则进行灰度与二值化处理再利用霍夫找圆算法计算多圆环编码图标的圆心和半径，依次将黑色圆环区域被识别为1，白色圆环区域被识别为0，从而确定多圆环编码图标的编码，再利用该编码在所构建的室内地图中进行查询，从而获得取机器人的当前位置；
若所述人工路标为黑色圆环形轮廓的字母图标，则识别出相应的字母图标后，在所构建的室内地图中进行查询，从而获得取机器人的当前位置。
需要说明的是，上述方法是基于前述装置所实现的，装置的具体功能及实现方式在前面的实施例中已经有详细描述，故在这里不再赘述。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种基于人工路标的室内机器人导航装置，其特征在于，包括：设置在室内天花板上的人工路标，以及设置在机器人内部的人机交互管理模块、运动控制模块、地图管理与路径规划模块、图像采集与处理模块；其中：
人机交互管理模块，用于实现人机交互的通讯、配置和管理；在初始阶段，由用户通过人机交互管理模块输入目标位置，所述人机交互管理模块将输入的目标位置传输给地图管理与路径规划模块；
地图管理与路径规划模块，用于室内地图的构建以及机器人走行至目标位置的路径规划；所构建的室内地图中各个人工路标的位置信息与设置在室内天花板上的人工路标位置信息一致；
图像采集与处理模块，用于采集设置在室内天花板上的人工路标的图像，并根据所采集到的人工路标的图像获取机器人的当前位置；
所述运动控制模块，用于根据地图管理与路径规划模块规划的路径，以及图像采集与处理模块获取的机器人的当前位置来调整机器人的姿态和控制其运动状态，使机器人朝着目标位置运动。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括：安全报警模块，用于定时检测机器人自身的安全状态，当发生异常时执行相应的报警处理。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述设置在室内天花板上的人工路标为黑白相间的多圆环编码图标或者带有黑色圆环形轮廓的字母图标；
其中，黑白相间的多圆环编码图标是一组宽度相等黑白相间，最外层是黑色的多圆环编码图标，在圆环宽度不变的情况下，增加圆环数即可增加编码的位数使得每个多圆环编码图标的人工路标都可以识别为一组唯一的编码，从而标识不同的位置信息；
带有黑色圆环形轮廓的字母图标由外部黑色环形轮廓及黑色环形轮廓内的英文字母组成；英文字母共26个，用于标识不同的位置信息。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述图像采集与处理模块，用于采集设置在室内天花板上的人工路标的图像，并根据所采集到的人工路标的图像获取机器人的当前位置包括：
所述图像采集与处理模块采集设置在室内天花板上的人工路标的图像后，若所述人工路标为黑白相间的多圆环编码图标，则进行灰度与二值化处理再利用霍夫找圆算法计算多圆环编码图标的圆心和半径，依次将黑色圆环区域被识别为1，白色圆环区域被识别为0，从而确定多圆环编码图标的编码，再利用该编码在所构建的室内地图中进行查询，从而获得取机器人的当前位置；
若所述人工路标为黑色圆环形轮廓的字母图标，则识别出相应的字母图标后，在所构建的室内地图中进行查询，从而获得取机器人的当前位置。
5.一种基于人工路标的室内机器人导航方法，其特征在于，包括：
构建室内地图，该室内地图中各个人工路标的位置信息与预先设置在室内天花板上的人工路标位置信息一致；
当确定目标位置后，进行路径规划，并按照规划后的路径运动；
在运动过程中实时扫描室内天花板，当扫描区域包含人工路标时，根据所采集到的人工路标的图像获取机器人的当前位置；
根据所规划的路径以及机器人的当前位置来调整机器人的姿态和控制其运动状态，使机器人朝着目标位置运动。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法还包括：定时检测机器人自身的安全状态，当发生异常时执行相应的报警处理。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，预先设置在室内天花板上的人工路标为黑白相间的多圆环编码图标或者带有黑色圆环形轮廓的字母图标；
其中，黑白相间的多圆环编码图标是一组宽度相等黑白相间，最外层是黑色的多圆环编码图标，在圆环宽度不变的情况下，增加圆环数即可增加编码的位数使得每个多圆环编码图标的人工路标都可以识别为一组唯一的编码，从而标识不同的位置信息；
带有黑色圆环形轮廓的字母图标由外部黑色环形轮廓及黑色环形轮廓内的英文字母组成；英文字母共26个，用于标识不同的位置信息。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所采集到的人工路标的图像获取机器人的当前位置包括：
当采集到室内天花板上的人工路标的图像后，若所述人工路标为黑白相间的多圆环编码图标，则进行灰度与二值化处理再利用霍夫找圆算法计算多圆环编码图标的圆心和半径，依次将黑色圆环区域被识别为1，白色圆环区域被识别为0，从而确定多圆环编码图标的编码，再利用该编码在所构建的室内地图中进行查询，从而获得取机器人的当前位置；
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