CN110345937A - 一种基于二维码的导航定姿定位方法和*** - Google Patents

一种基于二维码的导航定姿定位方法和*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于二维码的导航定姿定位方法和***，所属导航定姿定位方法包括以下步骤：(1)设置若干个二维码；(2)单目相机拍摄到二维码；(3)对拍摄到的二维码进行IPM映射；(4)获取该二维码在世界坐标系中的位置、姿态角和几何尺寸信息；计算出单目相机在二维码坐标系中的位置和姿态角；(5)计算出单目相机在世界坐标系中的位置和姿态角，实现定位和定姿。本发明通过使用二维码，再增加从二维码中提取的位置信息和姿态角信息，不仅能够实现对自动驾驶汽车和移动机器人等装置的三维定位和定姿，且易于实现，成本低廉。

Description

一种基于二维码的导航定姿定位方法和***
技术领域
本发明涉及导航定姿定位技术领域，特别涉及一种基于二维码的导航定姿定位方法和***。
背景技术
自动驾驶汽车和机器人必须知道自身的位置和姿态角，才能实现可控制的移动。目前自动驾驶汽车和移动机器人普遍使用激光扫描雷达、摄像头传感器和同时定位和建图(Simultaneous Location And Mapping，SLAM)算法实现车辆和机器人的定位和定姿，再增加全球导航定姿定位卫星***(Global Navigation Satellite System，GNSS)和惯性导航协助。激光扫描雷达精度较高，但成本也很高，不适应于大规模商业化应用。由于车辆和机器人周围的环境的动态特征，SLAM算法也并不可靠。全球导航卫星***也容易受到遮挡，在室内或者隧道内完全不能定位。惯性导航也不能长时间的保存车辆的位置和姿态信息，在失去复杂环境下定位和定姿的精度。
目前，二维码定位已经被广泛用于室内自动导航车辆(Automatic GuidedVehicle，AGV)的定位和定姿。通常二维码是贴在地板上，当安装在车辆底部的摄像头拍到二维码时，AGV根据二维码上的信息计算出自己的平面位置(x,y)和偏航角(θ)。这个方法对于室内封闭环境的AGV非常实用，但它并不能扩展到自动驾驶汽车。首先，在开放环境下，比如室外道路，地面的二维码很容易被车轮和人类活动污染，失去导航定姿定位的能力。其次，该方法只能定出AGV的二维位置坐标和偏航角。但是，自动驾驶汽车和移动机器人并不限于在水平的地面上行驶。因此，有必要提出一种新的基于二维码的导航定姿定位方法和***，能够计算出自动驾驶汽车或者机器人等装置在任何时间的三维空间位置(x，y，z)和三个姿态角(俯仰角、偏航角、滚动角)，实现三维定位。
可见，现有技术还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于二维码的导航定姿定位方法和***，旨在解决现有技术中基于二维码的导航定姿定位方法只能进行二维定位的技术问题。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种基于二维码的导航定姿定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设置若干个二维码；
(2)单目相机拍摄到二维码；
(3)对拍摄到的二维码进行逆透视映射；
(4)获取该二维码在世界坐标系中的位置、姿态角和几何尺寸信息；计算出单目相机在二维码坐标系中的位置和姿态角；
(5)计算出单目相机在世界坐标系中的位置和姿态角，实现定位和定姿。
进一步地，所述的基于二维码的导航定姿定位方法中，每个二维码分别设置有位置标识符、时间标识符和拟合标识符。
进一步地，所述的基于二维码的导航定姿定位方法中，步骤(3)中，拍摄到的二维码的二维像素空间和世界坐标满足逆透视映射关系；所述逆透视映射和世界坐标到单目相机坐标的三维平移和三轴转动相关。
进一步地，所述的基于二维码的导航定姿定位方法中，单目相机到二维码的距离利用二维码的大小，焦距和二维码的成像大小计算得到。
进一步地，所述的基于二维码的导航定姿定位方法中，单目相机在世界坐标系中的三维位置和三轴姿态角可以通过二维码在物理空间的位置和姿态角，以及单目相机到二维码的平移和转动角计算得到。
本发明提供一种基于二维码的导航定姿定位***，包括：
若干个二维码，每个二维码分别包含该二维码在世界坐标系中的位置、姿态角和几何尺寸信息；
至少一个单目相机，用于拍摄所述的二维码；
计算机，用于将单目相机拍摄到的二维码进行IPM映射，并计算出单目相机在世界坐标系中的位置和姿态角。
进一步地，所述的基于二维码的导航定姿定位***中，每个二维码在世界坐标系中的位置、姿态角和几何尺寸信息保存在该二维码的数字信息中，或者保存在计算机中。
进一步地，所述的基于二维码的导航定姿定位***中，所述二维码用于设置在地面或者建筑物上。
进一步地，所述的基于二维码的导航定姿定位***中，通过使用SLAM算法，与激光扫描雷达实现组合导航。
进一步地，所述的基于二维码的导航定姿定位***中，通过与惯性导航耦合，实现组合导航。
有益效果：本发明提供了一种基于二维码的导航定姿定位方法和***，相比现有技术本发明通过使用二维码，再增加从二维码中提取的位置信息和姿态角信息，实现对自动驾驶汽车和移动机器人等装置的三维定位(x,y,z)和三轴姿态角(俯仰角、偏航角和滚动角)测量、以便和惯性导航、计算机视觉定位进行耦合，实现定位和定姿。相比现有技术中的激光扫描雷达，本发明主要使用摄像头和同一个位置的一个或者多个二维码，简洁廉价，能够实现廉价的自动驾驶汽车的三维定位和定姿。
附图说明
图1为可应用于本发明的一种二维码的结构示意图。
图2为可应用于本发明提的另一种二维码的结构示意图。
图3为单目镜头拍摄已知物体大小的三角定位的示意图。
图4为拍摄到的一个二维码的示意图像。
图5为提图4所示的二维码的IPM变换参数，恢复后的二维码的图像。
图6为本发明提供的基于二维码的导航定姿定位方法的一个实施例的流程简图。
图7为本发明提供的基于二维码的导航定姿定位方法的另一个实施例的流程简图。
具体实施方式
本发明提供一种基于二维码的导航定姿定位方法和***，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下结合实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种基于二维码的导航定姿定位方法，包括以下步骤：
(1)设置若干个二维码；
(2)单目相机拍摄到二维码；
(3)对拍摄到的二维码进行逆透视映射(即：IPM，Inverse PerspectiveMapping)；
(4)获取该二维码在世界坐标系中的位置、姿态角和几何尺寸信息；计算出单目相机在二维码坐标系中的位置和姿态角；
(5)计算出单目相机在世界坐标系中的位置和姿态角，实现定位和定姿。
上述步骤(1)中二维码设置在导航的路径中，不限定二维码的具体个数。上述单目相机的焦距、畸变参数等均为事先确定。上述“二维码在世界坐标系中的位置、姿态角和几何尺寸信息”可以是经纬高和二维码表面的法向矢量在东北天坐标系下的位置、二维码的大小等信息。实际使用时，单目相机用于安装在自动驾驶汽车(或移动机器人等其他需要导航的装置上)，单目相机在世界坐标系中的位置和姿态角被确定后，也即对自动驾驶汽车(或移动机器人等其他需要导航的装置上)实现定位和定姿。
图1示出了一种二维码的形式，每个二维码分别设置有位置标识符(PositionPatterns)、时间标识符(Timing Patterns)和拟合标识符(Alignment Patterns)；它们用来提取二维码相对于照单目相机的姿态角(通常用转动欧拉角代表)，和平移矢量。
实际应用中，二维码可以有多种格式。图2示出了另一种二维码的形式，在二维码的左上角、右上角和左下角带有嵌套圆环的位置标识符，以及在右下角的S字母；在单目相机和二维码处在不同距离和不同角度下，它们也可以用来提取单目相机和二维码之间的相对距离和相对转动角。
步骤(3)中，拍摄到的二维码的二维像素空间和世界坐标满足逆透视映射关系；所述逆透视映射和世界坐标到单目相机坐标的三维平移和三轴转动相关。具体地，拍摄到的二维码的二维像素空间和三维物理空间中一个点P的坐标的IPM映射关系为：
其中，Z为点P在单目相机坐标系中Z轴位置分量(即：单目相机和二维码中心位置的距离)；u，v为二维像素坐标；fx为x轴上的焦距，fy为y轴上的焦距，cx为x轴上的平移，cy为y轴上的平移；R为单目相机坐标系到物理坐标系的三维转动矩阵；Pw为点P在世界坐标系中的坐标值；t为单目相机坐标系到世界坐标系的三个方向的平移矢量；K为IPM变换矩阵；T为世界坐标系到单目相机坐标系之间的旋转和平移矩阵。
单目相机到二维码的距离(即，公式(1)中的Z)利用二维码的大小，焦距和二维码的成像大小计算得到。具体地，上述Z可以通过三角定位的方法(请参阅图3)计算得到，具体按以下公式计算：
其中，f为单目相机的焦距，D为二维码的几何大小，d为二维码的成像大小。由于二维码的大小D(如，两个对角定的位置标识的距离)以及单目相机的焦距是事先确定的，因此可以计算得出Z。
实际应用中，当二维码并不在单目相机的正前方、二维码也不是正面向上时(如图4所示拍摄到的二维码图像)，二维码的位置标识符可以用来提取单目相机相对于二维码的转动和平移矢量；它们代表单目相机相对二维码转动的3个欧拉角和3个方向的平移共6个IPM参数。这6个参数确定了2维图像坐标到3维二维码坐标之间的IPM映射(即：逆透视映射)。经过IPM映射的图像恢复了正面没有透视畸变的二维码(如图5所示的二维码图像)，可用于解码读取二维码的信息。需要说明的是，快速在图像中找到二维码的定位标识符、拟合标识符并使用它们来校准二维码本身是成熟的技术，而本发明的创新点是使用这些标识符提取二维码和单目相机之间的转动和平移矢量，用于计算单目相机相对于二维码中心的位移和姿态角。
进一步地，单目相机在世界坐标系中的三维位置和三轴姿态角可以通过二维码在物理空间的位置和姿态角，以及单目相机到二维码的平移和转动角计算得到。具体地，单目相机在世界坐标系中的位置和姿态角可以通过以下公式计算：
其中，和均为矩阵(优选为4×4矩阵)。矩阵表示单目相机在世界坐标系中的位置和姿态角；矩阵表示单目相机在二维码坐标系中的位置和姿态角；矩阵表示二维码在世界坐标系中的位置、姿态角。
实际应用中，通过对拍摄的二维码进行IPM映射，计算出单目相机在二维码坐标系中的位置和姿态角，从而构建矩阵而提取出二维码所包含该二维码在世界坐标系中的位置、姿态角和几何尺寸信息，用于构建矩阵从而计算出矩阵
当使用时4×4矩阵表示单目相机相对于世界坐标的转动和平移，可以构建如下：
其中，为3x3的正交矩阵，表示单目相机相对于世界坐标系的转动姿态角；表示单目相机相对于世界坐标系x、y、z方向上的平移分量。
本发明提供一种基于二维码的导航定姿定位***，包括：
若干个二维码，每个二维码分别包含该二维码在世界坐标系中的位置、姿态角和几何尺寸信息；
至少一个单目相机，用于拍摄所述的二维码；
计算机，用于将单目相机拍摄到的二维码进行IPM映射，并计算出单目相机在世界坐标系中的位置和姿态角。
本发明中，每个二维码在世界坐标系中的位置、姿态角和几何尺寸信息保存在该二维码的数字信息中，或者保存在计算机(或者服务器)中。
实际应用中，所述二维码用于设置在地面或者建筑物上；此处所述的设置在建筑物上可以是设置在墙壁上、天桥上、车道旁的街道上，以及其他位置等。
自动驾驶汽车和移动机器人可以在一个很大范围内活动。照单目相机如果和二维码距离比较大，尺寸较小的二维码可能无法识别。为了解决这个问题，实际使用中可以使用大小不一的二维码，即：在可能离单目相机较远的地方，设置尺寸大的二维码；在离单目相机较近的地方，设置尺寸较小的二维码。
实际应用中，本发明所述的基于二维码的导航定姿定位***还可以组合别的成熟的导航技术，比如惯性导航、卫星导航、视觉和激光同时定位和建图(simultaneouslocation and mapping,SLAM)、自动驾驶汽车的车轮编码器导航等方法进一步提高定位的精度、扩大适用范围。本发明的扩展二维码定位***，为别的导航定姿定位***提供测量信息，测量信息可以使用卡尔曼滤波器测量修正车辆位置和车辆姿态角，或者是非线性优化车辆位置和姿态角信息，使得测量误差最小，达到定位定姿态角的目的。包括但不限于以下情况：
(1)所述的基于二维码的导航定姿定位***，使用卡尔曼滤波器和别的导航***实现组合导航。
(2)所述的基于二维码的导航定姿定位***，使用非线性最优化方法，修正车辆的位置和姿态角，和别的导航***实现组合导航。
(3)所述的基于二维码的导航定姿定位***和惯性导航耦合，实现组合导航。
(4)所述的基于二维码的导航定姿定位***激光扫描雷达，使用SLAM算法，实现组合导航。
(5)所述的基于二维码的导航定姿定位和***视觉(或者立体视觉)使用SLAM算法，实现组合导航。
(6)导航定姿定位***和卫星导航耦合，实现组合导航。
(7)所述的基于二维码的导航定姿定位***和惯性导航、激光扫描雷达，使用SLAM算法，实现组合导航。
(8)所述的基于二维码的导航定姿定位***和惯性导航、视觉或者是立体视觉，使用SLAM算法，实现组合导航。
(9)所述的基于二维码的导航定姿定位***和惯性导航、使用SLAM算法的视觉或者是立体视觉、卫星导航，实现组合导航。
(10)所述的基于二维码的导航定姿定位***和惯性导航、使用SLAM算法的激光扫描雷达、卫星导航，实现组合导航。
(11)所述的基于二维码的导航定姿定位***和惯性导航、使用SLAM算法的激光扫描雷达、使用SLAM算法的视觉或者是立体视觉、卫星导航，实现组合导航。
上述各种组合导航中均应用到本发明所述的基于二维码的导航定姿定位方法和***，因此，均落入本发明的保护范围内。
请继续参阅图6，图6为基于二维码的导航定姿定位***的工作流程简图，其中，每个二维码在世界坐标系中的位置、姿态角和几何尺寸信息保存在该二维码的数字信息中。流程简述如下：开始导航；导航软件一直搜索单目相机拍摄的图像，寻找二维码；当发现二维码以后，导航软件试图提取照单目相机的外参，也就是单目相机相对于二维码的转动和位移(其中位移参数缺乏标度，所以位移有一个未知的标度乘子)。如果6个IPM参数被成功提取，将对拍摄到的二维码进行IPM映射，转换二维码到正面的物理空间，消掉透视误差。然后再对二维码进行解码，并提取嵌入在二维码中的二维码空间坐标、姿态角以及本二维码的尺度。这个二维码的尺度信息可以用来确定前面IPM变换的标度乘子，因此各个转动和位移参数都可以提取出来，实现车辆的定位。然后再寻找照单目相机拍到的下一个二维码，直到导航结束。
请参阅图7，在另一实施例中，每一个二维码在世界坐标系的位置，姿态角和尺寸信息保存在自动驾驶汽车的导航计算机上，或者是通过网络保存在导航服务器上。其流程与上图6类似，不同处在于，单目相机拍摄到一个二维码时，导航软件可以根据二维码的唯一标识号，从计算机上或者是导航服务器上获取该二维码在世界坐标系的位置，姿态角和尺寸信息。
上述“导航软件”本身是现有技术，此处不作限定。
通过上述分析可知，本发明通过使用二维码，再增加从二维码中提取的位置信息和姿态角信息，实现对自动驾驶汽车和移动机器人等装置的三维定位(x,y,z)和三轴姿态角(俯仰角、偏航角和滚动角)测量、以便和惯性导航、计算机视觉定位进行耦合，实现定位和定姿。相比现有技术中的激光扫描雷达，本发明主要使用摄像头和同一个位置的一个或者多个二维码，简洁廉价，能够实现廉价的自动驾驶汽车的三维定位和定姿。此外，本发明所述的导航定姿定位方法中如果只提取自动驾驶汽车的二维位置坐标(x，y)和一个欧拉角(偏航角),也可以实现平面上的二维定位。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于二维码的导航定姿定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设置若干个二维码；
(2)单目相机拍摄到二维码；
(3)对拍摄到的二维码进行逆透视映射；
(4)获取该二维码在世界坐标系中的位置、姿态角和几何尺寸信息；计算出单目相机在二维码坐标系中的位置和姿态角；
(5)计算出单目相机在世界坐标系中的位置和姿态角，实现定位和定姿。
2.根据权利要求1所述的基于二维码的导航定姿定位方法，其特征在于，每个二维码分别设置有位置标识符、时间标识符和拟合标识符。
3.根据权利要求1所述的基于二维码的导航定姿定位方法，其特征在于，步骤(3)中，拍摄到的二维码的二维像素空间和世界坐标满足逆透视映射关系；所述逆透视映射和世界坐标到单目相机坐标的三维平移和三轴转动相关。
4.根据权利要求3所述的基于二维码的导航定姿定位方法，其特征在于，单目相机到二维码的距离利用二维码的大小，焦距和二维码的成像大小计算得到。
5.根据权利要求1所述的基于二维码的导航定姿定位方法，其特征在于，单目相机在世界坐标系中的三维位置和三轴姿态角可以通过二维码在物理空间的位置和姿态角，以及单目相机到二维码的平移和转动角计算得到。
6.一种基于二维码的导航定姿定位***，其特征在于，包括：
若干个二维码，每个二维码分别包含该二维码在世界坐标系中的位置、姿态角和几何尺寸信息；
至少一个单目相机，用于拍摄所述的二维码；
计算机，用于将单目相机拍摄到的二维码进行逆透视映射，并计算出单目相机在世界坐标系中的位置和姿态角。
7.根据权利要求6所述的基于二维码的导航定姿定位***，其特征在于，每个二维码在世界坐标系中的位置、姿态角和几何尺寸信息保存在该二维码的数字信息中，或者保存在计算机中。
8.根据权利要求6所述的基于二维码的导航定姿定位***，其特征在于，所述二维码用于设置在地面或者建筑物上。
9.根据权利要求6所述的基于二维码的导航定姿定位***，其特征在于，通过使用SLAM算法，与激光扫描雷达实现组合导航。
10.根据权利要求6所述的基于二维码的导航定姿定位***，其特征在于，通过与惯性导航耦合，实现组合导航。
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