CN111780715A - 一种视觉测距方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种视觉测距方法，包括带摄像头的移动机器人，并包括如下步骤：1、机器人创建摄像头特征数据库；2、机器人工作时，通过摄像头定焦或变焦方式拍摄一个已知大小的导航标志；3、机器人从图片中识别出导航标志，并测量出图片中导航标志大小；4、机器人根据导航标志已知尺寸、图片中导航标志大小，通过定焦或变焦方式下，机器人与导航标志之间不同距离和图片中导航标志大小的对应关系表，计算得出机器人与导航标志的距离。本发明能够精确测量机器人或机械手与目标物的距离，通过简单可靠的测距方法，控制机器人在执行任务时能够随时定位自己所处位置，能够稳定可靠地走到目标点完成任务。

Description

一种视觉测距方法
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其是一种视觉测距方法。
背景技术
定位技术是移动机器人的一项关键技术。机器人在执行任务过程中需要实时定位，以满足机器人控制要求。常见的GPS定位误差比较大，定位误差一般至少在1米以外，在很多需要精确定位的场合，比如机器人在工业物流运输、巡检时、或者机器人抓取与自身距离不确定的一个物体时，这个误差显然不能满足要求。因此，通过测量机器人与导航标志、或机械手与目标物之间的距离，从而为机器人或机械手行动提供定位数据，具有重要意义。目前，常见的测距方法有：超声波测距、激光测距以及视觉测距等。
(1)超声波测距和激光测距
超声波测距和激光测距都是通过测量发射源发射与返回之间的时间差来计算被测物体与传感器之间的距离。但超声波测距发散角比较宽，目标周围存在与发射地更近的物体时，超声波就只能测量目标周围更近的物体距离，而无法测量目标的距离。激光测距视角过窄，要精确定位保持激光发射到目标，机器人运动中要保持这个特性，基本没有可行性，另外常规激光测距装置时延较长，机器人在运动中，根本无法获取实时的距离信息，如果定制高速的激光测距装置，价格昂贵，成本较高。在现实中，通常采用激光雷达来获取距离，但激光雷达本身就是通过牺牲定位精度来换取测距速度，所以精度不是非常高，特别是对远处目标测距时，误差更大。
(2)视觉测距
基于视觉的测距方法通常有单目视觉测距和多目视觉测距两种方式。
专利CN109544633A目标测距方法、装置及设备公开了一种单目视觉测距方法，该方法利用单目相机拍摄得到交通目标，通过读取单目相机的内参和外参，并从预设的标准中读取交通目标的尺寸，然后计算交通目标与基准目标的距离。但由于即使相同规格的相机，由于制造上的原因，在同一个位置拍摄的图片，也会存在差异，这个差异在对定位要求高的场合，比如定位误差在厘米甚至毫米级时，这个差异本身就会超出误差容许范围。因此，通过读取相机的内参(相机的内参矩阵、畸变参数)、外参(相对其他坐标系的参数)，在精确测距时，无法满足要求。
专利CN109029363A公开了一种基于深度学习的目标测距方法，建立不同距离下的目标数据库，搭建目标测距模型，设计目标测距模型的损失函数，设计目标测距模型的训练方法，测试训练好的目标测距模型。将目标测距问题转化为回归问题融入目标检测算法模型，从而在一个算法模型中实现目标检测与目标测距。但根据其说明书，这个方法最佳结果是实现了和双目摄像头的测距精度，其1-5米的测距误差在1.2％到4.6％，这在机器人和机械手定位厘米或毫米级的误差要求，相差几倍甚至10倍。
专利CN108508897A公开了一种基于视觉的机器人自动充电对准***及方法，该方法在充电座上安装主动式视觉引导装置，该视觉引导装置上安装有发射可见光或红外光的光源，在移动机器人充电端安装普通相机，通过相机捕捉图像中的引导标记，根据标记位置及视觉特征计算得到机器人相对充电座的位置及大致角度，然后采用对准运动控制算法使机器人准确对齐充电座。该专利方法中光源容易损坏导致方法失效，而且该方法计算得到的是机器人相对充电座的位置和大致角度，并非准确距离。
专利CN108279685A公开了一种基于视觉跟随的搬运小车及工作方法，该方法权利要求2中提到自动跟随模式采用的是视觉跟随采用模块匹配的方法来判断使用者和搬运小车的距离，控制器将摄像头实时获取的LOGO图像与标准LOGO 图像匹配。由于工作服上LOGO会有变形，LOGO尺寸一般也较小，也没有结合摄像头特征对LOGO尺寸测量，这样，跟随过程中，无法精确控制相互之间的距离。
综上所述，本领域针对测量机器人或机械手与目标物的精确距离，缺少简单可靠的测距方法，以控制机器人在执行任务时能够随时定位自己所处位置，并知道如何行走能稳定可靠地走到目标点完成任务。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种视觉测距方法，能够准确的知道自己的当前位置与目标位置的距离，能够稳定可靠运动到目标位置完成任务。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种视觉测距方法，包括带摄像头的移动机器人，并包括如下步骤：
1、机器人创建摄像头特征数据库，所述摄像头特征数据库，是机器人在摄像头定焦方式下，从不同距离拍摄已知尺寸的导航标志图片，或机器人在摄像头变焦方式下，从不同距离拍摄已知尺寸的导航标志图片；机器人从图片中识别出导航标志，测量图片中导航标志的大小；建立定焦或变焦方式下，机器人与导航标志之间不同距离和图片中导航标志大小的对应关系表；
2、机器人工作时，通过摄像头定焦或变焦方式拍摄一个已知大小的导航标志；
3、机器人从图片中识别出导航标志，并测量出图片中导航标志大小；
进一步地说，步骤3所述机器人从图片中识别出导航标志，并测量出图片中导航标志大小，是指机器人从图片中提取导航标志的关键特征，并计算出关键特征在图片中的大小。
4、机器人根据导航标志已知尺寸、图片中导航标志大小，通过定焦或变焦方式下，机器人与导航标志之间不同距离和图片中导航标志大小的对应关系表，计算得出机器人与导航标志的距离。
进一步地说，机器人根据导航标志的已知尺寸、图片中测量出的导航标志关键特征的大小，在已知焦距下，通过机器人与导航标志之间不同距离和图片中导航标志大小的对应关系表，计算出机器人与导航标志的距离。
在上述技术方案中，优选的，所述机器人在摄像头定焦或变焦方式，从不同距离拍摄已知尺寸的导航标志，机器人摄像头视角平面与导航标志平面平行、并且导航标志中心与图片水平中心线、或图片垂直中心线、或图片中心重合。
在上述技术方案中，优选的，所述机器人通过摄像头定焦或变焦方式拍摄一个已知尺寸大小的导航标志，机器人摄像头视角平面与导航标志平面平行、并且导航标志中心与图片水平中心线、或图片垂直中心线、或图片中心重合。
进一步地说，所述摄像头拍摄导航标志，摄像头视角平面与导航标志平行，并且导航标志中心与图片水平中心线、或图片垂直中心线、或图片中心重合，当不满足上述条件时，机器人进行运动调整，重新计算，使满足上述条件。
更进一步地说，所述不满足条件，是指机器人计算的定位准确度超过容许误差；比如导航标志中心线与图片中心线的偏离误差超过容许范围。
在上述技术方案中，所述导航标志，是一个识别图案，包括二维码图案、圆形图案、多边形图案、色块图案中的至少一种。
在上述技术方案中，所述带摄像头的移动机器人，摄像头安装在移动机器人的机械手上。
在上述技术方案中，还包括电子地图、电子地图上的导航标志信息、定位点与导航标志的距离信息。
在上述技术方案中，所述创建摄像头特征数据库，根据机器人上搭载的摄像头的技术参数，可以直接输入相同技术参数的摄像头已经建立的摄像头特征数据库。
进一步地说，机器人创建摄像头特征数据库，采用了直接输入相同技术参数的摄像头已经建立的摄像头特征数据库时，在本机上按照视觉测距方法的步骤进行数据校准，这样可以大幅缩减工作量，同时也保证测距精度。
本发明的有益效果是，解决了背景技术中存在的缺陷，能够精确测量机器人或机械手与目标物的距离，通过简单可靠的测距方法，控制机器人在执行任务时能够随时定位自己所处位置，能够稳定可靠地走到目标点完成任务。
附图说明
图1为本发明视觉测距主要示意图；其中，图1-1为本发明的方法流程图；图1-2为机器人在1倍焦距下拍摄的已知尺寸的导航标志(假设导航标志是 60*60cm的正方形)的图片示意图。
图2为本发明1倍固定焦距下机器人拍摄的导航标志图片；其中，图2-1 为摄像头视角平面与导航标志不平行时拍摄的图片；图2-2为导航标志垂直中心线与图片中垂直中心线不重合的图片。
图3为本发明中电子地图上包含导航标志信息、定位点与导航标志距离的信息。
图中：A为出发点，B为定位点，G为目标点，M1、M2、M3、M4为导航标志。
具体实施方式
现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
利用二维码三个顶角位置探测图形可以在图片中快速识别出二维码并计算出二维码的中心点坐标，这样可以便捷的分析比较二维码和图片的中心线偏差，从而判断机器人是否需要调整姿势，因此，本实施例中优选二维码图案作为导航标志。
1、一种视觉测距方法，如图1-1，包括带摄像头的移动机器人，并包括如下步骤：
(1)机器人创建的摄像头特征数据库，如下表。
Figure RE-GDA0002650347650000061
机器人以1倍固定焦距在距离导航标志(实际尺寸60*60cm)1米、2米、 3米、4米的位置分别拍摄图片，对应的，机器人识别出导航标志在图片中的关键特征大小分别为600*600像素、500*500像素、400*400像素、300*300像素、 200*200像素；机器人以2倍固定焦距在距离导航标志(实际尺寸60*60cm)1 米、2米、3米、4米的位置分别拍摄图片，对应的，机器人识别出导航标志在图片中的关键特征大小分别为600*600像素、500*500像素、400*400像素、 300*300像素；建立不同固定焦距倍数下，机器人与导航标志(实际尺寸60*60cm) 之间不同距离和图片中导航标志大小的对应关系表，即摄像头特征数据库。
(2)机器人工作时，摄像头以1倍固定焦距拍摄已知尺寸的导航标志(图 1-2)。
(3)机器人从拍摄图片(1920*1080像素)中提取导航标志的关键特征并计算出关键特征的大小(300*300像素)(图1-2)。
(4)机器人根据导航标志(实际尺寸60*60cm)在1倍固定焦距下拍摄的图片计算得到图片中导航标志大小为300*300像素，在“摄像头特征数据库”中查找对应的拍摄距离为3米，即机器人距离导航标志的距离为3米。
2、优选的，摄像头拍摄导航标志时，摄像头视角平面与导航标志平行，并且导航标志中心与图片水平中心线、或图片垂直中心线、或图片中心重合；当导航标志中心与图片水平中心线、或图片垂直中心线或图片中心不重合时，根据两者位置偏差与定位准确度容许偏差的关系决定机器人是否需要运动调整。
由于定位偏差会导致视觉测距的偏差，因此，根据视觉测距偏差的容许度来规定定位准确度偏差。
本实施例中，为保证视觉测距准确度不大于2cm，定位准确度要求容许偏差不超5cm。
图2-1是机器人通过1倍固定焦距拍摄的已知尺寸的导航标志(实际尺寸 60*60cm)图片，机器人提取图片(1920*1080像素)中导航标志的关键特征 (400*400像素)，分析发现导航标志的关键特征垂直中心线与图片垂直中心线偏差是20像素(60cm/400像素＝0.15cm/1像素)，经过换算对应的实际偏差是3cm，小于容许偏差，所以机器人无需运动调整；而图2-2中机器人通过1倍固定焦距拍摄已知大小的导航标志(实际尺寸60*60cm)，并提取图片(1920*1080 像素)中导航标志的关键特征(500*500像素)，分析发现导航标志的关键特征水平中心线与图片水平中心线偏差是50像素(60cm/500像素＝0.12cm/1像素)，经过换算对应的实际偏差是6cm，大于容许偏差，因此机器人需要运动调整后重新拍摄图片计算。
3、电子地图上包含导航标志信息、定位点与导航标志距离的信息(图3)。
电子地图上机器人从A点向B点行走，当机器人到导航标志M1距离为1米时，机器人向左拐弯，向G点行走，当机器人到导航标志M2距离为3米时，机器人停止运动；机器人从G点返回A点时，从G点向B点行走，当机器人到导航标志M3距离为1米时，机器人向右拐弯，向A点行走，当机器人到导航标志 M4距离为1米时，机器人停止运动。
实际运动时，机器人从A点向B点行走，通过1倍固定焦距拍摄导航标志 M1图片并提取导航标志M1的关键特征为500*500像素，机器人在“摄像头特征数据库”中查找对应的拍摄距离为1米，表明机器人到导航标志M1距离为1米，因此，机器人此时向左拐弯向G点运动，机器人在行进过程中连续拍摄前方导航标志M2计算分析，由于机器人距离导航标志M2较远，机器人通过2倍固定焦距拍摄导航标志M2并提取导航标志的关键特征为400*400像素，机器人在“摄像头特征数据库”中查找对应的拍摄距离为3米，表明机器人到导航标志M2距离为3米，机器人停止运动。机器人从G点返回A点的运动过程同理，此处不再赘述。
4、相同配置的带摄像头的移动机器人直接输入相同参数的摄像头已经建立的摄像头特征数据库。
用户在同一个地方投入几台相同配置的带摄像头的移动机器人，如果在相同环境下执行任务，那么用户可以只用一台带摄像头的移动机器人创建摄像头特征数据库，然后给其他同样配置的的带摄像头的移动机器人输入已经建立的摄像头特征数据库，这样可以节省用户大量的时间。
虽然是相同配置的带摄像头的移动机器人，但是为了确保测距精度，在机器人上直接输入相同技术参数的摄像头已经建立的摄像头特征数据库时，优选的，在本机上随机抽取一定比例的数据按照视觉测距方法的步骤对数据进行校准。
以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离发明的实质和范围。

Claims (9)

1.一种视觉测距方法，其特征在于：包括带摄像头的移动机器人，并包括如下步骤：
(1)机器人创建摄像头特征数据库；所述摄像头特征数据库，是机器人以摄像头定焦或变焦的方式，从不同距离拍摄已知尺寸的导航标志；机器人从图片中识别出导航标志，测量图片中导航标志的大小；在定焦或变焦方式下，机器人与导航标志之间不同距离和图片中导航标志大小具有对应关系表；
(2)机器人工作时，通过摄像头以定焦或变焦方式拍摄一个已知尺寸大小的导航标志；
(3)机器人从图片中识别出导航标志，并测量出图片中导航标志大小；
(4)机器人根据导航标志大小、图片中导航标志大小、通过定焦或变焦方式下机器人与导航标志之间不同距离和图片中导航标志大小的对应关系表，计算得出机器人与导航标志的距离。
2.如权利要求1所述的一种视觉测距方法，其特征在于：所述步骤1中，机器人摄像头视角平面与导航标志平面平行，并且导航标志中心与图片水平中心线、或图片垂直中心线、或图片中心重合。
3.如权利要求1所述的一种视觉测距方法，其特征在于：所述步骤2中，机器人摄像头视角平面与导航标志平面平行，并且导航标志中心与图片水平中心线、或图片垂直中心线、或图片中心重合。
4.如权利要求1所述的一种视觉测距方法，其特征在于：所述导航标志，是一个识别图案，包括二维码图案、圆形图案、多边形图案、色块图案中的至少一种。
5.如权利要求1所述的一种视觉测距方法，其特征在于：所述带摄像头的移动机器人其摄像头安装在移动机器人的机械手上。
6.如权利要求1所述的一种视觉测距方法，其特征在于：还包括电子地图、电子地图上的导航标志信息、定位点与导航标志的距离信息。
7.如权利要求3所述的一种视觉测距方法，其特征在于：所述摄像头拍摄导航标志，摄像头视角平面与导航标志平行，并且导航标志中心与图片水平中心线、或图片垂直中心线、或图片中心重合，当不满足上述条件时，机器人进行运动调整，重新计算，使满足上述条件。
8.如权利要求1所述的一种视觉测距方法，其特征在于：所述创建摄像头特征数据库，是输入相同参数的摄像头已经建立的摄像头特征数据库。
9.如权利要求1所述的一种视觉测距方法，其特征在于：所述创建摄像头特征数据库，是输入相同参数的摄像头已经建立的摄像头特征数据库，并在本机上对摄像头特征数据库进行校准。
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