机器人的自定位方法
阅读说明:本技术 机器人的自定位方法 (Self-positioning method of robot ) 是由 刘晓程 吴忠华 康望星 周煜申 于 2019-11-15 设计创作,主要内容包括:本发明公开一种机器人的自定位方法,包括:在GPS信号无法进行定位时,用机器人携带的双目摄像头寻找房间内的墙角图像,与墙角库中的墙角进行匹配,获得墙角坐标信息;并依据三个以上的墙角坐标信息进行机器人的自定位。本发明根据双目测距原理确定机器人与墙角之间的距离,分别确定任意三个墙角与机器人之间的距离;然后根绝三边测距原理,已知墙角的坐标和墙角到机器人的距离,计算出机器人在世界坐标系下的三维坐标,即完成机器人的自定位;从而实现了在无GPS情况下对机器人自身的定位。(The invention discloses a self-positioning method of a robot, which comprises the following steps: when the GPS signal can not be used for positioning, a binocular camera carried by the robot is used for searching a corner image in a room, and the corner image is matched with a corner in a corner library to obtain corner coordinate information; and the self-positioning of the robot is carried out according to the coordinate information of more than three corners. The method comprises the steps of determining the distance between the robot and a corner according to a binocular distance measuring principle, and respectively determining the distance between any three corners and the robot; then, according to the trilateral distance measurement principle, knowing the coordinates of the corner and the distance from the corner to the robot, calculating the three-dimensional coordinates of the robot in a world coordinate system, and finishing the self-positioning of the robot; therefore, the robot can be positioned under the condition of no GPS.)
技术领域
本发明涉及一种将GPS和墙角相结合的机器人自定位方法及系统。
背景技术
根据专家预测,到2025年,中国60岁以上老人的比重将达20%,其中80 岁以上的老人将超过三千万人,康养院对服务机器人的需求十分迫切。以室内服务型移动机器人为例,为了对机器人进行高效可靠的控制,首先需要确定的是机器人自身所在的位置,即自定位问题。因此应用各种传感器对信息进行感知并融合,以完成可靠的定位是自主式移动机器人首要的功能。
目前全球应用最广泛的是GPS定位。在三维空间中,理想情况下只需要三颗卫星就可以实现GPS定位。然而GPS定位依赖于卫星信号,而卫星信号在建筑物遮挡下信号降低,从而导致了室内移动机器人的定位效果差。
将GPS定位与墙角定位相结合的定位方法,可以大大提升机器人定位的精度和速度。
发明内容
针对上述问题,本发明提供一种将GPS和墙角相结合的机器人自定位方法。
为达到上述目的,本发明机器人的自定位方法,包括:
在GPS信号无法进行定位时,用机器人携带的双目摄像头寻找房间内的墙角图像,与墙角库中的墙角进行匹配,获得墙角坐标信息;并依据三个以上的墙角坐标信息进行机器人的自定位。
进一步的,所述的方法包括:所述的的GPS信号是按下述步骤检测的:
将检测程序反馈出的检测信息与标准GPS准确定位所需的信号强弱进行比较,如果检测GPS信号强度小于标准GPS定位所需的信号强度,那么认为GPS 信号无法进行定位。
进一步的,所述的方法具体为:
(1)建立以房间为单位的墙角集合库;
(2)当GPS信号无法进行定位时,用机器人携带的摄像头寻找房间内的墙角图像,与墙角库中的墙角进行匹配,获得墙角坐标信息;
(3)机器人携带的双目摄像机测得与墙角的实际距离,通过三个墙角完成机器人的自定位。
进一步的,所述的方法包括:还包括用RGB或HSI颜色特征在数据量庞大的墙角库中进行房间的初步筛选的步骤。
进一步的,所述的方法包括:所述的墙角集合库建立的步骤为:
1)依据采样规则采样墙角图像
2)对采样图像进行矫正;
3)对墙角特征描述符的提取;
进一步的,所述的方法包括:还包括4)对墙角分类存储。
进一步的,所述的步骤(3)机器人携带的双目摄像机测得与墙角的实际距离,通过三个墙角完成机器人的自定位具体为:
确定第一个墙角与机器人之间的距离;确定第二个墙角与机器人之间的距离;以及确定第三个墙角与机器人之间的距离;根绝三边测距原理,已知墙角的坐标和墙角到机器人的距离,计算出机器人在世界坐标系下的三维坐标,即完成机器人的自定位。
本发明根据双目测距原理确定机器人与墙角之间的距离,分别确定任意三个墙角与机器人之间的距离;然后根绝三边测距原理,已知墙角的坐标和墙角到机器人的距离,计算出机器人在世界坐标系下的三维坐标,即完成机器人的自定位;从而实现了在无GPS情况下对机器人自身的定位。
附图说明
图1是本发明机器人自定位的流程图。
图2是本发明双目测距的原理。
图3是本发明三边测距的原理。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。
实施例1
本实施例的方法至少包括以下步骤:
(1)建立以房间为单位的墙角集合库;
(2)当GPS信号弱时,用机器人携带的摄像头寻找房间内的墙角图像,与墙角库中的墙角进行匹配,获得墙角坐标信息;
(3)机器人携带的双目摄像机测得与墙角的实际距离,通过三个墙角完成康养服务机器人的自定位。
实施例2
本实施例的方法包括以下步骤:
(1)安装GPS接收器和信号监测系统;
(2)建立以房间为单位的墙角集合库;
(3)当GPS信号弱时,用机器人携带的摄像头寻找房间内的墙角图像,与墙角库中的墙角进行匹配,获得墙角坐标信息;
(4)机器人携带的双目摄像机测得与墙角的实际距离,通过三个墙角完成康养服务机器人的自定位。
所述步骤(1)还包括安装GPS检测程序,可以随时检测GPS的搜星情况,每颗星的方位、信号强度、是否连接等。
所述步骤(2)还包括根据房间墙角的采样规则,利用图像处理技术提取墙角区域特征点并进行描述,然后分类存储并建立墙角集合库。
所述步骤(2)的具体步骤为:
建立墙角采样规则,并依规则对墙角进行采样,将采样后的墙角特征描述符进行提取、分类并进行存储,建立墙角集合库。
分类存储时,康养服务机器人,可按照房间为单位进行存储。
所述步骤(3)还包括GPS信号强弱对比以及匹配墙角。
所述步骤(3)的具体步骤为:
将步骤(1)中检测程序反馈出的检测信息与标准GPS准确定位所需的信号强弱进行比较。
如果检测GPS信号强度大于标准GPS定位所需的信号强度,那么直接用 GPS进行精准定位,根据接收的卫星频率,输出机器人自身位置。
如果检测GPS信号强度小于标准GPS定位所需的信号强度,那么执行机器人捕捉墙角步骤;
将步骤(2)中以房间为单位的墙角特征提取出来;
将步骤(3)中机器人实时采集的图像墙角特征提取出来;
将实时采集的墙角特征与模板中的墙角特征进行匹配;在匹配时,由于家居场景的卫生间、客厅厨房等场景的风格不一致,可以用RGB、HSI等颜色特征先在数据量庞大的墙角库中进行房间的初步筛选,以提高墙角匹配的效率。
匹配成功都获得墙角的三维坐标;
所述步骤(4)的具体步骤为:
根据双目测距原理确定机器人与墙角之间的距离,分别确定任意三个墙角与机器人之间的距离;
根绝三边测距原理,已知墙角的坐标和墙角到机器人的距离,计算出机器人在世界坐标系下的三维坐标,即完成机器人的自定位;
本实施例首先安装GPS检测程序。确定GPS信号强弱。再明确房间墙角的采样规则,然后对房间顶端的墙角进行采样,将采样后的墙角按照不同特征,进行分类存储,建立了以房间为单位的墙角库。再将实时采集到的墙角信息与库中的墙角信息进行特征匹配,匹配过程可分为两步,第一步是用简单的RGB、 HSI等颜色特征进行房间的初步筛选,将可能符合的房间墙角信息留存;第二步是通过精确的128维特征向量对墙角进匹配。匹配成功后获得精确的墙角坐标信息。只有精确的墙角信息,才能提高定位的精度。墙角信息的准确表述,是完成机器人实时定位的前提和基础。
实施例3
基于实施例1,本实施例移动终端包括服务机器人、封闭山区的定位系统,本实施例以服务机器人为例;
服务环境包括康养院室内环境、家居室内环境、酒店,本实施例以康养院室内环境为例;所述方法包括以下步骤:
(1)建立墙角集合库;
建立墙角采样规则、依规则采样墙角图像、图像矫正、墙角特征描述符的提取、墙角分类存储、建立墙角集合库;
(2)机器人携带的摄像头寻找房间内的墙角图像;
(3)墙角图像与墙角集合库进行匹配,获得墙角坐标信息;
将步骤(1)中建立的墙角集合库模板墙角特征提取出来、将步骤(2)中机器人实时采集的图像墙角特征提取出来;
(4)机器人携带的双目摄像机测得与墙角的实际距离;
对服务机器人的摄像机进行标定,确定摄像机参数,根据双目测距原理确定机器人与墙角之间的距离;
(5)通过三个墙角完成康养服务机器人的自定位;
确定第一个墙角与机器人之间的距离、确定第二个墙角与机器人之间的距离、确定第三个墙角与机器人之间的距离;根绝三边测距原理,已知墙角的坐标和墙角到机器人的距离,计算出机器人在世界坐标系下的三维坐标,即完成机器人的自定位;
本实施例在康养养老院的室内场景中,对服务老人的机器人进行自定位,首先安装GPS检测系统,反馈出GPS的搜星情况,每颗星的方位、信号强度、是否连接等。再根据已有的墙角进行采样,建立康养养老院室内各个场景的墙角库特征集合;接下来判断GPS的信号强弱,如果GPS的信号弱,再实时采集机器人当前所在室内的墙角特征;将墙角库中的特征与实时采集的特征进行匹配,从而确定墙角的具体坐标;根据双目视觉原理可知,双目可以测得物体本身与目标点的实际深度,即机器人与墙角的实际距离;最后根据三边测距原理,一个墙角到机器人的实际距离,可以得到机器人所在的球面,两个墙角到机器人的实际距离,即两个球面相交,可以测得机器人所在的圆,三个墙角到机器人的实际距离,即两个圆相交,可以测得机器人可能存在的两个点,排除一个不可能的点,就可以得到准确的机器人坐标,实时准确的完成了康养服务机器人的定位。
以上,仅为本发明的较佳实施例,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揭露的技术范围内,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。