基于高速相机视觉自动化图像采集小车的定位方法及系统
阅读说明：本技术 基于高速相机视觉自动化图像采集小车的定位方法及系统 (Positioning method and system for automatic image acquisition trolley based on high-speed camera vision ) 是由 魏宇飞 倪邦杰 于 2021-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开的基于高速相机视觉自动化图像采集小车的定位方法及系统,包括：在AGV小车前后两侧位置安装定位标签；在AGV小车的上方设置相机,对相机进行标定,获得相机拍摄图像中标志点的像素位置与实际位置之间的映射关系；利用相机对环境进行拍摄,获得包含定位标签的图像；对图像进行二值化处理；分析二值化图像中的定位标签,识别定位标签的位置、角度、内容；根据小车中心点处于定位标签之间的位置、角度关系,对应定位标签的内容,求解小车中心点与定位标签的相对位置关系；结合相机标定的映射关系,经坐标变换,获得小车在环境中的位姿信息。本发明实现小车在环境中的位姿参数定位,且识别过程运算量小,定位精度与速度都能满足应用要求。(The invention discloses a positioning method and a system for a high-speed camera vision-based automatic image acquisition trolley, which comprises the following steps: installing positioning labels at the front side and the rear side of the AGV trolley; arranging a camera above the AGV trolley, calibrating the camera, and obtaining a mapping relation between the pixel position and the actual position of the mark point in the image shot by the camera; shooting an environment by using a camera to obtain an image containing a positioning label; carrying out binarization processing on the image; analyzing a positioning label in the binary image, and identifying the position, the angle and the content of the positioning label; according to the position and angle relation of the central point of the trolley between the positioning labels, corresponding to the content of the positioning labels, solving the relative position relation between the central point of the trolley and the positioning labels; and combining the mapping relation calibrated by the camera, and obtaining the pose information of the trolley in the environment through coordinate transformation. The invention realizes the position and pose parameter positioning of the trolley in the environment, the computation amount in the identification process is small, and the positioning precision and speed can meet the application requirements.)
技术领域
本发明涉及AGV小车定位技术领域，具体涉及基于高速相机视觉自动化图像采集小车的定位方法及系统。
背景技术
AGV (Automated Guided Vehicle)，通常也称为AGV小车，是指装备有自动导航装置，能够沿规定的导航路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车。
根据AGV自动行驶过程中的导航方式将AGV分为以下几种类型：电磁感应引导式AGV、激光引导式AGV、视觉引导式AGV等。其中视觉引导式AGV装配有摄像机和传感器，在AGV行驶过程中，摄像机动态获取车辆周围环境图像信息并与图像数据库进行比较，从而确定当前位置并对下一步行驶做出决策。由于不要求人为设置任何物理路径，视觉引导式AGV在理论上具有最佳的引导柔性，且随着计算机图像采集、储存和处理技术的飞速发展，实用性越来越强。
目前基于视觉引导式AGV的常用导航方式为在路面设置路径或标志信息，如贴上连续的标识线作为路径或设置二维码标志区域等，摄像机拍摄标志信息图像，图像经过数字图像处理技术处理后得到特征点在计算机图像坐标系的坐标值，再利用计算机图像坐标系和世界坐标系的关系进行转换，得到AGV姿态的偏差，并作为反馈来控制AGV。但标识线和二维码图像识别难度大，整个视觉分析过程较为繁琐，所需能耗高，且计算量大，无法保证AGV小车的运动轨迹精度。
发明内容
发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于高速相机视觉自动化图像采集小车的定位方法及系统，实现小车在环境中的位姿参数定位，且识别过程运算量小，定位精度与速度都能够满足室内采集中AGV导航的要求。
技术方案：本发明所述基于高速相机视觉自动化图像采集小车的定位方法，包括如下步骤：S1、设计定位标签：在AGV小车前后两侧位置安装共4个内容不同的定位标签；S2、数字化环境：在AGV小车的上方设置相机，对相机进行标定，获得相机拍摄图像中标志点的像素位置与实际位置之间的映射关系；S3、获取图片：利用相机对环境进行拍摄，获得包含定位标签的图像；S4、二值化图片：对图像进行二值化处理；S5、定位标签识别：分析二值化图像中的定位标签，识别定位标签的位置、角度、内容； S6、坐标映射：根据AGV小车中心点处于定位标签之间的位置、角度关系，对应定位标签的内容，求解AGV小车中心点与定位标签的相对位置关系；S7、小车位姿定位：结合相机标定的映射关系，经坐标变换，获得AGV小车在环境中的位姿信息。
进一步完善上述技术方案，还包括S8、小车移动导航：S81、在环境中选取被测点，通过相机标定的映射关系确定被测点的位置信息；S82、根据步骤S7获取当前位置AGV小车在环境中的位姿信息，包括小车的朝向以及小车中心点；S83、计算当前位置AGV小车中心点与目标位置AGV小车中心点之间的距离和夹角信息，以及目标位置AGV小车中心点与被测点之间的距离和夹角信息；S84、根据步骤S83计算的信息确定AGV小车从当前位置移动到目标位置的路径。
进一步地，所述步骤S2中相机的标定过程包括：相机拍摄标准标定图像；基于标准标定图像中的方格均匀选取标志点，记录各个标志点在标准标定图像中的像素位置与其实际位置；根据标志点的像素位置与实际位置，建立映射关系。
进一步地，所述步骤S5中选取识别度最高的两个定位标签进行识别计算，若计算通过、则识别正确，若计算不通过，选取第三个定位标签进行识别计算，若第三个定位标签计算仍然不通过，则随机旋转角度再次进行识别。
进一步地，根据定位标签在AGV小车中的位置分为车头右、车头左、车尾左、车尾右，每个定位标签均包括方形的边框区以及设于边框区中部的数据区，数据区为圆形图标，边框区与数据区的颜色不同；所述车头右、车头左、车尾左、车尾右的圆形图标形状不同且边框区颜色、数据区颜色均不相同。
进一步地，所述车头右、车头左、车尾左、车尾右在AGV小车上的安装位置具有平移旋转不变性特征。
进一步地，所述相机在AGV小车上方的安装位置能够保证AGV小车在环境内移动时均能够被相机拍摄到且拍摄的图像画面为正影。
进一步地，所述相机为全帧曝光方式的工业用相机，具备帧率和曝光时间调节，相机镜头为广角镜头，视场角度为135°。
用于实现上述定位方法的基于高速相机视觉自动化图像采集小车的定位系统，包括上位机、AGV小车、相机，AGV小车在环境内移动，相机设置在AGV小车上方对环境内AGV小车进行拍摄，AGV小车、相机均与上位机相连；所述AGV小车在前后两侧的位置安装有四个内容不同的定位标签，所述上位机设有相机标定程序以及标定被测点功能模块、标定小车位姿功能模块、标定移动功能模块；所述相机拍摄获取包含定位标签的图片并传输至上位机，所述标定被测点功能模块用于选取被测点并通过相机标定程序对被测点进行标定，所述标定小车位姿功能模块用于识别定位标签、利用小车中心点与定位标签的相对位置关系并通过相机标定程序对当前位置的小车进行位姿标定，所述标定移动功能模块用于设置目标位置、计算AGV小车从当前位置移动至目标位置的路径信息并发送至AGV小车。
进一步地，所述相机标定程序功能包括：相机拍摄标准标定图像；基于标准标定图像中的方格均匀选取标志点，记录各个标志点在标准标定图像中的像素位置与其实际位置；根据标志点的像素位置与实际位置，建立映射关系；所述标定小车位姿功能模块包括识别定位标签的位置、角度、内容，根据AGV小车中心点处于定位标签之间的位置、角度关系，对应定位标签的内容，求解AGV小车中心点与定位标签的相对位置关系；所述标定移动功能模块包括计算当前位置AGV小车中心点与目标位置AGV小车中心点之间的距离和夹角信息，以及目标位置AGV小车中心点与被测点之间的距离和夹角信息，根据计算的信息确定AGV小车从当前位置移动到目标位置的路径。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明在AGV小车前后两侧设置四个内容不同的定位标签，将AGV小车四角进行图片数字化，在AGV小车上方设置高速相机获取包含定位标签的图像，通过对图像处理进行定位标签位置、内容、偏转角度的识别，根据小车中心点与定位标签之间位置、角度关系，利用相机标定关系进行相关坐标变换转化为小车在环境中的位置、姿态信息，实现小车在环境中的定位，相对于现有的机器视觉定位方法，本发明的识别过程运算量小，定位精度、速度均能够满足室内采集中AGV的导航要求。利用高速相机工作稳定、成本低，并通过上位机进行图像处理，不仅解决传统的室内人工图像采集效率低下、人力资源和成本高昂的问题，而且提高了整个定位系统识别过程的定位精度和速度，同时体现了整个过程运算量小，定位精度高，运行速度快等特点。
AGV小车设置的4个定位标签，通过边框区与数据区的形状、颜色不同形成明显区别，便于被相机快速、安全捕获到，且能更好的识别和定位；相机采用全帧曝光方式工业用相机，尽可能获取更大的图像拍摄范围，对相机的安装要求保证小车移动范围内的拍摄效果。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明中AGV小车的左向立体结构示意图；
图3是本发明中AGV小车的右向立体结构示意图；
图4是本发明中AGV小车的前向结构示意图；
图5是本发明中AGV小车的俯视结构示意图；
图6是本发明中AGV小车定位标签的结构示意图；
图7是本发明的工作流程图；
图8是本发明的图像处理流程图；
图9是本发明中AGV小车从当前位置移动至目标位置的过程示意图。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
本发明提供的基于高速相机视觉自动化图像采集小车的定位系统，包括上位机、AGV小车（自研）、海康MVS相机，上位机型号为：Inter i7 2.90GHZ CPU+32GB内存+1TB硬盘+Windows 10专业版系统。为了保证AGV小车在运动过程中能够获取清晰的图像，相机采用全帧曝光方式的工业用相机，以便于设置帧率和曝光时间；为了保证获取图像范围尽可能大，镜头采用广角镜头，视场角度约为135°，广角镜头导致图像畸变较大，因此对相机的安装和视觉图片有比较高的要求。
如图1所示的安装示意图，上部分为高速相机的位置及方位，下部分为AGV小车在环境中的运行区域面积。在AGV小车的上方固定海康MVS广角相机，该相机的镜头在距离地面2.45m左右时的视野范围可达到5m*3.8m，为了在有限的面积内实现AGV小车的有效移动，需要在AGV小车前后两侧安装4个定位标签以被上方相机快速、安全且非常清晰地获取到，然后与上位机软件中的标定图标进行比对。
如图2至图5所示，在AGV小车的两侧前后共设置4个定位标签进行定位使用，定位标签镶嵌在大小为56mm*56mm的正方形上，4个定位标签根据在AGV小车上的位置分为：车头右1、车头左2、车尾左3、车尾右4。
如图6所示，4个定位标签采用不同的图片便于机器视觉辨认，定位标签分为两个区域：边框区和数据区，外部边框区和中心数据区的颜色需要区分开，数据区以圆形图标为主，且保证所有图标的颜色不能相同，便于在摄像头下，机器视觉能更好的识别和定位。
通过在AGV小车前后两侧设计定位标签将室内环境数字化，高速相机获取包含4张定位标签的图像，运用一定的算法对图像进行处理并识别出定位标签的位置、方向以及内容，根据AGV小车中心点处于定位标签之间的位置、角度关系，结合高速相机的标定关系表、相关坐标变换获得待测试物在环境中得位置与姿态信息，实现小车在室内环境中的定位。
相机安装：为了保证AGV小车能正常的定位，对相机的安装有一定的要求，需要将相机安装在AGV小车的上方，最好安装的位置能够使小车在行驶的范围内都能拍，也就是说最好的是小车预计行驶的最远位置距离相机的中心点近，并且需要显示的图片是平行的，基本无倾斜，相机镜头下显示的景象需要是正影，与实际生活中人眼看到的景象一致。
配置：为了更好的体现视觉效果，需要在上位机安装海康相机的MVS应用软件，海康相机应用软件的安装过程比较的方便简单，安装完成后，打开MVS软件，进行标准的配置即可。
标定：对AGV小车四角的4个定位标签进行机器视觉下的标定定位，视觉下的标定图标尽可能的清晰、明了。相机捕获到AGV小车四角的4张定位标签后，选取两张识别度最高的进行计算，如果计算通过就认为识别正确，不通过会选取第三张，再不通过就会随机旋转角度再次识别，否则，AGV小车就无法准确定位，因此，对头顶相机的安放和相机的性能要求以及AGV四角的图片的清晰度要求的非常高。
硬件安装完成后，需要通过上位机软件中进行相机标定，以及选择标定被测点功能模块、标定小车位姿功能模块、标定移动功能模块进行相应操作。
工作过程和图像处理过程如图7、图8所示：
S1、设计定位标签，在AGV小车前后两侧位置安装共4个内容不同的定位标签，定位标签具有平移旋转不变性的特征，在所处的环境下，可以实现很好的定位效果；
S2：数字化环境：在AGV小车上方安装相机，对相机进行标定，拍摄标准标定图像，基于标准标定图像中的方格均匀选取标志点，记录各个标志点在标准标定图像中的像素位置与其实际位置；根据标志点的像素位置与实际位置之间的线性函数关系，建立映射关系，该线性函数的斜率会根据位置不同而改变；
S3：获取图片：利用相机对所在环境进行拍摄，获得包含定位标签的图像；
S4、二值化图片：对图像进行二值化处理；
S5、定位标签识别：分析图像获得图像中定位标签所在位置，计算不同标签所连接图像的直线的长度和方向；
S6、坐标映射：根据AGV小车中心点处于定位标签之间的位置、角度关系，对应定位标签的内容，求解小车中心点与定位标签的相对位置关系；
S7、小车位姿定位：结合相机标定的映射关系，经坐标变换，获得小车中心点在实际环境中的位姿。
如图9所示的AGV小车移动导航过程，包括：
S81、在环境中选取被测点5，通过相机标定的映射关系确定被测点的位置信息；
S82、根据步骤S7获取当前位置AGV小车在环境中的位姿信息，包括小车的朝向以及小车中心点；
S83、计算当前位置AGV小车中心点与目标位置AGV小车中心点之间的距离L和夹角A信息，以及目标位置AGV小车中心点与被测点之间的距离和夹角B信息；
S84、根据步骤S83计算的信息确定AGV小车从当前位置移动到目标位置的路径。
本发明提供的高速相机视觉的自动化图像采集小车的定位系统，利用高速相机工作稳定、成本低，运用目前先进的图像处理算法等特点，不仅解决传统的室内人工图像采集效率低下、人力资源和成本高昂的问题，而且提高了整个定位系统识别过程的定位精度和速度，同时体现了整个过程运算量小，定位精度高，运行速度快等特点。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
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