[發(fā)明專利]多移動機(jī)器人的智能空間系統(tǒng)及導(dǎo)航信息獲取方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210384363.0
• 申請日: 2012-10-11
• 公開（公告）號: CN102914303A
• 公開（公告）日: 2013-02-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 袁明新;申燚;王琪;劉萍;程帥
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇科技大學(xué)
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00;H04W84/18
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

所屬技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種多移動機(jī)器人的智能空間構(gòu)建，尤其涉及到多移動機(jī)器人導(dǎo)航時環(huán)境地圖和定位信息的獲取。

背景技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域正日星月異地發(fā)生著變化。多機(jī)器人系統(tǒng)由于內(nèi)在并行性，使得其在空間、時間和功能上實現(xiàn)了單機(jī)器人無法完成的的并行任務(wù)。為了提高多移動機(jī)器人系統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行效率，需要向其提供詳細(xì)的導(dǎo)航信息。首先是機(jī)器人運(yùn)動空間的環(huán)境信息，主要包含可行區(qū)域和非可行區(qū)域的環(huán)境地圖；其次是移動機(jī)器人的定位信息，主要涉及到移動機(jī)器人的位姿；最后是信息的交互，這涉及到機(jī)器人與監(jiān)控主機(jī)之間以及多機(jī)器人之間的通信。

為了幫助移動機(jī)器人獲取更為完備的導(dǎo)航信息，構(gòu)建智能空間是近年來的主要研究方向。所謂智能空間技術(shù)，就是把感知器件、執(zhí)行器件分布地安裝在機(jī)器人空間的相應(yīng)位置，實現(xiàn)機(jī)器人對空間內(nèi)人和物的全面感知，從而幫助其在不確定環(huán)境中更加快捷、準(zhǔn)確和穩(wěn)定的導(dǎo)航。從目前的研究來看，國內(nèi)外專家主要通過在室內(nèi)安裝諸如人工地標(biāo)、射頻標(biāo)簽、CCD傳感器等，并輔以網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來構(gòu)建智能空間。中國專利號為CN102156476的專利文獻(xiàn)公開了“智能空間與護(hù)士機(jī)器人多傳感器系統(tǒng)及其信息融合方法”，涉及到為護(hù)士機(jī)器人所構(gòu)建的一種智能空間，該空間主要通過在室內(nèi)安裝人工地標(biāo)和無線射頻標(biāo)簽，利用QR-Code和RFID技術(shù)來實現(xiàn)全局定位，通過在護(hù)士機(jī)器人身上安裝光學(xué)編碼器和慣性導(dǎo)航模塊來實現(xiàn)局部定位，通過在護(hù)士機(jī)器人身上安裝CCD視覺傳感器、激光傳感器、紅外傳感器等來獲取局部環(huán)境信息。該系統(tǒng)存在以下不足：

(1)基于智能空間內(nèi)人工地標(biāo)和無線射頻標(biāo)簽的識別定位，只能進(jìn)行全局的粗略定位，且當(dāng)環(huán)境一旦發(fā)生變換時，需要對地標(biāo)和標(biāo)簽進(jìn)行重新設(shè)置和初始化；

(2)護(hù)士機(jī)器人的精確定位主要是在上述地標(biāo)和射頻標(biāo)簽定位基礎(chǔ)上，基于光學(xué)編碼器和慣性導(dǎo)航模塊來實現(xiàn)航位推算定位。但光學(xué)編碼器存在累積誤差，慣性導(dǎo)航存在漂移，使得定位精度很難保證。

(3)護(hù)士機(jī)器人攜帶的激光傳感器、紅外傳感器不能穿透非透明的障礙物，只能獲取機(jī)器人周圍的局部環(huán)境信息，無法得到機(jī)器人運(yùn)動空間的全局信息，不利于機(jī)器人進(jìn)行全局高效導(dǎo)航；

(4)護(hù)士機(jī)器人自身雖然攜帶了CCD視覺傳感器，在用于服務(wù)功能之余也用于環(huán)境信息獲取，但獲取的信息仍然是局部的，且立體匹配計算量非常大，對于硬件資源有限的服務(wù)機(jī)器人而言，其信息處理量過大，實時性很難保證。

總之，該智能空間主要依靠地標(biāo)和射頻標(biāo)簽來給服務(wù)機(jī)器人提供全局的粗略定位信息，功能有限。機(jī)器人所需的環(huán)境地圖等導(dǎo)航信息仍要通過機(jī)器人自身攜帶的傳感器系統(tǒng)來獲得，增大了服務(wù)機(jī)器人的負(fù)擔(dān)，弱化了智能空間作用。此外，該空間主要是針對單機(jī)器人系統(tǒng)，當(dāng)室內(nèi)有多個機(jī)器人時，如何高效地讓多機(jī)器人系統(tǒng)獲取完備的導(dǎo)航信息，如何實現(xiàn)多機(jī)器人之間的信息交互等都未提到。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于為了給室內(nèi)多移動機(jī)器人系統(tǒng)提供完備的導(dǎo)航信息，進(jìn)而提供一種多移動機(jī)器人的智能空間及導(dǎo)航信息獲取方法。

本發(fā)明的智能空間的技術(shù)方案是：智能空間由分布式視覺系統(tǒng)和基于Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成。分布式視覺系統(tǒng)包括安裝在室內(nèi)頂棚的多個CCD攝像機(jī)，多路圖像采集卡，以及監(jiān)控主機(jī)等。攝像機(jī)通過視頻線與安裝在監(jiān)控主機(jī)PCI插槽內(nèi)的圖像采集卡相連。基于Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括以帶有路由功能的CC2430芯片為核心的參考節(jié)點，帶有硬件定位引擎的CC2431芯片為核心的盲節(jié)點，以及裝有CC2430芯片的Zigbee網(wǎng)關(guān)。參考節(jié)點掛靠在室內(nèi)四周墻壁上，盲節(jié)點安裝在移動機(jī)器人身上，Zigbee網(wǎng)關(guān)通過RS232串口與監(jiān)控主機(jī)相連，從而構(gòu)成一個完整的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

本發(fā)明多移動機(jī)器人的智能空間的環(huán)境地圖信息獲取方法，所述先進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境的圖像拼接；然后進(jìn)行地圖信息獲取。

圖像拼接采用如下步驟：

(1)利用分布式CCD攝像機(jī)（3）采集室內(nèi)不同區(qū)域的圖像；

(2)進(jìn)行圖像預(yù)處理：采用5×5的結(jié)構(gòu)元素對步驟（1）采集的圖像進(jìn)行中值濾波的平滑處理，去除圖像中可能存在的噪聲點得到待拼接圖像；

(3)利用最大梯度相似曲線法確定待拼接圖像各重疊區(qū)域；

(4)利用Harris角點檢測算法在各重疊區(qū)域中提取角點；

(5)利用奇異值分解算法和歐式距離法進(jìn)行各重疊區(qū)域的角點匹配；

(6)找出各重疊區(qū)域最相似的三對角點，建立各重疊區(qū)域的仿射變換模型；

(7)完成整個室內(nèi)環(huán)境的圖像拼接。