[發(fā)明專利]基于影像特征的機(jī)器人定位的方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011305833.0
• 申請日: 2020-11-19
• 公開（公告）號: CN112558602A
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陶潁軍
• 申請（專利權(quán)）人: 許昌許繼軟件技術(shù)有限公司;許繼集團(tuán)有限公司;許繼電氣股份有限公司
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02;G06T7/246;G06T7/277;G06T7/73;G06T7/80
• 代理公司: 北京中政聯(lián)科專利代理事務(wù)所(普通合伙) 11489
• 代理人: 朱曉娟

本發(fā)明公開了一種基于影像特征的機(jī)器人定位方法和系統(tǒng)，該方法運(yùn)用擴(kuò)展性卡爾曼濾波器，整合里程編碼器信息與向上鏡頭相機(jī)的影像資料，同時借助SURF算法來對影像特征點(diǎn)進(jìn)行描述匹配，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的同步定位與建圖；通過將同步定位與建圖過程中的機(jī)器人位置與影像特征點(diǎn)信息存儲為資料庫，針對機(jī)器人定位失敗或者重新運(yùn)行的情況，借助該資料庫結(jié)果與影像定位方法可定位出機(jī)器人位置，從而達(dá)到機(jī)器人位置復(fù)原與路徑拼接的目的。此方法能有效解決某些因素導(dǎo)致的定位失效，改善機(jī)器人同步定位與建圖無法延續(xù)的問題，具有廣泛的工程應(yīng)用價值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及自動化控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于影像特征的機(jī)器人定位的方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著時代與科技的發(fā)展，機(jī)器人逐漸走進(jìn)人們的生活，而不再局限于工廠里的生產(chǎn)工具，日常生活中包括掃地、安保、送餐、看護(hù)等場合都能看到機(jī)器人的身影，而當(dāng)機(jī)器人開始行走時，其導(dǎo)航定位就成為十分重要的課題，進(jìn)而發(fā)展出同步定位與建圖技術(shù)(SLAM)。

目前SLAM的方法，有的使用范圍傳感器，有的使用雷達(dá)測距儀、紅外線測距儀，這些傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于精確度比較高且較迅速，但成本較高且范圍傳感器只能提供一維信息，加上機(jī)器人的左右輪，利用里程傳感器最多能夠提供兩維環(huán)境信息，或者是利用視覺傳感器，相比較與范圍傳感器，成本比較低廉，且能夠獲取到三維空間信息，此外還有組合兩者的復(fù)合傳感器，例如kinect；在1991年John J.leonard和Hugh Durrant-Whyt完成了利用擴(kuò)展性卡爾曼濾波器，結(jié)合聲吶傳感器的運(yùn)動狀態(tài)估計，達(dá)到了SLAM功能的機(jī)器人；2003年開始，A.J.Davision等人提出利用單鏡頭相機(jī)完成同步定位與建圖功能，即運(yùn)用相機(jī)在不同位置，取得影像平面上環(huán)境特征點(diǎn)坐標(biāo)的相對變化作為測量向量值；

在特征點(diǎn)選取與匹配的方法，從早期C.Harris與M.Stephens提出的Harris角點(diǎn)與邊緣檢測，還有由David.G.Lowe提出的SIFT算法與H.Bay提出的SURF算法。在SLAM可行后，開始出現(xiàn)利用影像資料進(jìn)行機(jī)器人路徑復(fù)原與拼接的研究，在1999年Dellaert,F.等人提出利用蒙特卡洛方法進(jìn)行機(jī)器人路徑復(fù)原，但此方法使用的前提是必須在已知空間內(nèi)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于影像特征的機(jī)器人定位的方法，利用向上鏡頭相機(jī)作為感測器，能夠達(dá)到較低成本的同步定位與建圖，同時克服傳統(tǒng)向前相機(jī)定位穩(wěn)定性差、誤差大的問題，而且能夠有效解決在機(jī)器人運(yùn)動時，由某些因素造成機(jī)器人脫離主要路徑，從而導(dǎo)致定位失敗；或是因為某些特殊工作需求，使得初始絕對位置與原始路徑不同，從而造成同步定位與建圖無法延續(xù)的問題。

為解決上述問題，本發(fā)明的提供了一種基于影像特征的機(jī)器人定位的方法，包括：實(shí)時采集所述機(jī)器人的影像數(shù)據(jù)和里程編碼器測量數(shù)據(jù)；對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行鏡頭形變校正處理，存儲鏡頭形變校正處理后的影像數(shù)據(jù)于影像數(shù)據(jù)庫和存儲里程編碼器測量數(shù)據(jù)。

根據(jù)所述機(jī)器人的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成影像平面坐標(biāo)，根據(jù)所述影像平面坐標(biāo)和所述里程編碼器測量數(shù)據(jù)定義所述機(jī)器人的運(yùn)動模型；

根據(jù)所述影像數(shù)據(jù)的影像特征點(diǎn)更新同步定位與建圖SLAM數(shù)據(jù)庫。

匹配每次所述SLAM計算的影像特征數(shù)據(jù)與其前一次SLAM計算的影像特征數(shù)據(jù)，得到匹配值。根據(jù)所述匹配值計算所述機(jī)器人下一時刻的位置和旋轉(zhuǎn)角度，得到機(jī)器人的移動路徑。

根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，所述根據(jù)所述影像平面坐標(biāo)和所述里程編碼器測量數(shù)據(jù)定義所述機(jī)器人的運(yùn)動模型，包括：

根據(jù)所述里程編碼器測量數(shù)據(jù)定義所述機(jī)器人的左輪速度、右輪速度、中心速度和角速度。

根據(jù)所述機(jī)器人的影像平面坐標(biāo)、所述里程編碼器測量數(shù)據(jù)定義所述所述機(jī)器人位移向量和位移角度。

根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，所述實(shí)時采集所述機(jī)器人的影像數(shù)據(jù)和里程編碼器測量數(shù)據(jù)的時間間隔為Δt。