用于移动机器人室内定位的方法和设备的制造方法

用于移动机器人室内定位的方法和设备的制造方法
【专利摘要】本发明的实施方式涉及用于移动机器人室内定位的方法和设备。该方法包括：根据移动机器人室内定位技术估计其当前定位；访问参考物数据库，从中选择一个真实定位和相关联的参考图像；将移动机器人导航至所选择的真实定位；利用移动机器人配备的摄像头进行图像拍摄，获得拍摄图像；将拍摄图像中包括的参考物图像与所选择的参考图像中包括的参考物图像进行对比；以及根据对比的结果来确定移动机器人室内定位技术产生的定位误差。根据本发明实施方式，能够改善移动机器人的室内定位。
【专利说明】
用于移动机器人室内定位的方法和设备
技术领域
[0001 ]本发明的实施方式涉及移动机器人室内定位的技术领域，更具体地，涉及移动机 器人室内定位的误差确定和误差校正。
【背景技术】
[0002] 随着移动机器人技术的快速发展和日趋成熟，移动机器人在家庭和公共场所等室 内环境的应用也越来越广泛。基于移动机器人的各种服务和应用要求移动机器人能够实时 了解自身的定位信息，包括自身位置和航向，然后可以按照规划路径准确到达目的地完成 指定任务。因此，室内定位是移动机器人领域的关键技术之一。
[0003] 室内定位目前出现了各种技术，如超宽带技术、基于无线局为(WLAN)定位技术、激 光测距定位技术、基于惯性导航的定位技术、基于里程计的定位技术等。而每种定位技术都 存在各自的缺点和局限性，大多数方案采用多种定位技术的组合导航。但是由于每种定位 技术所依赖的传感器本身精度限制和周围环境干扰，导致室内定位不可避免地存在位置和 航向误差。

【发明内容】

[0004] 有鉴于此，本发明实施方式的目的之一旨在改善移动机器人的室内定位。
[0005] 根据本发明的一个方面，提供一种用于移动机器人室内定位的方法。该方法可以 包括:根据移动机器人室内定位技术估计移动机器人的当前定位;访问参考物数据库，所述 参考物数据库包括所述移动机器人配备的摄像头拍摄的、关于至少一个参考物中的每个参 考物的一幅参考图像，以及与所述参考图像关联的、所述摄像头拍摄所述参考图像时所述 移动机器人的相应真实定位，并且从所述参考物数据库中选择一个真实定位和相关联的参 考图像，其中所述参考物是室内环境中的静止物体;将所述移动机器人导航至目标定位，所 述目标定位的数值是根据所述移动机器人室内定位技术对于所选择的真实定位的估计值； 利用所述移动机器人配备的所述摄像头进行图像拍摄，获得拍摄图像;将所述拍摄图像中 包括的参考物图像、即实际参考物图像与所选择的相关联的参考图像中包括的参考物图 像、即数据库参考物图像进行对比；以及根据对比的结果来确定所述移动机器人室内定位 技术产生的定位误差。
[0006] 根据本发明的另一个方面，提供一种用于移动机器人室内定位的设备。该设备可 以包括:估计装置，用于根据移动机器人室内定位技术估计移动机器人的当前定位;访问装 置，用于访问参考物数据库，所述参考物数据库包括所述移动机器人配备的摄像头拍摄的、 关于至少一个参考物中的每个参考物的一幅参考图像，以及与所述参考图像关联的、所述 摄像头拍摄所述参考图像时所述移动机器人的相应真实定位，并且从所述参考物数据库中 选择一个真实定位和相关联的参考图像，其中所述参考物是室内环境中的静止物体;导航 装置，用于将所述移动机器人导航至目标定位，所述目标定位的数值是根据所述移动机器 人室内定位技术对于所选择的真实定位的估计值;拍摄装置，用于利用所述移动机器人配 备的所述摄像头进行图像拍摄，获得拍摄图像;对比装置，用于将所述拍摄图像中包括的参 考物图像、即实际参考物图像与所选择的相关联的参考图像中包括的参考物图像、即数据 库参考物图像进行对比；以及确定装置，用于根据对比的结果来确定所述移动机器人室内 定位技术产生的定位误差。
[0007] 在一个实施方式中，所述确定装置可以进一步包括:调整和特征匹配装置，用于根 据对比的结果调整所述移动机器人的定位，并且对所述移动机器人配备的所述摄像头所拍 摄的拍摄图像中包括的实际参考物图像与所述数据库参考物图像进行特征匹配，使得达到 最佳匹配度；以及定位误差确定装置，用于根据特征匹配的结果来确定所述移动机器人室 内定位技术产生的定位误差。
[0008] 进一步地，所述调整和特征匹配装置可以包括:第一调整和特征匹配装置，用于通 过对移动机器人进行以下各项操作中的一项或多项：向左和/或向右移动、向左和/或向右 旋转、以及向前和/或向后调整，使得所述移动机器人配备的所述摄像头所拍摄的拍摄图像 中包括的实际参考物图像与所述数据库参考物图像在形状方面和尺寸方面达到最佳匹配 度;第二调整和特征匹配装置，用于通过向左和/或向右旋转移动机器人，使得所述摄像头 所拍摄的拍摄图像中包括的实际参考物图像与所述数据库参考物图像在形状方面达到最 佳匹配度;或者第三调整和特征匹配装置，用于通过向前和/或向后调整移动机器人，使得 所述摄像头所拍摄的拍摄图像中包括的实际参考物图像与所述数据库参考物图像在尺寸 方面达到最佳匹配度。
[0009] 进一步地，所述参考物数据库还可以包括与所述移动机器人的一个真实定位相关 联的多幅参考图像，所述多幅参考图像包括所述移动机器人配备的摄像头在所述移动机器 人的如下定位拍摄的关于参考物的参考图像集合、以及拍摄每幅参考图像时的所述移动机 器人的相应真实定位:所述移动机器人的所述真实定位，在所述移动机器人的真实定位处 向左和向右各旋转η次所述移动机器人的最小旋转角度，在所述移动机器人的真实定位处 向左和向右各移动m次所述移动机器人的最小移动距离，以及在所述移动机器人的真实定 位处向左和向右各移动m次所述移动机器人的最小移动距离并且在每个移动后的位置处向 左和向右各旋转η次所述移动机器人的最小旋转角度，其中m和η为自然数。所述调整和特征 匹配装置可以进一步包括:第四调整和特征匹配装置，用于通过向左和/或向右旋转移动机 器人，使得所述摄像头所拍摄的拍摄图像中包括的实际参考物图像与所述多幅参考图像中 包括的数据库参考物图像在形状方面达到最佳匹配度；以及第五调整和特征匹配装置，用 于通过向前和/或向后调整移动机器人，使得所述摄像头所拍摄的拍摄图像中包括的实际 参考物图像与所述数据库参考物图像在尺寸方面达到最佳匹配度。
[0010] 在一个实施方式中，所述确定装置可以进一步包括:第一确定装置，用于根据所述 移动机器人室内定位技术估计特征匹配后的所述移动机器人的定位(丹，心），并且根据所述 特征匹配后的定位(丹，心)和所述参考物数据库中存储的、与拍摄所述达到最佳匹配度的参 考图像时的所述移动机器人的相应真实定位来确定所述移动机器人室内定位技术产生的 定位误差。
[0011] 在一个实施方式中，所述确定装置可以进一步包括:第二确定装置，用于通过所述 实际参考物图像和所述数据库参考物图像距离各自拍摄图像左边缘或者右边缘的距离差 来确定航向误差;或者第三确定装置，用于通过移动机器人拍摄所述实际参考物图像时距 离参考物的距离、和参考物数据库中存储的移动机器人拍摄数据库参考物图像时距离参考 物的距离来确定位置误差；
[0012] 在一个实施方式中，所述设备还可以包括:误差校正装置，用于利用所确定的定位 误差对根据所述移动机器人室内定位技术所估计的移动机器人的定位进行误差校正。
[0013] 根据本发明的又一个方面，提供一种在计算机可读存储介质中实现的计算机程序 产品，所述计算机可读存储介质具有存储于其中的计算机可读程序代码部分，所述计算机 可读程序代码部分被配置为执行如前所述的方法。
[0014] 根据本发明实施方式的技术方案，能够及时发现移动机器人在室内导航过程中所 产生的定位误差，从而在必要时可以对该定位误差进行校正。
[0015] 从下文结合附图所做出的详细描述中，本发明的这些和其他优点和特征将变得更 加明显，其中在整个下文描述的若干附图中，类似的元件将具有类似的编号。
【附图说明】
[0016] 图1图示现有技术的室内定位和导航技术的方法的流程图；
[0017]图2图示了基于超宽带(UWB)的定位和导航技术的示意图；
[0018] 图3图示根据本发明的实施方式的用于移动机器人定位的方法的流程图；
[0019] 图4图示根据本发明的实施方式的用于移动机器人定位和导航的方法的流程图；
[0020] 图5A、图5B和图5C图示实际参考物图像相对于数据库参考物图像所可能发生变化 的不意图；
[0021 ]图6图示实际参考物图像与数据库参考物图像匹配的示意图；以及
[0022] 图7图示了移动机器人拍摄画面中的数据库参考物图像和实际参考物图像的可能 的偏差。
【具体实施方式】
[0023] 下文将参考附图更完整地描述本公开内容，其中在附图中显示了本公开内容的实 施方式。但是这些实施方式可以用许多不同形式来实现并且不应该被解释为限于本文所述 的实施方式。相反地，提供这些实例以使得本公开内容将是透彻和完整的，并且将全面地向 本领域的熟练技术人员表达本公开内容的范围。
[0024]下面结合附图以示例的方式详细描述本发明的各种实施方式。
[0025] 图1图示了现有技术的室内定位和导航技术的方法100的流程图。
[0026] 步骤S110,室内地图创建。室内地图的创建可以采用卷尺和激光测距仪等方法，测 量墙壁的长度和厚度以及相对坐标原点的位置，基于直角坐标系建立室内地图数据库。 [0027]步骤S120,路径规划。路径规划一般是指机器人在有障碍物的环境中，按照一定的 评价标准，寻找一条从当前位置到目标位置的无碰撞路径。移动机器人导航引擎在得到目 标位置与当前位置信息后，就需要根据地图，计算出最优的路径、以及可能的备选路径，将 移动机器人导航到目的地。常见的路径规划算法例如包括A*和Dijkstra算法。
[0028] 步骤S130,室内导航。移动机器人导航引擎使用所规划的路径将移动机器人导航 到目标位置。
[0029] 移动机器人导航引擎可以采用的定位和导航技术例如可以是基于超宽带(UWB)的 定位和导航技术、基于惯性的定位和导航技术、基于无线局域网(WLAN)的定位和导航技术、 激光测距定位和导航技术、基于视觉导航的定位和导航技术、基于超声波测距的定位和导 航技术、或者它们中的一项或多项的结合。本领域技术人员应当能够理解这些定位和导航 技术的基本原理、和定位误差产生的原因，然而考虑到本文的完整性，下面仅以超宽带 (UWB)技术和惯性定位和导航技术为例做个简单说明。
[0030]超宽带可以测量基站和标签之间的距离信息。将标签安装到移动机器人上，当标 签同时测量到三个及以上基站的距离信息时，采用三边测量法就可以计算出移动机器人的 位置和航向。图2图示了基于超宽带(UWB)的定位和导航技术的示意图。如图2所示，具体计 算步骤可以如下：
[0031] 1)基站六、8、(：的位置为已知，分别为(13,73)、（11 )，71))、（1。，7。），利用基站发射的超 宽带信号测量的其距离标签T的距离分别为ra、η和r c;
[0032] 2)标签T的位置为(xt，yt)。则根据步骤1)的信息，可得出以下公式：
[0033] (xt-xa)2+(yt~ya)2 = ra2
[0034] (xt-xb) 2+ (yt-yb)2 = η2
[0035] (xt-xc) 2+ (yt-y〇)2 = rc2
[0036] 3)由步骤2)中公式，可计算出标签T的位置(Xt，yt)为：
[0039] 4)根据当前时刻标签T的位置(xt，yt)和上一时刻标签T的位置(xto，yto)，可计算标 签T的航向Ψ为：
[0041] 可见，在超宽带室内定位中，引起定位误差的因素有两个，一是UWB信号的传播效 应，包括非视距传播效应、多径传播效应及远近效应等，二是由于当前时刻标签位置的计算 依赖于前一时刻标签位置所带来的累积误差。
[0042] 惯性定位和导航技术是通过陀螺仪、加速计、里程计等传感器来进行移动机器人 的定位和导航。陀螺仪测量移动机器人的角速度，里程计测量移动机器人的移动距离，陀螺 仪/里程计可以计算移动机器人的相对变化位置。具体步骤如下：
[0043] 1)在室内布置多个超宽带基站，并记录基站在室内地图下的位置信息；
[0044] 2)当组合导航未初始化位置和航向时，如果标签测量到的基站距离信息小于三 个，则移动机器人自由行走，直到测量到的基站距离信息不少于三个；
[0045] 3)当标签测量到三个及以上基站数据时，移动机器人根据标签和基站的距离信息 计算移动机器人的位置和航向，完成组合导航的位置和航向初始化；
[0046] 4)移动机器人根据当前时刻的位置和航向，基于陀螺仪的角速度数据和里程计的 距离数据计算下一时刻的位置和航向；
[0047] 5)当标签测量到三个及以上基站数据时，计算出移动机器人的位置和航向，并与 步骤4)所得位置和航向按照设置的比例参数进行融合，并作为移动机器人的真实位置和航 向；
[0048] 6)当标签未测量到三个基站数据时，步骤4)所得位置和航向即为移动机器人的真 实位置和航向。
[0049] 可见，惯性定位和导航技术所使用的传感器的精度会产生即时误差，依赖于前一 时刻定位来计算当前时刻定位会带来累积误差。
[0050] 参考图3,其图示根据本发明的实施方式的用于移动机器人定位的方法300的流程 图。方法300可以用于确定移动机器人室内定位方法的定位误差，并且可选地，可以进行定 位误差校正。定位可以包括移动机器人的位置和航向，定位误差可以包括位置误差和航向 误差。应当理解，方法300可以结合在方法100的描述所提及的任何一种定位和导航技术而 使用。
[0051] 步骤S310,根据移动机器人室内定位技术估计移动机器人的当前定位。
[0052]步骤S320,访问参考物数据库，所述参考物数据库包括移动机器人配备的摄像头 拍摄的、关于至少一个参考物中的每个参考物的一幅或多幅参考图像，以及与所述参考图 像关联的、所述摄像头拍摄参考图像时移动机器人的真实定位，其中所述参考物是用来在 其中定位移动机器人的环境中的静止物体，并且从所述参考物数据库中选择一个真实定位 和相关联的参考图像。
[0053]在一个实施例中，可以从参考物数据库中选择与所选择的当前定位所需距离最短 的真实定位。在一个实施例中，可以从参考物数据库中选择从当前定位导航到所需时间最 短的真实定位。在一个实施例中，可以选择在所需距离和所需时间两个方面较为折中的真 实定位。
[0054]步骤S330，将移动机器人导航至所选择的真实定位，即目标定位，所述目标定位是 根据所述移动机器人室内定位技术所估计出的。
[0055] 步骤S340,利用移动机器人配备的摄像头进行图像拍摄，获得拍摄图像。应当注 意，该拍摄图像中需要包括参考物图像，该参考物也出现在所选择的相关联的参考图像中； 否则，表明移动机器人室内定位技术的累积误差过大了，使得参考物不能出现在移动机器 人配备的摄像头的视野中了，至少应当在累积误差积累到出现这种情况之前进行误差校 正。在一个实施例中，可以据出现这种情况来定义误差校正阈值。
[0056] 步骤S350,将所述拍摄图像中包括的参考物图像(也称为实际参考物图像)与所选 择的相关联的参考图像中包括的参考物图像(也称为数据库参考物图像)进行对比。对比可 以包括形状和/或尺寸方面的对比。形状对比是指判断实际参考物图像相对于数据库参考 物图像是否存在变形，比如向左倾斜、向右倾斜，这是由于拍摄时的摄像头的方向不同（表 明机器人的航向不同）所引起的。尺寸对比是指判断实际参考物图像相对于数据库参考物 图像在形状相同的前提下是否存在大小变化，比如尺寸偏小、尺寸偏大，这是由于拍摄时的 摄像头距离参考物的距离不同所引起的。
[0057]步骤S360,根据对比的结果来确定移动机器人室内定位技术产生的定位误差。 [0058] 在可选的步骤S370,必要时，可以利用所确定的定位误差对步骤S310中所估计的 移动机器人的当前定位进行误差校正。可以只在确定的定位误差超过预设的阈值时，才执 行此校正步骤。例如，该阈值可以是进行了预设次数的定位和导航，比如执行了 3次惯性导 航后执行一次定位误差校正。
[0059] 进一步地，在步骤S320之前，方法300还可以包括步骤S315,确定是否需要对步骤 S310中所估计的移动机器人的当前定位进行误差确定(未示出）。只有在估计当前定位的误 差可能超过误差阈值时，才执行步骤S320及后续进行，进行定位误差确认。例如，该误差阈 值可以是进行了预设次数的定位和导航，比如执行了 3次惯性导航后执行一次定位误差确 定，还可以是航向误差超过了预设的航向误差阈值、和/或位置误差超过了预设的位置误差 阈值;或者，该误差阈值可以依据所采用移动机器人室内定位技术而定;或者，该误差阈值 可以依据定位所使用传感器的精度而定。
[0060] 可选地，方法300还可以包括建立参考物数据库的步骤。应当理解，无需针对每次 误差确定或者误差校正的方法300的流程都执行建立参考物数据库的步骤。预先建立的参 考物数据库也可以为家庭内的不同的移动机器人所共用。可以将参考物数据库存储在移动 机器人中，也可以将参考物数据库存储在移动机器人之外的服务器中，在步骤S320中，移动 机器人需要与该服务器通信来获取从所述参考物数据库中选择的真实定位和相关联的参 考图像。
[0061] 参考图4,其图示了根据本发明的实施方式的用于移动机器人定位和导航的方法 400的流程图。方法400可以理解为是将图2所示的定位误差确定和校正方法应用于图1所示 的移动机器人定位和导航方法的一个具体实例。
[0062] 步骤S402,室内地图创建。
[0063]步骤S404，建立参考物数据库，具体建立步骤可以如下进行：
[0064] 1)可以选择固定在墙壁上的电灯开关、消防警钟、电视等作为参考物。所选参考物 不局限于以上物体，所有固定在墙壁上的易识别物体和标记均在所述范围之内；或者，还例 如可以是固定摆放的家具（比如电视、饮水机等）、或者家具上的标记（比如Logo、电子家具 的开关按键)等。
[0065] 2)将移动机器人调整到处于参考物前方，开启摄像头拍摄参考物，存储参考物图 像至参考物数据库，并用卷尺或激光测距仪等准确测量此时(进行拍摄时)移动机器人的定 位，包括位置P true和航向Atrue，建立参考物图像与拍摄时的机器人定位Ptrue和航向A true-一 对应的参考物数据库记录。参考物数据库不局限某一个参考物，可建立多个参考物图像与 拍摄位置和航向的数据库，且同一幅图像中可同时包含多个参考物。
[0066] 3)以多个角度拍摄同一参考物，和/或以一个或多个角度拍摄不同的参考物，按照 步骤2)建立参考物数据库。
[0067]步骤S410,根据移动机器人室内定位技术估计移动机器人的当前定位。
[0068]步骤S420，访问参考物数据库，并且从所述参考物数据库中选择一个真实定位和 相关联的参考图像。
[0069]步骤S422,路径规划。比如，当监测到定位传感器出现故障、定位系统受到环境干 扰等情况时，这可能会导致定位或定向误差超过阈值，移动机器人需要利用参考物进行定 位和定向误差确定和修正。移动机器人可以根据当前定位从参考物数据库中选择距离最近 的参考物图像，并将所对应的拍摄位置和航向作为目标定向，根据室内地图计算出从当前 位置到目标点的最佳路径，避开墙壁等各种障碍物，指导移动机器人按照规划路径行驶。
[0070]步骤S424,室内导航。移动机器人导航引擎使用步骤S422中所计算的路径将移动 机器人导航到目标定向。
[0071 ]步骤S430，将移动机器人导航至所选择的真实定位，即目标定位，所述目标定位是 根据所述移动机器人室内定位技术所估计出的。
[0072]步骤S440,利用移动机器人配备的摄像头进行图像拍摄，获得拍摄图像。
[0073]移动机器人到达目的定向后，可以打开摄像头进行数据采集，将摄像画面作为图 像存储。由于室内导航存在误差，移动机器人的位置和航向与预期存在差距，导致拍摄的实 际参考物与数据库参考物相比，可能存在变形、尺寸偏小和尺寸偏大等问题。
[0074]步骤S450,将所述拍摄图像中包括的参考物图像(也称为实际参考物图像)与所选 择的相关联的参考图像中包括的参考物图像(也称为数据库参考物图像)进行对比。图5A、 图5B和图5C图示摄像头拍摄的实际参考物图像相对于数据库参考物图像所可能发生的变 化的示意图，分别图示了实际参考物图像发生变形、尺寸偏大、尺寸偏小的情形。
[0075]步骤S460,根据对比的结果来确定移动机器人室内定位技术产生的定位误差，具 体可以包括步骤S4602和S4604。
[0076]在步骤S4602,根据对比的结果调整所述移动机器人的航向，使得移动机器人配备 的摄像头所拍摄的图像中的参考物图像与所选择的相关联的参考图像中包括的参考物图 像趋于一致。
[0077] 根据摄像头采集的实际参考物图像和数据库参考物图像进行对比，分析两者的匹 配情况，判断实际参考物的状态，包括变形、尺寸偏小和尺寸偏大三种。当移动机器人位置 偏左、偏右或拍摄航向与数据库的移动人定向不一致时，会导致参考物变形；当移动机器人 位置偏前或偏后时，会导致参考物尺寸偏大或偏小。
[0078] 可以通过调整移动机器人的位置和航向，校正参考物的拍摄效果，实现参考物的 拍摄效果与数据库参考物的某一个图像一致。
[0079]在步骤S4604，确定所述移动机器人所调整的定位变化，即为所述移动机器人室内 定位技术产生的当前定位误差，包括位置误差和航向误差Α^。
[0080] 步骤S470,利用所确定的定位误差对步骤S410中所估计的移动机器人的当前定位 进行误差校正。在步骤S460中计算出位置误差P err和航向误差Aerr后，可以对步骤S410中所 估计的定位，即位置P1和航向A1，进行校正，得到移动机器人的校正后的定位，位置Pi'和 Αι'：
[0081] P'^Pl-Perr
[0082] Α'ι = Αι-Αθιτ
[0083] 在步骤S360和步骤S460中，可以有多种方式确定移动机器人室内定位技术产生的 定位误差。
[0084] 在第一实施方式中，可以只采用参考物数据库中的参考物的一幅图像，通过调整 移动机器人的位置和航向，使拍摄的实际参考物与数据库参考物达到最佳匹配度来进行误 差确定，可以执行如下步骤：
[0085]步骤Sla，设置移动机器人导航引擎使得移动机器人左右移动的最小距离为d，左 右旋转最小角度为Θ，预先设定在进行定位误差确定时要进行的移动次数为左右各为m，要 进行的旋转次数左右各为η。移动机器人未进行调整前的位置为Ρο，航向为A〇。
[0086]步骤Sib，在移动机器人的当前定位(Po，Ao)，保持移动机器人位置不动，将航向依 次向左旋转〇*θ、1*θ、…、η*θ拍摄参考物，并相应计算实际参考物图像与数据库参考物图像 的匹配度So、Si、…、S n。然后，向右旋转η*θ，回到航向Αο。接着，将机器人的航向依次向右旋 转1*θ、2*θ、…、η*θ拍摄参考物，并相应计算实际参考物图像与数据库参考物图像的匹配度 Sn+1、Sn+2、…、S2n。然后，向左旋转η*θ，回到航向Αο。则，该定位(Ρο，Αο)所拍摄的实际参考物图 像与数据库参考物图像的最高匹配度为DoiMAXiS^Si，…，S 2n}，记录该位置的最高匹配度 Do、和与Do对应的左右旋转的航向Yo (Yo = j*Θ，j属于{-n，…，n}中的某个值），其中j表示取 得最高匹配度Do的航向左右旋转的次数。还同时记录移动机器人左右移动的距离L Q(LQ = i* (14属于{_111，一，111}中的某个值）。其中1表示移动机器人相对于定位(？()4())进行左右移动的 次数，此时，由于移动机器人未进行左右移动，所以i = 〇。
[0087] 步骤Sic，移动机器人依次向左移动l*d、2*d、…、m*d，并在每个位置执行步骤Sib， 计算并记录相应的最高匹配度Di以及对应的左右移动距离和航向，从而，有池山A}，{D2， L2，Y2}，.··，{ Dm，Lin，Yin } 〇
[0088] 步骤Sld，移动机器人回到当前定位(Po，Ao)。然后，移动机器人依次向右移动l*d、 2*d、-_、m*d，并在每个位置执行步骤Slb，计算并记录相应的最高匹配度Di以及对应的左右 移动距离和航向，从而，有{D-hL-iU，{D- 2，L-2，Y-2}，…，{D-m，L-m，Y- m}。
[0089] 步骤Sle，在不考虑尺寸问题的情况下，实际参考物图像与数据库参考物图像的最 佳匹配度为D=MAX{D-m，…，，…，D m}。根据D所对应的左右移动距离L和左右旋转航 向Y调整移动机器人，该状态下所拍摄的实际参考物图像与数据库参考物图像只存在尺寸 不一致问题，不存在变形。
[0090] 步骤Slf，若此时实际参考物图像与数据库参考物图像尺寸也相等，则参考物图像 的特征匹配完成，如图6所示，其示出了实际参考物图像与数据库参考物图像尺寸刚好匹配 的情形。记录移动机器人此时的定位为(Ρ^ΑΟ,为室内定位系统的位置和航向输出。则此 时，位置误差IW = Pl-PtrUe，航向误差和Atrue为与数据库参考物图像对应 的参考物数据库中的移动机器人定位，包括位置和航向。
[0091] 若此时实际参考物图像比数据库参考物图像尺寸小，则调整移动机器人前进，直 到两者尺寸相等，参考物特征匹配完成，如图6所示。记录移动机器人此时的定位为(PhAO， 为室内定位系统的位置和航向输出。则此时，位置误差P err = Pi-Ptrue3,航向误差 Atrue3，Ptrue3和Atrue3为与数据库参考物图像对应的参考物数据库中的移动机器人定位，包括位 置和航向。
[0092] 若此时实际参考物图像比数据库参考物图像尺寸大，则调整移动机器人后退，直 到两者尺寸相等，参考物特征匹配完成，如图6所示。记录移动机器人此时的定位为(Ρ^ΑΟ， 为室内定位系统的位置和航向输出。则此时，位置误差P err = Pi-Ptrue3,航向误差 Atrue3，Ptrue3和Atrue3为与数据库参考物图像对应的参考物数据库中的移动机器人定位，包括位 置和航向。
[0093] 在第一实施方式中，需多次调整移动机器人，比较耗时，且对移动机器人进行左右 移动的调整比较麻烦。为此，在第二实施方式中，可采用数据库中一个参考物的多幅图像进 行特征匹配，避免左右移动。
[0094] 在第二实施方式中，参考物数据库包括一个参考物的多幅图像，该多幅图像包括 移动机器人在一个拍摄位置拍摄的一幅图像、和在该位置左右各移动m次拍摄的2m幅图像。 机器人每次能够左右移动的距离是确定的，例如为d。在第二实施方式中，采用数据库的多 幅参考物图像进行匹配，通过调整移动机器人左右旋转(调整航向）和前后移动实现参考物 特征匹配，使拍摄的实际参考物与数据库参考物达到最佳匹配度来进行误差确定，可以执 行如下步骤：
[0095] 步骤S2a，保持移动机器人位置不动，调整移动机器人左右旋转（依次改变航向 角），使实际参考物图像与多幅数据库参考物图像中的某幅图像的匹配度最高，该状态下所 拍摄的实际参考物图像与数据库参考物图像只存在尺寸不一致问题，不存在变形。
[0096] 步骤S2b，当实际参考物图像与数据库参考物图像尺寸相等时，参考物特征匹配完 成；当实际参考物图像尺寸比数据库参考物图像尺寸小时，调整移动机器人前进，直到两者 尺寸相等，参考物特征匹配完成；当实际参考物图像尺寸比数据库参考物图像尺寸大时，调 整移动机器人后退，直到两者尺寸相等，参考物特征匹配完成。在后两种情况下，将移动机 器人移动到参考物数据库中的与最匹配的数据库参考物关联的移动机器人拍摄该图像时 的位置。记录移动机器人最后的定位为(Ρ^ΑΟ,为室内定位系统的位置和航向输出。则此 时，位置误差IW = Pl-PtrUe，航向误差和Atrue为与数据库参考物图像对应 的参考物数据库中的移动机器人定位，包括位置和航向。
[0097] 在第三实施方式中，由于室内地面通常是平坦的，可以假设移动机器人摄像头的 高度是固定不变的，则参考物在摄像画面中的相对高度是不变的，只存在左右偏差。图7图 示了移动机器人拍摄画面(也称为摄影画面）中的数据库参考物图像和实际参考物图像的 可能的偏差。因此，有可能通过偏差距离来反推航向误差，避免移动机器人旋转，减少调整 过程，具体步骤如下：
[0098] 步骤S3a，数据库参考物图像和实际参考物图像距离摄影画面左边缘的距离分别 为dl和d2。所述距离可以不局限于左边缘距离，还可以是右边缘距离、或者左边缘和右边缘 的结合。
[0099]步骤S3b，假设移动机器人旋转角度与摄影画面中的距离系数为f，系数f可以用移 动机器人拍摄数据库参考物图像时距离参考物的距离和航向来表示，可以将其与数据库参 考物图像相关联的存储在参考物数据库中，则移动机器人的航向误差为：
[0101] 经过航向误差Aerr校正后所拍摄的实际参考物图像与数据库参考物图像只存在尺 寸不一致问题，不存在变形。
[0102] 步骤S3c，当实际参考物图像与数据库参考物图像尺寸相等时，参考物特征匹配完 成；当实际参考物图像尺寸比数据库参考物图像尺寸小时，调整移动机器人前进，直到两者 尺寸相等，参考物特征匹配完成；当实际参考物图像尺寸比数据库参考物图像尺寸大时，调 整移动机器人后退，直到两者尺寸相等，参考物特征匹配完成。位置误差Perr可以采用第一 或者第二实施方式的确定方式。
[0103] 在第三实施方式中，可以通过实际参考物图像和数据库参考物图像距离摄影画面 边缘的距离差来计算航向误差，移动机器人无需左右旋转，但仍需前后调整来计算位置误 差。
[0104] 在第四实施方式中，由于参考物的尺寸与摄像头和参考物的距离有关，因此可根 据参考物尺寸差来计算位置误差，具体步骤如下：
[0105] 步骤S4a，数据库参考物图像和实际参考物图像距离摄影画面左边缘的距离分别 为dl和d2。所述距离可以不局限于左边缘距离，还可以是右边缘距离、或者左边缘和右边缘 的结合。
[0106] 步骤S4b，假设移动机器人旋转角度与摄影画面中的距离系数为f，则移动机器人 的航向误差为：
[0108] 经过航向误差Aerr校正后所拍摄的实际参考物图像与数据库参考物图像只存在尺 寸不一致问题，不存在变形。
[0109] 步骤S4c，参考物数据库中参考物尺寸（比如高度)为hi，实际参考物尺寸（比如高 度)为h2,摄像头与参考物的距离和尺寸的系数为V，系数v可以用移动机器人拍摄数据库参 考物图像时距离参考物的距离来表示，可以将其与数据库参考物图像相关联的存储在参考 物数据库中，则移动机器人的位置误差为：
[0111] 应当理解，附图中所示流程图图示了按照本发明各种实施例的方法可能实现的功 能和操作，在有些作为替换的实现中，方法流程的执行顺序可以以不同于附图中所标注的 顺序发生。
[0112] 在另一个方面，应当理解，本发明实施方式所提出的各种方法可以被实现为软件、 硬件或者软件和软件的组合。硬件可通过被设计来执行上述功能的转用集成电路(ASIC)、 数字信号处理器(DSP)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、 微处理器、其他电子单元或其组合来实现。软件可通过执行上述功能的模块来实现。软件可 被存储在存储单元中并由处理器运行。作为存储单元或处理器，可采用本领域技术人员公 知的各种单元。因此，本公开内容也意图涵盖能够实现所有这些方法的功能模块架构的装 置，这些装置可以被依软件、硬件、或者软件和硬件的结合来实现。
[0113] 举例而言，本发明实施方式提供了一种移动机器人的室内定位设备。该设备可以 包括:估计装置，用于根据移动机器人室内定位技术估计移动机器人的当前定位;访问装 置，用于访问参考物数据库，所述参考物数据库包括所述移动机器人配备的摄像头拍摄的、 关于至少一个参考物中的每个参考物的一幅参考图像，以及与所述参考图像关联的、所述 摄像头拍摄所述参考图像时所述移动机器人的相应真实定位，并且从所述参考物数据库中 选择一个真实定位和相关联的参考图像，其中所述参考物是室内环境中的静止物体;导航 装置，用于将所述移动机器人导航至目标定位，所述目标定位的数值是根据所述移动机器 人室内定位技术对于所选择的真实定位的估计值;拍摄装置，用于利用所述移动机器人配 备的所述摄像头进行图像拍摄，获得拍摄图像;对比装置，用于将所述拍摄图像中包括的参 考物图像、即实际参考物图像与所选择的相关联的参考图像中包括的参考物图像、即数据 库参考物图像进行对比；以及确定装置，用于根据对比的结果来确定所述移动机器人室内 定位技术产生的定位误差。
[0114] 本发明实施方式的教导还可以实现为一种可以在计算机可读存储介质中实现的 计算机程序产品，所述计算机可读存储介质具有存储于其中的计算机可读程序代码部分， 所述计算机可读程序代码部分被配置为执行如前所述的根据本发明实施方式的方法或者 所述方法的各个步骤。
[0115] 根据本发明的实施方式的用于移动机器人室内定位的方案，包括前述方法和设 备，可以及时发现移动机器人在室内导航过程中所产生的定位误差，并且进一步地，在必要 时可以对该定位误差进行校正。
[0116] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种用于移动机器人室内定位的方法，其特征在于，包括： 根据移动机器人室内定位技术估计移动机器人的当前定位； 访问参考物数据库，所述参考物数据库包括所述移动机器人配备的摄像头拍摄的、关 于至少一个参考物中的每个参考物的一幅参考图像，以及与所述参考图像关联的、所述摄 像头拍摄所述参考图像时所述移动机器人的相应真实定位，并且从所述参考物数据库中选 择一个真实定位和相关联的参考图像，其中所述参考物是室内环境中的静止物体； 将所述移动机器人导航至目标定位(P〇，A〇)，所述目标定位的数值是根据所述移动机器 人室内定位技术对于所选择的真实定位的估计值； 利用所述移动机器人配备的所述摄像头进行图像拍摄，获得拍摄图像； 将所述拍摄图像中包括的参考物图像、即实际参考物图像与所选择的相关联的参考图 像中包括的参考物图像、即数据库参考物图像进行对比；以及 根据对比的结果来确定所述移动机器人室内定位技术产生的定位误差。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据对比的结果来确定所述移动机器人室 内定位技术产生的定位误差进一步包括： 根据对比的结果调整所述移动机器人的定位，并且对所述移动机器人配备的所述摄像 头所拍摄的拍摄图像中包括的实际参考物图像与所述数据库参考物图像进行特征匹配，使 得达到最佳匹配度；以及 根据特征匹配的结果来确定所述移动机器人室内定位技术产生的定位误差。3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据对比的结果调整所述移动机器人 的定位，并且对所述移动机器人配备的所述摄像头所拍摄的拍摄图像中包括的实际参考物 图像与所述数据库参考物图像进行特征匹配，使得达到最佳匹配度包括： 通过对移动机器人进行以下各项操作中的一项或多项：向左和/或向右移动、向左和/ 或向右旋转、以及向前和/或向后调整，使得所述移动机器人配备的所述摄像头所拍摄的拍 摄图像中包括的实际参考物图像与所述数据库参考物图像在形状方面和尺寸方面达到最 佳匹配度； 通过向左和/或向右旋转移动机器人，使得所述摄像头所拍摄的拍摄图像中包括的实 际参考物图像与所述数据库参考物图像在形状方面达到最佳匹配度;或者 通过向前和/或向后调整移动机器人，使得所述摄像头所拍摄的拍摄图像中包括的实 际参考物图像与所述数据库参考物图像在尺寸方面达到最佳匹配度。4. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述参考物数据库还包括与所述移动机器 人的一个真实定位相关联的多幅参考图像，所述多幅参考图像包括所述移动机器人配备的 摄像头在所述移动机器人的如下定位拍摄的关于参考物的参考图像集合、以及拍摄每幅参 考图像时的所述移动机器人的相应真实定位:所述移动机器人的所述真实定位，在所述移 动机器人的真实定位处向左和向右各旋转η次所述移动机器人的最小旋转角度，在所述移 动机器人的真实定位处向左和向右各移动m次所述移动机器人的最小移动距离，以及在所 述移动机器人的真实定位处向左和向右各移动m次所述移动机器人的最小移动距离并且在 每个移动后的位置处向左和向右各旋转η次所述移动机器人的最小旋转角度，其中m和η为 自然数， 所述根据对比的结果调整所述移动机器人的定位，并且对所述移动机器人配备的所述 摄像头所拍摄的拍摄图像中包括的实际参考物图像与所述数据库参考物图像进行特征匹 配，使得达到最佳匹配度包括： 通过向左和/或向右旋转移动机器人，使得所述摄像头所拍摄的拍摄图像中包括的实 际参考物图像与所述多幅参考图像中包括的数据库参考物图像在形状方面达到最佳匹配 度；以及 通过向前和/或向后调整移动机器人，使得所述摄像头所拍摄的拍摄图像中包括的实 际参考物图像与所述数据库参考物图像在尺寸方面达到最佳匹配度。5. 根据权利要求2-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据特征匹配的结果来确 定所述移动机器人室内定位技术产生的定位误差包括： 根据所述移动机器人室内定位技术估计特征匹配后的所述移动机器人的定位(PhAd， 并且根据所述特征匹配后的定位(P^Ai)和所述参考物数据库中存储的、与拍摄所述达到最 佳匹配度的参考图像时的所述移动机器人的相应真实定位来确定所述移动机器人室内定 位技术产生的定位误差。6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据对比的结果来确定所述移动机器人室 内定位技术产生的定位误差进一步包括： 通过所述实际参考物图像和所述数据库参考物图像距离各自拍摄图像左边缘或者右 边缘的距离差来确定航向误差;或者 通过移动机器人拍摄所述实际参考物图像时距离参考物的距离、和参考物数据库中存 储的移动机器人拍摄数据库参考物图像时距离参考物的距离来确定位置误差。7. 根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述参考物为固定在墙壁上物 件，优选地为电灯开关、消防警钟；固定摆放的家具，优选地为电视、饮水机;或者固定摆放 的家具上的标记，优选地为厂商标识、按键。8. 根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，从所述参考物数据库中所选择 的所述真实定位是将所述移动机器人从所述当前位置导航至其所需时间最短、或者所需路 程最短的定位。9. 一种用于移动机器人室内定位的设备，其特征在于，包括： 估计装置，用于根据移动机器人室内定位技术估计移动机器人的当前定位； 访问装置，用于访问参考物数据库，所述参考物数据库包括所述移动机器人配备的摄 像头拍摄的、关于至少一个参考物中的每个参考物的一幅参考图像，以及与所述参考图像 关联的、所述摄像头拍摄所述参考图像时所述移动机器人的相应真实定位，并且从所述参 考物数据库中选择一个真实定位和相关联的参考图像，其中所述参考物是室内环境中的静 止物体； 导航装置，用于将所述移动机器人导航至目标定位(P〇，A〇)，所述目标定位的数值是根 据所述移动机器人室内定位技术对于所选择的真实定位的估计值； 拍摄装置，用于利用所述移动机器人配备的所述摄像头进行图像拍摄，获得拍摄图像； 对比装置，用于将所述拍摄图像中包括的参考物图像、即实际参考物图像与所选择的 相关联的参考图像中包括的参考物图像、即数据库参考物图像进行对比；以及 确定装置，用于根据对比的结果来确定所述移动机器人室内定位技术产生的定位误 差。10. -种在计算机可读存储介质中实现的计算机程序产品，所述计算机可读存储介质 具有存储于其中的计算机可读程序代码部分，所述计算机可读程序代码部分被配置为执行 根据权利要求1-8所述的方法。
【文档编号】G01C21/20GK105865451SQ201610244338
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】殷红, 刘彪, 王可可, 刘英英
【申请人】深圳市神州云海智能科技有限公司