基于位置与视觉信息优化的室内机器人定位方法

申请号 CN201610658178.4 申请日 2016-08-12 公开(公告)号 CN106291517A 公开(公告)日 2017-01-04
申请人 苏州大学; 发明人 李阳; 纪其进; 朱艳琴;
摘要 本 发明 是一种基于 位置 与视觉信息优化的室内 云 机器人 角 度 定位 方法,该方法首先通过RFID读写器接收有源标签发出的 信号 强度RSSI初步计算定位出一个近似位置坐标,确定出 移动机器人 所在位置的大致范围,然后在用图像搜索的定位方法时,图像 数据库 的搜索范围只需要在这个误差范围内即可,这样图像的搜索范围就得以缩小,提高了定位速度和准确性。本方法采用云计算架构, 数据采集 由移动机器人端即客户端完成,数据计算由云端完成,云端的计算速度和存储能 力 大为提升,本方法将两种定位方法相结合并采用云计算的方式,既缩短了定位所需的时间又可获得较为准确的位置坐标及角度信息。
权利要求

1.一种基于位置与视觉信息优化的室内机器人定位方法,包括云端、待定位的移动机器人、以及设置于移动机器人上的RFID读写器和摄像头,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤1)接收初步定位信息,移动机器人通过RFID读写器接收有源标签发出的信号强度RSSI及其对应的标识ID值作为初步定位信息;
步骤2)获取初步位置信息,移动机器人将接收到的初步定位信息发送给云端,云端根据获得的RSSI值计算出移动机器人的初步位置坐标;
步骤3)确定图像搜索范围,选择以步骤2)RFID定位的初步位置坐标结果为圆点,以先验概率误差R为半径的区间范围作为图像数据库中的图像搜索区域;
步骤4)进行图像匹配,移动机器人端通过摄像头获取周围环境景物的图像,并发送给云端,利用图像处理方法对实时获取的图像信息进行去噪处理,采用结构相似性SSIM算法将实时拍摄到的图像与步骤3)的图像搜索区域中图像进行匹配,寻找最佳匹配图像,若匹配成功则进入下一步,若匹配不成功则跳转步骤1);
步骤5)获得坐标位置及角度信息,根据匹配到的图像数据库中的相应的图像,获取其位置坐标及角度信息。
2.根据权利要求1所述的基于位置与视觉信息优化的室内云机器人角度定位方法,其特征在于,所述步骤1)和步骤2)中,根据信号传播模型的方程将RFID读写器读取的信号强度RSSI值转化为RFID读写器到对应标签的绝对距离,再利用三边定位法获得移动机器人的位置坐标。
3.根据权利要求2所述的基于位置与视觉信息优化的室内云机器人角度定位方法,其特征在于,所述信号传播模型为:RFID读写器接受到标签发送的信号强度RSSI在室内环境下随着传播距离增加而衰减程度的方程,信号传播模型采用一种对数-常态分布传播损耗模型,其方程为:

式中, 为RFID读写器接受到标签的信号强度RSSI值, 为RFID读写器在
参考点 接受到标签发送的信号强度RSSI值;N为与环境有关的路径损耗指数; 为平均值为0的高斯分布随机变量,即信号穿过障碍物的衰减; 为近地参考距离;为读写器与标签之间的距离间隔;
采用该对数-常态分布传播模型,得到RFID读写器到标签的距离 和RFID读写器接收到的该标签信号强度 之间的函数关系式为:

式中,常数 和N的数值确定了接收信号强度RSSI值和信号传输距离的关系,和N与使用环境密切相关,当使用环境确定后,即都可作为常量使用。
4.根据权利要求2或3所述的基于位置与视觉信息优化的室内云机器人角度定位方法,其特征在于,在同一个标签位置接收到的n个信号强度RSSI值,采用高斯模型选取高概率发生的RSSI值,然后再取其几何均值,用于减少一些小概率出现噪声数据,增加定位的准确性,其中,高斯分布函数为: ,
式中, , ,
通过上述高斯滤波后,得到有效信号强度RSSI值的范围为 ,将该范围内的信号强度RSSI值全部取出,再求几何平均值,得到最终的信号强度RSSI值。
5.根据权利要求1所述的基于位置与视觉信息优化的室内云机器人角度定位方法,其特征在于,所述步骤1)中,设有多个标签,多个标签分别放置在室内空间的各个角落。
6.根据权利要求1所述的基于位置与视觉信息优化的室内云机器人角度定位方法,其特征在于,所述步骤3)中,所述图像数据库是将要定位的室内空间分为若干个部分,以每隔一段距离为一个点,在该点以一个固定变化的角度,拍摄周围的所有场景,并记录这些场景图像拍摄时的位置坐标及角度信息,建立相应数据库存储于云端构成图像数据库。
7.根据权利要求1所述的基于位置与视觉信息优化的室内云机器人角度定位方法,其特征在于,所述步骤2)中,所述移动机器人与云端通讯采用C/S架构,其中,移动机器人作为客户端负责数据的采集,云端作为服务器端负责数据相关运算及操作。
8.根据权利要求1所述的基于位置与视觉信息优化的室内云机器人角度定位方法,其特征在于,所述步骤4)中,结构相似性SSIM算法如下:



其中,  代表亮度函数, 代表对比度函数, 代表结构函数,
和 分别代表两张图像对应的像素矩阵, 和 、 和 、 分别代表均差、方差和协方差; 、 、 是很小的常数,用来防止分母等于0;
由以上三个公式可得图像相似度公式为:

其中a,b,c用于调整三个成分的重要程度,自定义取值,图像相似度公式计算的结果越大说明两张图像的匹配度越高。

说明书全文

基于位置与视觉信息优化的室内机器人定位方法

技术领域

[0001] 本发明涉及室内移动机器人定位技术领域,具体涉及一种基于位置与视觉信息优化的室内云机器人角度定位方法。

背景技术

[0002] 随着社会的发展和各种新技术的出现,人们越来越需要通过现代化的高新技术来提高他们的生活质量和生活自由度。因此,对于室内移动机器人的研究逐渐成为热点,如智能轮椅等服务型机器人。云机器人是一种新兴的机器人概念,它利用云计算、云存储和其他互联网技术,使得传统机器人拥有强大的计算能、存储能力以及资源共享能力。云机器人使得机器人充分利用云端数据处理和存储机制,减少了本地计算需要的额外硬件设备,大大提高了机器人的运行速度及其实用性,并成为移动机器人研究领域的主要方向之一。
[0003] 室内云机器人和普通机器人一样主要有口令识别、自主定位、实时导航、路径规划和动态避障等功能。然而要进行自主移动,就必须要准确知道当前自己所在工作环境中的位置,即机器人自主定位问题。同时在自主导航的实际应用中,机器人必须了解自身在运动环境中的具体位置才能完成其他任务。所以说自主定位是移动机器人得以实现的最基本问题,这也引起了许多大学及企业的积极研究。
[0004] 近年来出现了很多室内移动机器人的定位理论和定位系统。国内外在基于非视觉传感器和视觉传感器的基础上,对定位系统做了大量的研究工作,研究成果主要有:单双目视觉定位系统、基于无线信号强度衰减模型的定位系统、基于声波定位的定位系统等。其中,有些技术经过开发利用,形成了比较系统的定位服务解决方案或成形了完整商业产品,但仍有许多技术尚在研究试验中。室内定位所需的测距方法主要有:到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)、到达角度(AOA)、信号强度(RSSI)等。这些方法都能在定位系统中有效的计算距离,其中到达时间、到达时间差、到达角度技术测量精度很高,但是由于室内环境的复杂性,很大程度上影响了其定位精度。除此之外也有人通过利用超宽带(UWB)的方法使定位精度达到厘米级,但是超宽带技术所需的设备价格昂贵,目前情况下还无法在普通的民用领域大范围使用。
[0005] 另外,目前绝大多数的定位方法只能确定移动机器人的坐标位置,很少有获得机器人所朝向的角度信息,无法对机器人的路径规划、动态避障等功能的进一步开发。目前大多数室内移动机器人角度定位方法主要采用以下两种手段:(1)部分移动机器人通过采用电子罗盘的方式能够获得精确的方向信息,但是在室内空间中使用电子罗盘的方式存在一定的缺陷:一方面,通过电子罗盘获得的角度信息是以地球为参考系的绝对角度,而在室内空间中需要的角度信息仅仅是以某个特定物体的相对角度。同时电子罗盘的工作原理是利用近地面磁场与罗盘中磁力计的夹角计算获得其角度信息,但是机器人移动时转动电机会产生磁场强度的变化,从而会对电子罗盘的精度产生影响;另一方面,对于室内移动机器人来说最重要的依然是其位置坐标,但是采用电子罗盘的方式只能得到角度信息,其对于修正获得精确的位置信息并没有帮助,很难做到两全其美。(2)一些室内移动机器人采用的自主定位定向方法,借鉴了二维条形码思想。在室内放置路标图片,通过对这些路标图片的分析获得坐标信息及偏转角度。但是此方法需要对室内环境进行部分改造,如在天花板等位置上按照一定规则粘贴多个路标图片,影响室内美观的同时该方法对机器人所用的摄像机的分辨率要求很高,否则无法有效解析出路标图片所携带的信息。
[0006] 正是由于成本、定位精度、可靠性以及易用性等方面的影响,室内定位技术尚未广泛应用于人们的日常生活中,室内定位系统仍然存在大量需要解决的问题。

发明内容

[0007] 本发明考虑到室内移动机器人的多数使用情况是在相对范围较小的室内空间以及各种定位系统的定位时间、误差范围和成本代价等因素。提供一种基于图像搜索的视觉定位方法和基于RFID的室内无线定位技术相结合的方法,生成一种复合型的定位系统。
[0008] 为实现上述技术目的,达到上述技术效果,本发明通过以下技术方案实现:一种基于位置与视觉信息优化的室内云机器人角度定位方法,包括云端、待定位的移动机器人、以及设置于移动机器人上的RFID读写器和摄像头,该方法包括以下步骤:
步骤1)接收初步定位信息,移动机器人通过RFID读写器接收有源标签发出的信号强度RSSI及其对应的标识ID值作为初步定位信息;
步骤2)获取初步位置信息,移动机器人将接收到的初步定位信息发送给云端,云端根据获得的RSSI值计算出移动机器人的初步位置坐标;
步骤3)确定图像搜索范围,选择以步骤2)RFID定位的初步位置坐标结果为圆点,以先验概率误差R为半径的区间范围作为图像数据库中的图像搜索区域;
步骤4)进行图像匹配,移动机器人端通过摄像头获取周围环境景物的图像,并发送给云端,利用图像处理方法对实时获取的图像信息进行去噪处理,采用结构相似性SSIM算法将实时拍摄到的图像与步骤3)的图像搜索区域中图像进行匹配,寻找最佳匹配图像,若匹配成功则进入下一步,若匹配不成功则跳转步骤1);
步骤5)获得坐标位置及角度信息,根据匹配到的图像数据库中的相应的图像,获取其位置坐标及角度信息。
[0009] 进一步的,所述步骤1)和步骤2)中,根据信号传播模型的方程将RFID读写器读取的信号强度RSSI值转化为RFID读写器到对应标签的绝对距离,再利用三边定位法获得移动机器人的位置坐标。
[0010] 进一步的,所述信号传播模型为:RFID读写器接受到标签发送的信号强度RSSI在室内环境下随着传播距离增加而衰减程度的方程,信号传播模型采用一种对数-常态分布传播损耗模型,其方程为:,
式中, 为RFID读写器接受到标签的信号强度RSSI值, 为RFID读写器
在参考点 接受到标签发送的信号强度RSSI值;N为与环境有关的路径损耗指数; 为平均值为0的高斯分布随机变量,即信号穿过障碍物的衰减; 为近地参考距离;为读写器与标签之间的距离间隔;
采用该对数-常态分布传播模型,得到RFID读写器到标签的距离 和RFID读写器接收到的该标签信号强度 之间的函数关系式为:

式中,常数 和N的数值确定了接收信号强度RSSI值和信号传输距离的关系,
和N与使用环境密切相关,当使用环境确定后,即都可作为常量使用。
[0011] 进一步的,在同一个标签位置接收到的n个信号强度RSSI值,采用高斯模型选取高概率发生的RSSI值,然后再取其几何均值,用于减少一些小概率出现噪声数据,增加定位的准确性,其中,高斯分布函数为: ,式中, , ,
通过上述高斯滤波后,得到有效信号强度RSSI值的范围为 ,将该范围
内的信号强度RSSI值全部取出,再求几何平均值,得到最终的信号强度RSSI值。
[0012] 进一步的,所述步骤1)中,设有多个标签,多个标签分别放置在室内空间的各个角落。
[0013] 进一步的,所述步骤3)中,所述图像数据库是将要定位的室内空间分为若干个部分,以每隔一段距离为一个点,在该点以一个固定变化的角度,拍摄周围的所有场景,并记录这些场景图像拍摄时的位置坐标及角度信息,建立相应数据库存储于云端构成图像数据库。
[0014] 进一步的,所述步骤2)中,所述移动机器人与云端通讯采用C/S架构,其中,移动机器人作为客户端负责数据的采集,云端作为服务器端服务器负责数据相关运算及操作。
[0015] 进一步的,所述步骤4)中,结构相似性SSIM算法如下:


其中,  代表亮度函数, 代表对比度函数, 代表结构函数,
和 分别代表两张图像对应的像素矩阵, 和 、 和 、 分别代表均差、方
差和协方差; 、 、 是很小的常数,用来防止分母等于0;
由以上三个公式可得图像相似度公式为:

其中a,b,c用于调整三个成分的重要程度,自定义取值,图像相似度公式计算的结果越大说明两张图像的匹配度越高。
[0016] 本发明的有益效果是:(1)定位时间短
移动机器人在室内连续运动时,需要实时的位置信息,这就要求定位的速度能与机器人移动速度相适应。本发明通过RFID的初步定位,考虑到基于RFID的定位方法的误差,从而确定轮椅目前所在地点的范围,缩小图像搜索的范围,整个定位过程需要的时间为RFID定位消耗时间加上图像匹配消耗时间,而基于RFID的定位方法本身就较为快速,且在小范围内进行图像匹配也不要消耗过多的时间,所以总体来说本发明所花费的时间较短,完全可以适应于移动机器人室内定位的需求。
[0017] (2)误差较小本发明基于图像搜索的方法来实现定位,首先拍摄室内空间中各个位置以及角度的不同图像,对这些图像进行编号记录拍摄所在位置坐标与角度信息并建立图像数据库。其次在定位过程中通过视觉传感器拍摄当前位置下移动机器人所朝向方向的图像,最后用当前这张图像与图像数据库中的图像进行特征匹配,由于不同位置不同角度拍摄的图像的唯一性,选择最优的匹配图像即得到当前移动机器人所在的位置坐标与角度,由于图像的唯一性以及在准备阶段取点的密集程度,必然会使得定位误差较小。
[0018] (3)成本代价较低常用的室内定位方法如:ZigBee定位技术价格不高但是定位误差太大无法满足室内移动机器人的需求;UWB定位技术虽然定位精度很高但是由于价格过于昂贵 不易推广;WLAN定位技术成本最低但是其稳定性及精度有待提高,而RFID定位技术价格和精度都趋于中等平;本发明中采用RFID定位技术与视觉定位技术相结合的方法,只需要在RFID定位的基础上再加入一个普通摄像头即可,摄像头价格也较低,所以综合考虑本发明的成本代价较低,实现定位的性价比最高。
[0019] (4)定位模块独立本发明整个定位系统的实现是独立的,不影响移动机器人其他功能,有利于对移动机器人功能的进一步开发。
附图说明
[0020] 图1为本发明实施例提供的基于位置与视觉联合优化的室内云机器人定位运行过程中的流程图;图2为根据本发明实例提供的方法进行仿真实验中系统硬件部署平面示意图;
图3为根据本发明实例提供的方法进行仿真实验中图像采集点的分布示意图。

具体实施方式

[0021] 下面将参考附图并结合实施例,来详细说明本发明。
[0022] 如图1所示,一种基于位置与视觉信息优化的室内云机器人角度定位方法,包括云端、待定位的移动机器人、以及设置于移动机器人上的RFID读写器和摄像头,其特征在于,该方法包括以下步骤:步骤1)接收初步定位信息,移动机器人通过RFID读写器接收有源标签发出的信号强度RSSI及其对应的标识ID值作为初步定位信息;
步骤2)获取初步位置信息,移动机器人将接收到的初步定位信息发送给云端,云端根据获得的RSSI值计算出移动机器人的初步位置坐标;
步骤3)确定图像搜索范围,选择以步骤2)RFID定位的初步位置坐标结果为圆点,以先验概率误差R为半径的区间范围作为图像数据库中的图像搜索区域;
步骤4)进行图像匹配,移动机器人端通过摄像头获取周围环境景物的图像,并发送给云端,利用图像处理方法对实时获取的图像信息进行去噪处理,采用结构相似性SSIM算法将实时拍摄到的图像与步骤3)的图像搜索区域中图像进行匹配,寻找最佳匹配图像,若匹配成功则进入下一步,若匹配不成功则跳转步骤1);
步骤5)获得坐标位置及角度信息,根据匹配到的图像数据库中的相应的图像,获取其位置坐标及角度信息。
[0023] 所述步骤1)和步骤2)中,根据信号传播模型的方程将RFID读写器读取的信号强度RSSI值转化为RFID读写器到对应标签的绝对距离,再利用三边定位法获得移动机器人的位置坐标。
[0024] 所述信号传播模型为:RFID读写器接受到标签发送的信号强度RSSI在室内环境下随着传播距离增加而衰减程度的方程,信号传播模型采用一种对数-常态分布传播损耗模型,其方程为:,
式中, 为RFID读写器接受到标签的信号强度RSSI值, 为RFID读写器
在参考点 接受到标签发送的信号强度RSSI值,N为与环境有关的路径损耗指数, 为平均值为0的高斯分布随机变量,即信号穿过障碍物的衰减, 为近地参考距离,为读写器与标签之间的距离间隔;
采用该对数-常态分布传播模型,得到RFID读写器到标签的距离 和RFID读写器接收到的该标签信号强度 之间的函数关系式为:

式中,常数 和N的数值确定了接收信号强度RSSI值和信号传输距离的关系,
当使用环境确定后,即可都作为常量。
[0025] 在信号传播过程中由于多径效应(由于信号波的反射和叠加原理产生)、非视距传播、其他电子设备信号以及人体的干扰,会导致获得的信号强度RSSI值存在一定的随机性和不稳定性,所以为了减少最终定位的误差需要对接收到的信号强度进行滤波处理得到一个比较准确的值,再带入计算;在同一个标签位置接收到的n个RSSI值中,随机出现和不稳定的RSSI值必然是小概率事件,大多数的信号强度值都是服从或近似于正态分布的,通过高斯模型选取高概率发生的RSSI值,然后在取其几何均值,这样的做法减少了一些小概率出现噪声数据,增加了定位的准确性,其中,高斯分布函数为: ,
式中, , ,
通常情况下高概率发生事件的选择概率应为大于0.6的范围,即0.6≤ ≤1,根据标准正态分布表可知当 时事件发生概率为68.27%
通过上述高斯滤波后,得到有效信号强度RSSI值的范围为 ,将该范围
内的信号强度RSSI值全部取出,再求几何平均值,得到最终的信号强度RSSI值。
[0026] 在本实施例中,带全向天线的RFID读写器工作范围是50m-100m,完全可以全覆盖室内环境,在本方法中,选用一个带全向天线的RFID读写器,四个实际参考标签,待定位的移动机器人携带RFID读写器,四个实际参考标签放置在室内空间的四个角落,假设定位空间为10m*6m的一个近似矩形的室内环境,本方法的试验系统的部署平面示意图如图2所示。
[0027] RFID读写器读取参考标签的RSSI值,通过信号传播模型将RSSI值转化为读写器到标签的距离,在实际定位过程中,RFID读写器与标签之间可能会存在障碍物使得测得的RSSI值变大从而影响计算所得距离的精度。为了降低这种误差,从四个参考标签中选取RSSI值较小的三个标签作为定位辅助标签,利用RFID读写器到实际标签的距离与已知标签的坐标采用三角定位法计算出RFID读写器的位置坐标即为移动机器人的坐标。
[0028] 本实施例考虑到利用步骤2)中初步定位后依然存在平均1m左右的坐标误差,为了在基于图像搜索定位过程中更好的覆盖所有可能的坐标,所以本方法按间隔距离50cm将室内空间划分为若干个小块如图3所示,虚线的交点处为拍摄图像的位置;此外为了要获取移动机器人的转动角度,需要将摄像头按一定角度间隔拍摄图像;一方面为了获得较为精确的角度信息,角度间隔不能选得太大;另一方面在本方法的试验中采用的是型号为“环宇飞扬M200”的普通摄像头,该摄像头的拍摄广角约为40度;综合以上两点,本方法采用30度的角度间隔拍摄图像;整个实验图像包含1980张图像(不考虑存在座椅等固定物体的情况,另外图3中未全部列出1980张图像/方格)。
[0029] 所述步骤3)中,所述图像数据库是将要定位的室内空间分为若干个部分,本实施例中,以每隔50cm为一个点,在该点以30度的变化角度,拍摄周围的所有场景,并记录这些场景图像拍摄时的位置坐标及角度信息,建立相应数据库存储于云端构成图像数据库。
[0030] 在拍摄到大量的图像后,将其存储在云端,在建立相应的图像数据库时,本实施例中采用MySQL数据库,由于图像数量较多,所以若将图像直接存入数据库,必然会导致数据库非常庞大而且从数据库中读取这样的图像信息也比较麻烦,会使得计算速度降低影响定位的实时性,本实施例将所有图像存放在同一个文件夹内,以其绝对路径的形式存入数据库,这样做一方面可以降低数据库的大小;另一方面在程序运行时,就像读取文件一样读取图像方便快捷。所以数据库中所存的数据包括图像编号、图像所存地址、图像拍摄点的坐标和偏转角度,其中图像所存地址用来读取图像,图像拍摄点的坐标用来限定搜索范围及返回最终定位结果。
[0031] 所述步骤2)中,所述移动机器人与云端通讯采用C/S架构,其中,移动机器人作为客户端负责数据的采集,云端作为服务器端负责数据相关运算及操作,并且分别对云端与移动机器人进行基于TCP/IP协议的套接字编程。
[0032] 所述步骤4)中,本实施例采用结构相似性SSIM算法对实时拍摄的图像与数据库中图像进行相似性判断。SSIM算法是一种用来评测图像质量的一种方法,算法基于HVS模型,模拟出人类视觉系统中每个与质量感知相关的器官的功能,然后将每个部分联结起来从图像中抽取出结构信息,因此计算两幅图像结构信息的相似性就可以用来作为图像的相似程度。首先其结构信息不应该受到照明的影响,因此在计算结构信息时需要去掉亮度信息,即需要减掉图像的均值;其次结构信息不应该受到图像对比度的影响,所以计算结构信息时需要归一化图像的方差;最后需要计算一下这两幅处理后的图像的相关系数包括图像均差、方程和协方差,用这三个系数就可以求出图像的结构信息,具体的计算方式如下所示:


其中,  代表亮度函数, 代表对比度函数, 代表结构函数,
和 分别代表两张图像块对应的像素矩阵, 和 、 和 、 分别代表均差、方
差和协方差; 、 、 是很小的常数,用来防止分母等于0。
[0033] 由以上三个公式可得图像相似度公式为:
其中a,b,c用于调整三个成分的重要程度,为了方便计算均选择为1。图像相似度公式计算的结果越大说明两张图像的匹配度越高。
[0034] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
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