一種機器人的室內定位方法、裝置及系統與流程
2023-05-21 11:33:01 2
本發明涉及定位
技術領域：
，尤其涉及一種機器人的室內定位方法、裝置及系統。
背景技術：
：室內移動機器人在其工作環境中的定位及運動狀態估計，是移動機器人自主定位導航的基礎和關鍵技術之一。由於室內存在著衛星信號屏蔽，因此衛星定位等方法在室內無法發揮其定位快速準確的優勢。近幾年，室內機器人定位所採用的主要方法有以下幾種:基於RFID的方法，基於無線傳感網絡方法和基於裡程計和慣導模塊方法。基於RFID的方法要求在放置RFID標籤時，要充分考慮各種可能性，使用不便，精度較低，適合環境簡單，且對精度要求不高場合下的定位；基於無線傳感網絡的方法，如Wi-Fi技術，Zibgee技術等，利用信號強度進行定位，該方法需要架設無線傳感網絡，成本高，且無線信號易受幹擾，精度較差；基於慣導模塊的方法利用慣性導航模塊，結合裡程計，對物體的航向、速度和加速度進行實時記錄，累積裡程，通過計算得到物體相對於初始位置的坐標。該方法存在累積誤差和漂移，時間一長或路況不佳時，精度難以保證。同時，移動機器人所採用的自定位技術與機器人配備的傳感器密切相關，目前的移動機器人往往同時裝備多種傳感器。目前，在移動機器人上使用較多的傳感器有視覺傳感器、裡程計和慣導系統、超聲波傳感器、雷射測距儀等。超聲波傳感器、雷射測距儀等傳感器因信息單一、感應周期長，目前逐漸淪為輔助性的定位傳感器；視覺傳感器因具有信息量大、感應時間短等優點，隨著計算機運行速度的提高，在自主移動機器人上應用越來越廣泛；裡程計是一種廣泛使用的方法，由於其使用方便，成本低，跟蹤頻率高。近幾年，將視覺系統與裡程計等傳感器結合起來進行機器人定位的研究越來越廣泛。在實現本發明過程中，發明人發現現有技術中至少存在以下缺陷：現有的室內機器人定位方法中並沒有考慮到攝像頭和裡程計的採樣速率，由於攝像頭和裡程計的採樣速率不一樣，裡程計採樣速率高，而攝像頭採樣速率低，使得在沒有攝像頭採樣的時刻，只能靠裡程計進行定位，相當於丟失了視覺測量，大大降低了定位的精度。技術實現要素：鑑於上述問題，提出了本發明以便提供一種克服上述問題或者至少部分地解決或者減緩上述問題的機器人的室內定位方法、裝置及系統。根據本發明的一個方面，提供了一種機器人的室內定位方法，該方法包括：接收待定位機器人的第一定位傳感器在當前採樣時間採集的第一定位數據；判定在所述當前採樣時間是否接收到待定位機器人的第二定位傳感器採集的第二定位數據；若在所述當前採樣時間沒有接收到第二定位傳感器採集的第二定位數據，則將所述第二定位傳感器上一採樣時間採集的歷史定位數據作為所述第二定位傳感器採集在當前採樣時間採集的偽第二定位數據；根據所述第一定位數據和所述偽第二定位數據進行機器人的室內定位。可選地，所述方法還包括：若在所述當前採樣時間接收到第二定位傳感器採集的第二定位數據，則直接根據所述第一定位數據和所述第二定位數據進行機器人的室內定位。可選地，在所述根據所述第一定位數據和所述偽第二定位數據進行機器人的室內定位之前，還包括：根據預設的自適應參數對所述偽第二定位數據進行自適應調整。可選地，所述方法還包括：採用歸一化最小均方算法對所述預設的自適應參數進行調整。可選地，所述根據所述第一定位數據和所述偽第二定位數據進行機器人的室內定位，包括：根據所述第一定位數據和所述偽第二定位數據採用無跡卡爾曼濾波算法進行機器人的室內定位。可選地，所述第一定位傳感器的採樣頻率不同於所述第二定位傳感器的採樣頻率。根據本發明的另一個方面，提供了一種機器人的室內定位裝置，該裝置包括：接收單元，用於接收待定位機器人的第一定位傳感器在當前採樣時間採集的第一定位數據；判斷單元，用於判定在所述當前採樣時間是否接收到待定位機器人的第二定位傳感器採集的第二定位數據；處理單元，用於當所述判斷單元的判定結果為在所述當前採樣時間沒有接收到第二定位傳感器採集的第二定位數據時，將所述第二定位傳感器上一採樣時間採集的歷史定位數據作為所述第二定位傳感器採集在當前採樣時間採集的偽第二定位數據；定位單元，用於根據所述第一定位數據和所述偽第二定位數據進行機器人的室內定位。可選地，所述定位單元，還用於當所述判斷單元的判定結果為在所述當前採樣時間接收到第二定位傳感器採集的第二定位數據時，直接根據所述第一定位數據和所述第二定位數據進行機器人的室內定位。可選地，所述處理單元，還用於在所述定位單元根據所述第一定位數據和所述偽第二定位數據進行機器人的室內定位之前，根據預設的自適應參數對所述偽第二定位數據進行自適應調整。此外，根據本發明的再一個方面，提供了一種機器人的室內定位系統，該系統包括第一定位傳感器、第二定位傳感器以及如上所述的機器人的室內定位裝置。本發明提供的機器人的室內定位方法、裝置及系統，通過偽測量的方法將由於機器人的兩種定位傳感器的採樣速率不同帶來的觀測丟失信息進行補償，在沒有第二定位傳感器採樣的當前時刻，利用已經獲取的前一時刻的採樣信息，構造了第二定位傳感器在當前時刻的偽測量信息，使得兩種定位傳感器獲取的信息數量相同，從而在每一時刻均可以根據兩種定位數據進行機器人的室內定位。本發明解決了由於兩種定位傳感器的採樣速率的不同帶來的定位缺陷問題，實現算法相對簡單，而且大大的提高了機器人的室內定位的精度。上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，並且為了讓本發明的上述和其它目的、特徵和優點能夠更明顯易懂，以下特舉本發明的具體實施方式。附圖說明通過閱讀下文優選實施方式的詳細描述，各種其他的優點和益處對於本領域普通技術人員將變得清楚明了。附圖僅用於示出優選實施方式的目的，而並不認為是對本發明的限制。而且在整個附圖中，用相同的參考符號表示相同的部件。在附圖中：圖1為本發明實施例提出的一種機器人的室內定位方法的流程圖；圖2為本發明另一實施例提出的一種機器人的室內定位方法的流程圖；圖3為裡程計與攝像頭的採樣頻率比δ＝5時的位置誤差效果對比圖；圖4為裡程計與攝像頭的採樣頻率比δ＝2時的位置誤差效果對比圖；圖5為測量丟失時的位置誤差效果對比圖；圖6為本發明實施例提出的一種機器人的室內定位裝置的結構框圖。具體實施方式下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。本
技術領域：
技術人員可以理解，除非特意聲明，這裡使用的單數形式「一」、「一個」、「所述」和「該」也可包括複數形式。應該進一步理解的是，本發明的說明書中使用的措辭「包括」是指存在所述特徵、整數、步驟、操作、元件和/或組件，但是並不排除存在或添加一個或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。本
技術領域：
技術人員可以理解，除非另外定義，這裡使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)，具有與本發明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語，應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，並且除非被特定定義，否則不會用理想化或過於正式的含義來解釋。圖1示出了本發明實施例的一種機器人的室內定位方法的流程圖。參照圖1，本發明實施例提出的機器人的室內定位方法具體包括以下步驟：S11、接收待定位機器人的第一定位傳感器在當前採樣時間採集的第一定位數據。S12、判定在所述當前採樣時間是否接收到待定位機器人的第二定位傳感器採集的第二定位數據。S13、若在所述當前採樣時間沒有接收到第二定位傳感器採集的第二定位數據，則將所述第二定位傳感器上一採樣時間採集的歷史定位數據作為所述第二定位傳感器採集在當前採樣時間採集的偽第二定位數據。S14、根據所述第一定位數據和所述偽第二定位數據進行機器人的室內定位。本發明實施例提供的機器人的室內定位方法，通過偽測量的方法將由於機器人的兩種定位傳感器的採樣速率不同帶來的觀測丟失信息進行補償，在沒有第二定位傳感器採樣的當前時刻，利用已經獲取的前一時刻的採樣信息，構造了第二定位傳感器在當前時刻的偽測量信息，使得兩種定位傳感器獲取的信息數量相同，從而在每一時刻均可以根據兩種定位數據進行機器人的室內定位。本發明解決了由於兩種定位傳感器的採樣速率的不同帶來的定位缺陷問題，實現算法相對簡單，而且大大的提高了機器人的室內定位的精度。本發明實施例中，所述第一定位傳感器的採樣頻率不同於所述第二定位傳感器的採樣頻率。在一個具體實施例中，所述第一定位傳感器可以為機器人上的裡程計，所述第二定位傳感器可以為安裝在機器人上的攝像機。本發明實施例，通過偽測量的方法來恢復視覺測量，實現攝像頭與裡程計的採樣速率的一致。為實現上述目的，具體採用如下技術方案實現：首先，確定機器人動力學模型：xt+1=xt+stR+stL2cosθt]]>yt+1=yt+stR+stL2sinθt]]>θt+1=θt+stR-stLb]]>其中，xt與yt分別代表機器人的位置，θt代表機器人在t時刻的運動方向，與分別代表了機器人左右驅動輪行駛的距離，b代表了左右兩個驅動輪的距離。在機器人中通過光學編碼器來記錄與的大小。在室內機器人的定位系統中，安裝在機器人上的攝像頭的朝向是垂直於頂部的天花板。由於機器人是不斷運動的，所以單一的坐標難以滿足整體系統的定位。在本發明實施例中採用了三個坐標系：世界坐標系Ow-XwYwZw，機器人坐標系Or-XrYrZr，攝像頭坐標系Oc-XcYcZc。其中，世界坐標系依附在地板上，機器人坐標系固定在驅動軸的中心，攝像頭坐標系建立在攝像頭的光學中心軸上朝向是垂直於頂部的天花板，並且都是右手坐標系。基於坐標變換，得到視覺系統的觀測模型是：uk=γuzfc-(xk,f-xk)sinθk+(yk,f-yk)cosθk-d2+u0]]>vk=γvzfc-(xk,f-xk)cosθk+(yk,f-yk)sinθk+d1+v0]]>其中，(u,v)代表圖像平面特徵的坐標，(u0,v0)代表攝像頭初始點的圖像坐標，代表從攝像頭光學中心到天花板平面的距離，γv與γu代表像素放大因素，(d1,d2)是在機器人坐標系中Oc的坐標，xk,f與yk,f代表了k時刻在世界坐標系中的天花板上某點的位置坐標。需要注意的是，時刻t與k分別用在了運動模型與觀測模型中，分別代表採樣頻率，並且k大於t，不如設為k＝δt,δ>1，並將運動模型與觀測模型寫成緊湊的形式，如下：Xt＝f(Xt-1,St-1)其中，Xt＝(xt,yt,θt)T,Zk＝(u1,v1…uN,vN)T，並且(ui,vi)代表第i步的特徵，N代表攝像機觀測到的特徵總數，f與h代表非線性函數。然後，通過偽測量方法恢復測量，在沒有攝像頭採樣的當前時刻，利用已經獲取的前一時刻的攝像頭信息，構造了當前時刻攝像頭的偽測量信息，使其與裡程計的採樣時間相等，以實現根據所述第一定位數據和所述偽第二定位數據進行機器人的室內定位。本發明實施例通過一種偽測量的方法將由裡程計與攝像機採樣時間不同帶來的觀測丟失進行補償，在沒有攝像頭採樣的當前時刻，利用已經獲取的前一時刻的攝像頭信息，構造了當前時刻攝像頭的偽測量信息，這樣使得攝像頭獲取的信息數量與裡程計獲取的信息數量是一樣的，從而在每一步濾波過程中都可以實現更新。在本發明的一個可選實施例中，如圖2所示，所述方法還包括以下步驟：S15、若在所述當前採樣時間接收到第二定位傳感器採集的第二定位數據，則直接根據所述第一定位數據和所述第二定位數據進行機器人的室內定位。本發明實施例中，當在當前採樣時間接收到第二定位傳感器採集的第二定位數據，則無需進行偽測量，可直接根據採樣得到的第一定位數據和第二定位數據進行機器人的室內定位。在本發明的一個可選實施例中，在所述根據所述第一定位數據和所述偽第二定位數據進行機器人的室內定位之前，還包括：根據預設的自適應參數對所述偽第二定位數據進行自適應調整。進一步地，所述方法還包括：採用歸一化最小均方算法對所述預設的自適應參數進行調整。本發明實施例中，在偽測量中引入一個自適應參數，以根據該自適應參數對所述偽第二定位數據進行自適應調整，並且通過歸一化最小均方算法來調整自適應參數。測量值的恢復算法如下：Z~δt+i=Z~δt+i-1+αδt+i-1h(X^δt+i|δt+i-1)-h(X^δt+i-1|δt+i-1)]]>αδt+i=αδt+i-1-μZ~δt+i-h(X^δt+i|δt+i-1)Th(X^δt+i|δt+i-1)-h(X^δt+i-1|δt+i-1)1+||h(X^δt+i|δt+i-1)-h(X^δt+i-1|δt+i-1)||2]]>其中，α是自適應參數；λmax是的最大特徵值是由攝像頭觀測到的真實測量值。進一步地，所以運動模型與觀測模型緊湊形式可以寫為：Xt＝f(Xt-1,St-1)Z~k=h(Xk),k=δtZ~k-1+αk-1h(X^k|k-1)-h(X^k-1|k-1),k=δt+i,i=1,2...δ-1]]>本發明實施例，使得攝像頭獲取的信息數量與裡程計獲取的信息數量是一樣的，從而在每一步濾波過程中都可以實現更新。本發明實施例通過在偽測量中引入一個自適應參數，並且通過歸一化最小均方算法來調整自適應參數來提高測量的魯棒性，進而提高機器人的室內定位的精度。在本發明的一個可選實施例中，所述根據所述第一定位數據和所述偽第二定位數據進行機器人的室內定位，包括：根據所述第一定位數據和所述偽第二定位數據採用無跡卡爾曼濾波算法進行機器人的室內定位。具體的，通過無跡卡爾曼濾波算法UKF進行機器人定位具體包括：1.機器人位置的預測，預測方程為：X^t|t-1=Σs=02nwsf(χt+1s,St-1)]]>Pt|t-1=Σs=02nwsf(χt+1s,St-1)-X^t|t-1f(χt+1s,St-1)-X^t|t-1T+Qt-1]]>其中為採樣點，Qt-1是過程噪聲的協方差矩陣。2.攝像頭的測量數據：Z~k=Zk,k=δtZ~k-1+αk-1h(X^k|k-1)-h(X^k-1|k-1),k=δt+i,i=1,2...δ-1]]>αt=αt-1-μZ~t-h(X^k|k-1)Th(X^k|k-1)-h(X^k-1|k-1)1+||h(X^k|k-1)-h(X^k-1|k-1)||2]]>3.機器人位置狀態的更新，更新方程如下：Z^t|t-1=Σs=02nwsh(χst|t-1)]]>Pt,xz=Σs=02nχst|t-1-X^t|t-1h(χst|t-1)-Z^t|t-1T]]>Pt,zz=Σs=02nh(χst|t-1)-Z^t|t-1h(χst|t-1)-Z^t|t-1T+Rt]]>x^t|t=x^t|t-1+Pt,xzPt,zz-1(Z~t-Z^t|t-1)]]>Pt|t=Pt|t-1-Pt,xzPt,zz-1Pt,xzT]]>其中，Rt為測量噪聲協方差矩陣，通過多次實驗來確定其大小。進而通過給定初始參數與P0|0，就可以實現機器人狀態的遞推，實現機器人的室內定位。下面以一個具體的實施例對本發明機器人的室內定位方法的優點進行說明。本實施例中，考慮了三種情況，第一種是裡程計與攝像頭的採樣頻率比δ＝2，第二種是裡程計與攝像頭的採樣頻率比δ＝5，第三種是測量丟失。試驗系統由一個Pioneer3機器人與SonyD100P攝像頭組成，相機的解析度為640×480，實驗場地是5.6m×4.5m，天花板高度為2.5米，在上面規則分布著42個特徵點，然後設置合理的相關參數。UKF-PM代表採用偽測量方法，UKF代表沒有採用偽測量方法設置好合理的採樣時間，參見附圖3-5.可以看出採用偽測量方法的定位效果明顯好於原始的定位效果。其中，圖3為裡程計與攝像頭的採樣頻率比δ＝5時的位置誤差效果對比圖；圖4為裡程計與攝像頭的採樣頻率比δ＝2時的位置誤差效果對比圖；圖5為測量丟失時的位置誤差效果對比圖。對於方法實施例，為了簡單描述，故將其都表述為一系列的動作組合，但是本領域技術人員應該知悉，本發明實施例並不受所描述的動作順序的限制，因為依據本發明實施例，某些步驟可以採用其他順序或者同時進行。其次，本領域技術人員也應該知悉，說明書中所描述的實施例均屬於優選實施例，所涉及的動作並不一定是本發明實施例所必須的。圖6為本發明實施例提出的一種機器人的室內定位裝置的結構框圖。參照圖6，本發明實施例的機器人的室內定位裝置具體包括接收單元601、判斷單元602、處理單元603以及定位單元604，其中：接收單元601，用於接收待定位機器人的第一定位傳感器在當前採樣時間採集的第一定位數據；判斷單元602，用於判定在所述當前採樣時間是否接收到待定位機器人的第二定位傳感器採集的第二定位數據；處理單元603，用於當所述判斷單元的判定結果為在所述當前採樣時間沒有接收到第二定位傳感器採集的第二定位數據時，將所述第二定位傳感器上一採樣時間採集的歷史定位數據作為所述第二定位傳感器採集在當前採樣時間採集的偽第二定位數據；定位單元604，用於根據所述第一定位數據和所述偽第二定位數據進行機器人的室內定位。本發明實施例提供的機器人的室內定位裝置，通過將由於機器人的兩種定位傳感器的採樣速率不同帶來的觀測丟失信息進行補償，在沒有第二定位傳感器採樣的當前時刻，利用已經獲取的前一時刻的採樣信息，構造了第二定位傳感器在當前時刻的偽測量信息，使得兩種定位傳感器獲取的信息數量相同，從而在每一時刻均可以根據兩種定位數據進行機器人的室內定位，解決了由於兩種定位傳感器的採樣速率的不同帶來的定位缺陷問題，實現算法相對簡單，而且大大的提高了機器人的室內定位的精度。在本發明的一個可選實施例中，所述定位單元604，還用於當所述判斷單元602的判定結果為在所述當前採樣時間接收到第二定位傳感器採集的第二定位數據時，直接根據所述第一定位數據和所述第二定位數據進行機器人的室內定位。在本發明的一個可選實施例中，所述處理單元603，還用於在所述定位單元604根據所述第一定位數據和所述偽第二定位數據進行機器人的室內定位之前，根據預設的自適應參數對所述偽第二定位數據進行自適應調整。進一步地，所述處理單元603，還用於採用歸一化最小均方算法對所述預設的自適應參數進行調整。本發明實施例中，所述定位單元604，具體用於根據所述第一定位數據和所述偽第二定位數據採用無跡卡爾曼濾波算法進行機器人的室內定位。其中，所述第一定位傳感器的採樣頻率不同於所述第二定位傳感器的採樣頻率。對於裝置實施例而言，由於其與方法實施例基本相似，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法實施例的部分說明即可。此外，本發明另一實施例還提供了一種機器人的室內定位系統，該系統包括第一定位傳感器、第二定位傳感器以及如上任一實施例所述的機器人的室內定位裝置。其中，所述機器人的室內定位裝置，以如圖3所示為例進行說明，具體包括接收單元601、判斷單元602、處理單元603以及定位單元604，其中：接收單元601用於接收待定位機器人的第一定位傳感器在當前採樣時間採集的第一定位數據；判斷單元602用於判定在所述當前採樣時間是否接收到待定位機器人的第二定位傳感器採集的第二定位數據；處理單元603用於當所述判斷單元的判定結果為在所述當前採樣時間沒有接收到第二定位傳感器採集的第二定位數據時，將所述第二定位傳感器上一採樣時間採集的歷史定位數據作為所述第二定位傳感器採集在當前採樣時間採集的偽第二定位數據；定位單元604用於根據所述第一定位數據和所述偽第二定位數據進行機器人的室內定位。該系統由於包括上述任意一種實施例中的機器人的室內定位裝置，因而可以解決同樣的技術問題，並取得相同的技術效果。綜上所述，本發明實施例提供的機器人的室內定位方法、裝置及系統，通過偽測量的方法將由於機器人的兩種定位傳感器的採樣速率不同帶來的觀測丟失信息進行補償，在沒有第二定位傳感器採樣的當前時刻，利用已經獲取的前一時刻的採樣信息，構造了第二定位傳感器在當前時刻的偽測量信息，使得兩種定位傳感器獲取的信息數量相同，從而在每一時刻均可以根據兩種定位數據進行機器人的室內定位。本發明解決了由於兩種定位傳感器的採樣速率的不同帶來的定位缺陷問題，實現算法相對簡單，而且大大的提高了機器人的室內定位的精度。通過以上的實施方式的描述，本領域的技術人員可以清楚地了解到本發明可以通過硬體實現，也可以藉助軟體加必要的通用硬體平臺的方式來實現。基於這樣的理解，本發明的技術方案可以以軟體產品的形式體現出來，該軟體產品可以存儲在一個非易失性存儲介質(可以是CD-ROM，U盤，移動硬碟等)中，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，伺服器，或者網絡設備等)執行本發明各個實施例所述的方法。本領域技術人員可以理解附圖只是一個優選實施例的示意圖，附圖中的模塊或流程並不一定是實施本發明所必須的。本領域技術人員可以理解實施例中的系統中的模塊可以按照實施例描述進行分布於實施例的系統中，也可以進行相應變化位於不同於本實施例的一個或多個系統中。上述實施例的模塊可以合併為一個模塊，也可以進一步拆分成多個子模塊。以上所述僅是本發明的部分實施方式，應當指出，對於本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。當前第1頁1 2 3