基于環(huán)境信息的室內(nèi)移動機器人及其定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種視頻監(jiān)控系統(tǒng)W及一種定位機器人的方法，具體設(shè)及一種覆蓋環(huán) 境的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，W及一種利用該覆蓋環(huán)境的視頻監(jiān)控系統(tǒng)定位機器人的方法，屬于機 器人技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 術(shù)語解釋：
[0003] 1、移動機器人及其環(huán)境
[0004] -般來說，一個移動機器人系統(tǒng)由機械部分、傳感部分和控制部分等=個部分組 成;或由機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、機器人一一環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)和控制系 統(tǒng)等六個子系統(tǒng)組成。其中，機械系統(tǒng)是由關(guān)節(jié)連在一起的許多機械連桿的集合體，形成開 環(huán)運動學(xué)鏈系；驅(qū)動系統(tǒng)是使各種機械部件產(chǎn)生運動的裝置;感知系統(tǒng)由機器人內(nèi)部傳感 器模塊和外部傳感器模塊組成，可獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有用信息;機器人一一環(huán)境 交互系統(tǒng)是實現(xiàn)機器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng);人機交互系統(tǒng)是人與 機器人進行聯(lián)系和參與機器人控制的裝置，包括指令給定裝置和信息顯示裝置;控制系統(tǒng) 的任務(wù)是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序W及從傳感器反饋回來的信號，支配機器人的執(zhí)行機 構(gòu)去完成規(guī)定的運動和功能。
[0005] 環(huán)境是指移動機器人所能到達(dá)的空間位置。
[0006] 2、機器人定位和實時定位
[0007] 機器人定位是確定移動機器人在所處環(huán)境的空間位置的過程。
[000引機器人實時定位是指機器人采用的定位方法及其軟硬件設(shè)備能夠及時、正確地確 定移動機器人在所處環(huán)境的空間位置的能力，滿足實時定位要求是機器人控制系統(tǒng)能夠正 確、及時地控制機器人運動的前提條件之一。
[0009] 3、機器人的位姿
[0010] 位姿是位置和姿態(tài)的縮略語，機器人的位姿包括機器人的位置和機器人的姿態(tài)， 機器人的姿態(tài)是指移動機器人在環(huán)境中的移動方向。
[0011] 4、RGB(Red，Green，Blue)色彩模式
[0012] RGB色彩模式是工業(yè)界的一種顏色標(biāo)準(zhǔn)，運個模型中顏色的參數(shù)分別是:紅色(R)、 綠色（G)和藍(lán)色（B)，通過=種顏色的變化W及它們相互之間的疊加可W得到各種顏色。 RGB24使用24位二進制位來表示彩色圖像中的一個像素，RGB每個分量都用8位二進制位表 示，取值范圍為0-255,是最常用的數(shù)字彩色圖像采樣模式。
[0013] 5、服八 Hue, Sa1:urat i on,化 Iue)顏色模型
[0014] 服V是根據(jù)顏色的直觀特性創(chuàng)建的一種顏色空間，也稱六角錐體模型。運個模型中 顏色的參數(shù)分別是:色調(diào)化），飽和度(S)和亮度(V)。
[0015] 移動機器人為了實現(xiàn)在環(huán)境中的自主移動，必須要解決的問題是：自身的導(dǎo)航與 定位問題，即在移動機器人移動之前，它要解決"在哪里?""到哪里?"和"如何去?"運S個問 題。
[0016] 解決"在哪里?"運個問題，就是確定移動機器人在環(huán)境中的位置。換句話說，"室內(nèi) 移動機器人定位"就是移動機器人確定其在室內(nèi)環(huán)境中位置的過程。
[0017] 室內(nèi)移動機器人的定位有其自身的特點：
[0018] 一、在室內(nèi)環(huán)境中，由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號(例如GPS、北斗等)覆蓋不好，所W室內(nèi)移動 機器人的定位無法使用衛(wèi)星導(dǎo)航；
[0019] 二、由于多徑效應(yīng)的影響，無線信號定位方式并不適用于室內(nèi)移動機器人；
[0020] =、由于室內(nèi)環(huán)境相比室外環(huán)境顯得狹小，所W室內(nèi)移動機器人的定位精度要求 更高(一般為厘米級），并且要求實時定位；
[0021] 四、室內(nèi)環(huán)境有較復(fù)雜的電磁場，所W含有磁性元件的慣性導(dǎo)航設(shè)備在室內(nèi)環(huán)境 中的應(yīng)用受到限制。
[0022] 根據(jù)環(huán)境模型的有無，移動機器人的定位方法分為=類:基于環(huán)境模型的定位、無 環(huán)境模型的定位、同時建立環(huán)境和定位。其中，基于環(huán)境模型的定位又可分為=種：局部定 位(也稱相對定位）、全局定位(也稱絕對定位）、組合定位(局部定位和全局定位組合）。
[0023] 局部定位是移動機器人僅用自身攜帶的傳感器即可實現(xiàn)的定位。目前，有基于里 程計和慣性導(dǎo)航設(shè)備的兩種航位推算方法，應(yīng)用于室內(nèi)移動機器人的局部定位方法是基于 里程計的航位推算方法。
[0024] 局部定位的優(yōu)點是：1、機器人的位姿是自我推算出來的，不需要對外部環(huán)境的感 知信息;2、定位間隔時間短;3、定位數(shù)據(jù)具有良好的連續(xù)性。
[0025] 局部定位的缺點是：1、需要已知機器人初始位姿信息;2、定位誤差隨時間(慣性導(dǎo) 航方式)或距離（里程計方式）累計，不適于長時間（慣性導(dǎo)航方式)或長距離（里程計方式） 精確定位。
[0026] 全局定位是移動機器人使用自身攜帶的傳感器(例如超聲波、激光雷達(dá)、視覺傳感 器等)感知外部的特征信息實現(xiàn)的定位。目前，應(yīng)用于室內(nèi)機器人的全局定位方法包括路標(biāo) 法和地圖匹配法。
[0027] 基于路標(biāo)的定位方法依賴于環(huán)境中已知特征的信標(biāo)，并需要在移動機器人上安裝 傳感器，由傳感器對信標(biāo)進行觀測，從而得到移動機器人的絕對位置信息。
[00%]基于地圖匹配的定位方法是全局環(huán)境地圖事先已知，并存入移動機器人中，進行 地圖匹配定位時，利用移動機器人攜帶的傳感器探測周圍環(huán)境并建立局部環(huán)境地圖，通過 與全局地圖的對比確定移動機器人的全局位置。
[0029] 全局定位的優(yōu)點是：1、無需已知移動機器人的初始位姿信息;2、定位數(shù)據(jù)準(zhǔn)確;3、 定位誤差不隨時間、距離累計。
[0030] 全局定位的缺點是：1、需要對外部環(huán)境的感知信息;2、定位間隔時間長;3、定位數(shù) 據(jù)不連續(xù)、跳躍大;4、室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，定位傳感器易被遮擋。
[0031] 組合定位是將局部定位與全局定位取長補短、融合構(gòu)成的。組合定位方法是目前 最常用的一種定位方式。在運種定位方式下，局部定位數(shù)據(jù)作為組合定位的輸出數(shù)據(jù)，全局 定位數(shù)據(jù)則用來消除隨時間(慣性導(dǎo)航方式)或距離(里程計方式)累計的局部定位誤差。
[0032] 基于環(huán)境模型的組合定位方法是目前最常用的一種室內(nèi)移動機器人定位方式。
[0033] 在基于環(huán)境模型的組合定位方法中，環(huán)境模型可設(shè)為室內(nèi)二維地平面全局坐標(biāo) 系，在環(huán)境中移動的機器人的位姿可用=元組(x，y，0)來表示，其中，（x，y)表示移動機器人 位于全局坐標(biāo)系的位置，0表示移動機器人在全局坐標(biāo)系中的航向。
[0034] 在基于環(huán)境模型的組合定位方法中，局部定位方案采用基于里程計的航位推算方 法;全局定位方案中，由于視覺傳感器相對于其它傳感器而言能夠提供最豐富的感知信息， 因此，基于里程計和視覺傳感器的機器人組合定位技術(shù)是最具代表性的室內(nèi)機器人定位方 法。
[0035] 基于里程計的局部定位方法：
[0036] 不失一般性，室內(nèi)移動機器人采用輪式兩輪差速驅(qū)動方式，左右兩輪分別裝有記 錄驅(qū)動輪的運行距離的里程計。如圖1所示，假設(shè)兩個驅(qū)動輪軸屯、連線的中點為M，那么在任 意時刻機器人的位姿可用M點的位姿M(X，y，0)來表示，其中（X，y)為M點在xoy坐標(biāo)系中的位 置，0表示X軸正向與M點航向之間的夾角。在任意tn時刻，n = 0，1，2，…，機器人的位姿可表 示為Mn(Xn，yn,目n)，其中在to時刻的位姿M〇(XO,y〇,目日)是已知的。
[0037] 圖2是機器人位姿推導(dǎo)示意圖。參照圖2,環(huán)境全局坐標(biāo)系為xoy，機器人兩個驅(qū)動 輪的軸間距為2a，Mk表示tk時刻機器人兩個驅(qū)動輪的軸中屯、位置。在任意tn時刻，n = 0，1， 2,…，左輪和右輪里程計的讀數(shù)分別為mL(n)和mR(n)。從任意U-I時刻到U時刻（n=l， 2，…，）的時間間隔設(shè)為常數(shù)T，且充分小，
[0038] 左輪里程計的運行距離為：
[0039] AmL(n)=mL(n)-mL(n-l) (1)
[0040] 右輪里程計的運行距離為：
[0041 ] AmR(n)=mR(n)-mR(n-l) (2)
[0042] 情況1: AmL(n)辛 AmR(n)，已知（Xn-I，yn-1,目n-i)，求（Xn，yn,目n)，n=l ,2,,
[0043] 在運種情況下，機器人從tn-l時刻到tn時刻的時間段T，左輪和右輪移動距離不同， 當(dāng)T充分小，可W合理地假設(shè)機器人行走的軌跡是一段圓弧，參照圖2。從tn-1時刻到tn時刻 機器人的運動軌跡Mn-lMn是一段圓弧，其圓屯、為〇/，半徑為〇/Mn-I = C/Mn = Rn,圓屯、角為0; W 〇/為原點，〇/Mn-I為軸，為建立局部坐標(biāo)系〇//。〇/ 軸與全局坐標(biāo)系OX軸之間的夾角 為Pn-I,它與0n-l之間的關(guān)系為：
[0044] f3n-i = 0n-i-9〇° (3)
[0045] 參照圖2,有：
[0046] AmL(n) = (Rn-a)0 (4)
[0047] AmR(n) = (Rn+a)0 巧）
[004引式(5)減去式(4)，并化簡整理，有：
[0049]
(6 J
[0050] 式(4)加上式(5)，并將式(6)帶入，化簡整理，有：
[0051]
。)
[0化2]其中，AmiXn)辛 AmR(n)。
[OOM]參照圖2，Mn點在局部坐標(biāo)系的位置(厶，/。)可由下式給出：
[0054]
CS)
[0化5]局部坐標(biāo)系的原點(x%，/o)在全局坐標(biāo)系xoy的坐標(biāo)可由下式給出：
[005引
（9)
[0057]所W，Mn(Xn，yn)在全局坐標(biāo)系xoy的坐標(biāo)可由下式給出：
[0化引 I)
[0化9]
[0060] (Il)
[0061 ] I = Sin 目 n-i，有；
[0062] (12)
[0063] 其中，n = l，2，...，。
[0064] 由假設(shè)時間間隔常數(shù)T充分小，貝化很小，有SinP-0和COS0- 1，再由式（6)和式 (7)，由式（12)可得：
[0065]
(13)
[0066] 在使用式（13)推算機器人位置時，（Xn-I，yn-1，目n-i)是已知的，AmL(n)和AmR(n)分 別由式(1)和式(2)得到。
[0067] 結(jié)合圖2和式(6)，有：
[006引
[0069]
[0070]
[0071] 其中，n = l，2,…，，目日已知。
[0072] 由式（13)和（15)可求得(Xn，yn，目 n)。
[0073] 圖