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1、(10)申请公布号 CN 102997910 A (43)申请公布日 2013.03.27 CN 102997910 A *CN102997910A* (21)申请号 201210428385.2 (22)申请日 2012.10.31 G01C 21/00(2006.01) (71)申请人 上海交通大学 地址 200240 上海市闵行区东川路 800 号 (72)发明人 冷春涛 曹其新 方波 杜建军 杨扬 (74)专利代理机构 上海汉声知识产权代理有限 公司 31236 代理人 郭国中 (54) 发明名称 一种基于地面路标的定位导引系统及方法 (57) 摘要 本发明公开了一种基于地面路标的定位。
2、导引 系统及方法， 其特征在于， 包括 ： 视觉系统、 地面 路标、 AGV 车体、 嵌入式控制器。视觉系统用于获 取地面路标特征图像 ； 地面路标为黑白模板组成 的特征带， 平铺于地面 ； 嵌入式控制器利用模板 匹配法将获取的地面路标特征图像与记忆库中的 特征带图像进行对比匹配， 并根据特征路标在图 像中的位置和它们在世界坐标系中的几何关系， 获知此时 AGV 车体的位置、 姿态， 实现全局定位、 导引功能。 还提供相应的方法。 本发明采用黑白双 色编码特征带作为地面路标， 实现 AGV 自动导引 功能外， 还可以实现全局定位， 从而为实现多 AGV 协作搬运、 装配等工作提供基础， 具有很。
3、好的应用 前景。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 2 页 1/2 页 2 1. 一种基于地面路标的定位导引系统， 其特征在于， 包括 ： 视觉系统、 地面路标、 AGV 车 体、 嵌入式控制器， 所述视觉系统和嵌入式控制器安装在所述 AGV 车体上， 所述地面路标为 平铺于 AGV 车体工作区域地面上的特征带， 其中， 所述视觉系统用于获取地面路标包含的 图像信息， 所述嵌入式控制器用于对接收自所述视觉系统的图像信息进行图像处理获取当 前 AGV 车体。
4、的位置信息。 2. 根据权利要求 1 所述的基于地面路标的定位导引系统， 其特征在于， 所述视觉系统 包括视觉设备、 照明设备、 以及遮光罩， 其中， 所述视觉设备为单个摄像机， 所述照明设备提 供足够光线以保障摄像机更好地获取图像信息， 所述遮光罩用于避免外界环境光线对图像 的影响。 3. 根据权利要求 1 所述的基于地面路标的定位导引系统， 其特征在于， 所述特征带包 含黑白模板， 所述黑白模板由正方形黑色边框构成， 所述黑白模板的内部在白色基底上印 有不同特征图案， 所述嵌入式控制器的记忆库存储了每一种特征图案的特征， 每一种特征 图案的特征在所述嵌入式控制器的记忆库中都是唯一的以标示唯。
5、一位置。 4. 根据权利要求 1 所述的基于地面路标的定位导引系统， 其特征在于， 所述嵌入式控 制器以 DSP 作为视觉系统处理器， 通过所述视觉系统处理器实现实时视频采集、 视觉信息 处理。 5. 一种基于地面路标的定位导引方法， 其特征在于， 包括如下步骤 ： 步骤S1.在AGV车体工作区域地面铺设特征带， 其中特征带包含特征图案， 并将特征带 的图像信息以及各特征图案在特征带上的对应位置记录于嵌入式控制器的记忆库中 ； 步骤S2.当AGV车体经过铺设的特征带时， 视觉系统捕捉到特征带的图像信息， 并把该 图像信息传输至嵌入式控制器进行图像处理， 其中， 视觉系统和嵌入式控制器安装在所述。
6、 AGV 车体上 ； 步骤 S3. 嵌入式控制器获取图像信息后 , 利用模板匹配法， 将校正后的图像信息与记 忆库中的特征图案进行对比匹配， 计算出所获取的特征图案在整个特征带中的对应位置， 从而可获知此时 AGV 车体的位置、 姿态。 6.根据权利要求5所述的基于地面路标的定位导引方法， 其特征在于， 步骤S3具体是 ： 嵌入式控制器获取图像信息后 , 先按照第一设定阈值将图像转变为二值图像 ； 获得二值图 像后， 对每个像素在相互垂直的两个方向上计算相邻像素值之差， 从而获得梯度图像， 再按 照第二设定阈值从梯度图像中提取角点， 即像素值大于第二设定阈值的点 ； 对每一特征图 案提取四个角。
7、点， 由这四个角点唯一确定一个位置变换矩阵， 该位置变换矩阵包含了 AGV 车体相对于该标志物的位置变换 ； 另一方面， 利用已提取的四个角点计算投影变换矩阵， 并 利用该投影变换矩阵对二值图像进行投影反变换， 从而消除投影变换导致的图像畸变， 消 除畸变后， 再利用模板匹配法， 嵌入式控制器将校正后的图像信息与记忆库中的特征图案 进行对比， 计算出所获取的特征图案在整个特征带中的位置， 从而可获知此时 AGV 车体的 位置、 姿态， 实现定位、 导引的功能。 7. 根据权利要求 5 所述的基于地面路标的定位导引方法， 其特征在于， 所述特征带包 含黑白模板， 所述黑白模板由正方形黑色边框构成。
8、， 所述黑白模板的内部在白色基底上印 有不同特征图案， 所述嵌入式控制器的记忆库存储了每一种特征图案的特征， 每一种特征 图案的特征在所述嵌入式控制器的记忆库中都是唯一的以标示唯一位置。 权 利 要 求 书 CN 102997910 A 2 2/2 页 3 8.根据权利要求7所述的基于地面路标的定位导引方法， 其特征在于， 为保证AGV车体 可以实时定位， 需增大视觉的视野范围， 使得视觉系统所捕获图像中的黑白模板的个数大 于或等于 1， 因此进行图像处理时， 具体方法为 ： 从图像起点开始搜索， 直至搜索到第一个 完整的黑白模板为止， 才开始对该完整的黑白模板进行步骤 S3 的处理。 权 利。
9、 要 求 书 CN 102997910 A 3 1/4 页 4 一种基于地面路标的定位导引系统及方法 技术领域 0001 本发明涉及自动控制领域， 尤其涉及一种基于视觉技术的定位导引方法， 适合在 数字化装配中使用， 具体涉及一种基于地面路标的定位导引系统及方法。 背景技术 0002 自动导引技术主要包括电磁感应导引、 激光导引、 视觉导引、 惯性导引、 超声波导 引和磁钉等。其中视觉导引是指 AGV（自动导引车） 对行驶区域的环境进行图象识别， 实现 智能行驶， 这是一种具有巨大潜力的导引技术。 视觉传感器为信息被动接收， 不受其他传感 器的干扰 ； 视觉传感器收集得到的信息量大， 即使在丢。
10、弃了大量的信息之后， 仍然可以很好 地为车辆导航。 同时视觉导引具有引导路径设置和变更简单方便、 技术成本、 以及使用费用 低、 系统柔性好等优点。 因此视觉导引已经成为目前研究与应用的热点， 具有巨大的应用潜 力。 0003 在现有的视觉导引中， 主要分为景物识别和标志识别导引， 而标志识别又分 为空中标志和地面标志识别。如 “人工路标视觉导航方法” （中国发明专利申请号 200410021540.4） ， 属于空中标志识别， 该发明将设计好的路标粘在与地面垂直的平面上， 通过路标在图像中的位置和它们在世界坐标系中的几何关系， 计算出摄像机的绝对位置。 然而该发明在光线不充足环境下或在路标被。
11、遮挡情况下， 将无法获得好的导航效果 ； 同时， 对于单摄像头、 非全方位视觉， 在不连续、 有限数量的路标下， 由于视角有限， 将无法获得很 高的定位精度。 0004 而地面标志， 基本采用在地面铺设色带， 从而为自动导引车提供运动方向， 但无法 获得定位信息。 自动导引车在自动化装配任务时， 需要实时获得自身精确的定位信息， 视觉 导引系统在提供运动方向的同时， 需要提供绝对位置。 发明内容 0005 本发明目的在于针对现有技术的不足， 提供一种面向数字化装配任务的定位、 导 引方法， 通过地面路标及视觉技术使自动导引车能实现全局定位、 导引。 本发明是通过以下 技术方案实现的 ： 000。
12、6 根据本发明的一个方面， 提供一种基于地面路标的定位导引系统， 包括 ： 视觉系 统、 地面路标、 AGV 车体、 嵌入式控制器， 所述视觉系统和嵌入式控制器安装在所述 AGV 车体 上， 所述地面路标为平铺于 AGV 车体工作区域地面上的特征带， 其中， 所述视觉系统用于获 取地面路标包含的图像信息， 所述嵌入式控制器用于对接收自所述视觉系统的图像信息进 行图像处理获取当前 AGV 车体的位置信息。 0007 优选地， 所述视觉系统包括视觉设备、 照明设备、 以及遮光罩， 其中， 所述视觉设备 为单个摄像机， 所述照明设备提供足够光线以保障摄像机更好地获取图像信息， 所述遮光 罩用于避免外。
13、界环境光线对图像的影响。 0008 优选地， 所述特征带包含黑白模板， 所述黑白模板由正方形黑色边框构成， 所述黑 说 明 书 CN 102997910 A 4 2/4 页 5 白模板的内部在白色基底上印有不同特征图案， 所述嵌入式控制器的记忆库存储了每一种 特征图案的特征， 每一种特征图案的特征在所述嵌入式控制器的记忆库中都是唯一的以标 示唯一位置。 0009 优选地， 所述嵌入式控制器以 DSP 作为视觉系统处理器， 通过所述视觉系统处理 器实现实时视频采集、 视觉信息处理。 0010 根据本发明的另一个方面， 还提供一种基于地面路标的定位导引方法， 包括如下 步骤 ： 0011 步骤 S。
14、1. 在 AGV 车体工作区域地面铺设特征带， 其中特征带包含特征图案， 并将 特征带的图像信息以及各特征图案在特征带上的对应位置记录于嵌入式控制器的记忆库 中 ； 0012 步骤S2.当AGV车体经过铺设的特征带时， 视觉系统捕捉到特征带的图像信息， 并 把该图像信息传输至嵌入式控制器进行图像处理， 其中， 视觉系统和嵌入式控制器安装在 所述 AGV 车体上 ； 0013 步骤 S3. 嵌入式控制器获取图像信息后 , 利用模板匹配法， 将校正后的图像信息 与记忆库中的特征图案进行对比匹配， 计算出所获取的特征图案在整个特征带中的对应位 置， 从而可获知此时 AGV 车体的位置、 姿态。 00。
15、14 优选地， 步骤 S3 具体是 ： 嵌入式控制器获取图像信息后 , 先按照第一设定阈值将 图像转变为二值图像 ； 获得二值图像后， 对每个像素在相互垂直的两个方向上计算相邻像 素值之差， 从而获得梯度图像， 再按照第二设定阈值从梯度图像中提取角点， 即像素值大于 第二设定阈值的点 ； 对每一特征图案提取四个角点， 由这四个角点唯一确定一个位置变换 矩阵， 该位置变换矩阵包含了 AGV 车体相对于该标志物的位置变换 ； 另一方面， 由于摄像机 成像过程中不可避免地存在投影变换， 直接做模板匹配来识别标志物的成功率较低， 因此 利用已提取的四个角点计算投影变换矩阵， 并利用该投影变换矩阵对二值。
16、图像进行投影反 变换， 从而消除投影变换导致的图像畸变， 消除畸变后， 再利用模板匹配法， 嵌入式控制器 将校正后的图像信息与记忆库中的特征图案进行对比， 计算出所获取的特征图案在整个特 征带中的位置， 从而可获知此时 AGV 车体的位置、 姿态， 实现定位、 导引的功能。 0015 优选地， 所述特征带包含黑白模板， 所述黑白模板由正方形黑色边框构成， 所述黑 白模板的内部在白色基底上印有不同特征图案， 所述嵌入式控制器的记忆库存储了每一种 特征图案的特征， 每一种特征图案的特征在所述嵌入式控制器的记忆库中都是唯一的以标 示唯一位置 ； 为保证实时定位 AGV 车体， 在设计视觉系统时， 需。
17、增大视觉的视野范围， 保证 视觉系统所捕获的图像中， 黑白模板的个数大于或等于 1。 0016 优选地， 所述视觉系统所捕获图像中的黑白模板的个数大于或等于 1， 因此进行图 像处理时， 具体方法为 ： 从图像起点开始搜索， 直至搜索到第一个完整的黑白模板为止， 才 开始对该完整的黑白模板进行步骤 S3 的处理。 0017 本发明通过在地面铺设特征带， 利用视觉技术中的模板匹配方法， 实现 AGV 的定 位、 导引功能 ； 避免了普通视觉导引方法的缺陷， 极大地降低了 AGV 导引成本， 获得了较高 的定位精度。 附图说明 说 明 书 CN 102997910 A 5 3/4 页 6 0018。
18、 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述， 本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显 ： 0019 图 1 为本发明的系统组成模块框图 ； 0020 图 2 为本发明的定位、 导引方法工作流程图 ； 0021 图 3 为地面路标示意图。 0022 图中 ： 1 为 AGV 车体， 2 为嵌入式控制器， 31 为照明设备， 32 为遮光罩， 33 为视觉设 备， 4 为底面铺设特征带。 具体实施方式 0023 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明 ： 本实施例在以本发明技术方案为前 提下进行实施， 给出了详细的实施方式， 但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 0024 图 1。
19、 为本发明的系统组成模块框图， 如图 1 所示， 在本实施例中， 根据本发明所 提供的系统面向数字化装配任务， 其包括 ： 视觉系统、 地面路标、 AGV 车体、 嵌入式控制器、 其中视觉系统、 嵌入式控制器安装于 AGV 车体上， 视觉系统包括视觉设备、 照明设备及遮光 罩， 所述的照明设备提供足够光线以保障作为视觉设备的摄像机更好地获取图像信息， 所 述的遮光罩可以避免外界环境光线对图像的影响。 0025 所述视觉系统用于获取环境特征图像 ； 所述的嵌入式控制器以 DSP 作为视觉系统 处理器， 实现实时视频采集、 视觉信息处理， 当嵌入式控制器接收到所述视觉系统的图像信 息并进行图像处理。
20、后获取当前 AGV 车体的位置信息， 实现定位功能 ； 所述地面路标是铺设 于地面的特征带 ； 所述 AGV 车体是以上所述各模块的载体， 在进行数字化装配任务时装载 零件。 0026 所述作为地面路标铺设于地面的特征带如图 3 所示， 是一种专门设计的黑白模 板， 这种黑白模板由正方形黑色边框构成， 内部在白色基底上印有不同特征图案。 0027 图 2 为本发明的定位、 导引方法工作流程图， 如图 2 所示。本实施例中， 首先将铺 设于地面的特征带图像存储于嵌入式控制器的记忆库中 ； 当 AGV 车体运动时， 由视觉系统 将采集到的图像传输至嵌入式控制器中， 嵌入式控制器获取图像后 , 先按。
21、照第一设定阈值 将图像转变为二值图像,即将亮度值大于第一设定阈值的像素置1,将其余像素置0。 获得 二值图像后， 从图像起点开始搜索， 直至搜索到第一个完整的黑白模板为止， 仅对该部分图 像中黑白模板进行处理。 在二值图像中每个像素在相互垂直的两个方向上计算相邻像素值 之差， 从而获得梯度图像， 再按照第二设定阈值从梯度图像中提取角点， 即像素值大于该第 二设定阈值的点。对每一视觉标志物可以提取四个角点， 由这四个角点可以唯一确定一个 位置变换矩阵， 该位置变换矩阵包含了 AGV 车体相对于该标志物的位置变换。另一方面， 由 于摄像机成像过程中不可避免地存在投影变换， 直接做模板匹配来识别标志。
22、物的成功率较 低， 因此利用已提取的四个角点计算投影变换矩阵， 并利用该投影变换矩阵对图像进行投 影反变换， 从而消除投影变换导致的图像畸变。消除畸变后， 再利用模板匹配法， 嵌入式控 制器将校正后的图像信息与记忆库中的特征带进行对比， 计算出所获取的图像在整个特征 带中的位置， 从而可获知此时 AGV 车体的位置、 姿态， 实现定位、 导引的功能。 0028 与现有技术相比， 本发明的突出特点是采用黑白模板设计而成的特征带作为地面 路标实现 AGV 的定位、 导引功能， 由于采用了黑白双色编码特征带， AGV 运动时可以自动导 说 明 书 CN 102997910 A 6 4/4 页 7 引以外， 还可以实现全局定位， 从而为实现多 AGV 协作搬运、 装配等工作提供基础。本方法 定位、 导引精度高， 成本低， 避免了环境光线的影响， 稳定性好， 在 AGV 中具有很好的应用前 景。 0029 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是， 本发明并不局限于上述 特定实施方式， 本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改， 这并不影 响本发明的实质内容。 说 明 书 CN 102997910 A 7 1/2 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102997910 A 8 2/2 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 102997910 A 9 。