一種使用激光校正貼碼誤差的系統和方法
【專利摘要】本發明涉及一種使用激光校正貼碼誤差的系統和方法，該系統包括激光定位車以及安裝在應用環境中的二維碼和多個激光反光板，所述激光定位車包括車體、行走車輪、讀碼器和激光掃描器，行走車輪和讀碼器安裝在車體的底部，所述的激光掃描器安裝在車體上360度掃描無障礙的位置；該方法在應用環境中布設激光反光板和激光定位車、通過將激光定位車讀碼器采集的數據和激光掃描器采集的數據進行差值比對，從而得到貼碼誤差。本發明設計合理，為移動機器人確導航提供了可靠的基礎，解決了用統計方法校正貼碼誤差存在的統計過程時間長、效率低的問題。
【專利說明】
一種使用激光校正貼碼誤差的系統和方法
技術領域
[0001] 本發明涉及機器人導航技術領域，具體涉及一種使用激光校正貼碼誤差的系統和 方法。
【背景技術】
[0002] 基于二維碼的移動機器人視覺導航是一種常用機器人導航方式。由于圖像具有較 高分辨率，施工簡單、成本低、環境信息完整、符合人類的認知習慣并且二維碼圖像具有迅 速被識讀的特點，因此，基于離散式分布二維碼的移動機器人自主導航被得到廣泛關注和 認可。但是，這種基于離散式分布的二維碼導航方法也有其天然的問題:人工敷設二維碼難 以做到十分精確，其左右位置的貼碼誤差一般會有1到2毫米，其傾斜角度的貼碼誤差一般 會有1度的誤差（由安裝在移動機器人中心點的讀碼器測量）。雖然只有1度的角度誤差，但 由于是貼碼貼歪了而非車體走歪了，當移動機器人以被貼歪了的二維碼作為標準校正自身 姿態、再到達下一個二維碼時，將產生更大的誤差，理論值為：當上一個二維碼貼歪了 1度 時，在下一個二維碼將會產生1.7cm(tan(l度)*lm)的位置偏差，因此，移動機器人在到達下 一個二維碼時其糾偏幅度就會更大，這樣就會呈現出機器人在運行過程中非常不穩定的狀 ??τ 〇
[0003] 為了校正二維碼貼碼誤差，專利文獻(專利名稱：用于校正貼碼誤差的移動機器人 定位方法，申請號：201310247584.8"采用如下統計方法校正二維碼貼碼誤差:讓同一臺移 動機器人多次對同一個被測量的二維碼進行位姿測量，如果每次測量的誤差值相同或相 近，則認為該二維碼存在貼碼誤差，用該貼碼誤差值更新地圖，將更新后的地圖作為移動機 器人視覺導航的基準值。雖然統計方法在一定程度上能夠解決校正貼碼誤差的問題，但是， 該統計方法對于每個信息采集點都需要作幾十次重復的數據采集才能將統計結果趨于準 確，實施過程費時費力，效率低。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種使用激光校正貼碼誤差的系統 和方法，解決用統計方法校正貼碼誤差效率低的問題。
[0005] 本發明解決其技術問題是采取以下技術方案實現的：
[0006] -種使用激光校正貼碼誤差的系統，包括激光定位車以及安裝在應用環境中的二 維碼和多個激光反光板，所述激光定位車包括車體、行走車輪、讀碼器和激光掃描器、讀碼 器定位控制器和激光掃描定位控制器，行走車輪和讀碼器安裝在車體的底部，所述的激光 掃描器安裝在車體上360度掃描無障礙的位置。
[0007] 所述多個激光反光板米用隨機且非對稱方式布設在與激光掃描器為同一個平面 的位置上。
[0008] 所述激光反光板至少為三個。
[0009] 所述二維碼為單體二維碼，或者為由單體二維碼組成的二維碼碼陣。
[0010] 所述的行走車輪包括主動輪和隨動輪。
[0011] -種使用激光校正貼碼誤差的系統的方法，包括以下步驟：
[0012 ]步驟1、建立世界坐標系、小車坐標系、激光坐標系和圖像坐標系；
[0013] 步驟2、在應用環境中以隨機、非對稱方式布設至少三個以上的激光反光板;所述 激光反光板與激光掃描器為同一個平面且與激光掃描器分別間隔一定距離；
[0014] 步驟3、激光定位車的讀碼器定位控制器獲取在小車坐標系下其車體中心點相對 于當前信息采集點的位姿偏差；
[0015] 步驟4、根據激光定位車車體中心點在小車坐標系下相對于當前信息采集點的位 姿偏差以及當前信息采集點在世界坐標系下的坐標值和角度值，計算激光定位車車體中心 點在世界坐標系下相對于當前信息采集點的位姿偏差；
[0016]步驟5、激光定位車的激光定位控制器獲取在世界坐標系下當前信息采集點相對 于原始點位姿偏差；
[0017] 步驟6、采用差值法計算貼碼誤差。
[0018] 所述的當前信息采集點為二維碼信息采集點。
[0019] 本發明的優點和積極效果是：
[0020] 本發明在應用環境中布設激光反光板和激光定位車、通過將激光定位車讀碼器采 集的數據和激光掃描器采集的數據進行差值比對，從而得到貼碼誤差，為移動機器人確導 航提供了可靠的基礎，解決了用統計方法校正貼碼誤差存在的統計過程時間長、效率低的 問題。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發明的激光定位車的結構示意圖；
[0022] 圖2為激光定位車在世界坐標系下坐標值示意圖；
[0023] 圖3為本發明的激光定位方法示意圖；
[0024]圖4為采用差值計算貼碼誤差的原理示意圖（第一種形式）；
[0025]圖5為采用差值計算貼碼誤差的原理示意圖（第二種形式）；
[0026]圖6a為采用差值計算貼碼誤差的原理示意圖（第三種形式步驟一）；
[0027]圖6b為采用差值計算貼碼誤差的原理示意圖（第三種形式步驟二）；
[0028] 其中，0:車體；1:主動輪;2:隨動輪;3:讀碼器;4:激光掃描器;5:激光反光板;0-1 激光定位車在特征點P處(原始點）；〇_2激光定位車在特征點廣處并旋轉角度Θ ;〇-3_1:第一 反光板;0-3-2:第二反光板;0-3-3:第三反光板;0-4:激光定位車在特征點P處掃描第一反 光板得到的XI、Y1;0-5:激光定位車移動到特征點P'處掃描第一反光板得到的XI'、Y11-1:在小車坐標系下車體中心點到二維碼中心點在X軸上的偏差值；1 -2:在小車坐標系下車 體中心點到二維碼中心點在Y軸上的偏差值;2-1:二維碼中心點在世界坐標系中的坐標值； 2-2:二維碼貼碼誤差;3-1:通過計算得到的車體中心點在世界坐標系中的坐標值;3-2:激 光定位車從原始點(特征點P)移動到特征點P'相對于原始點的坐標值。
【具體實施方式】
[0029] 以下結合附圖對本發明實施例做進一步詳述：
[0030] -種使用激光校正貼碼誤差的系統，包括布設在應用環境中的激光反光板和激光 定位車。如圖1所示，激光定位車包括車體0、行走車輪(包括主動輪1和隨動輪2 )、讀碼器3、 激光掃描器4、讀碼器定位控制器和激光掃描定位控制器，所述主動輪和隨動輪安裝在車體 的底部，所述的讀碼器安裝在車體的底部用于讀取布設在地面上的二維碼，所述二維碼可 以是單體二維碼，也可以是由單體二維碼組成的二維碼碼陣。所述的激光掃描器安裝在車 體上360度掃描無障礙的位置，在本實施例中，激光掃描器4安裝在車體的上表面360度掃描 無障礙的位置。
[0031 ]所述的激光反光板米用隨機且非對稱方式布設在與激光掃描器同一個平面且與 激光掃描器分別間隔一定距離的位置上。如圖3所示，激光反光板的布設方法為:第一反光 板0-3-1、第一反光板0-3-2、第一反光板0-3-3對于激光掃描器是非對稱布設的。如果三塊 反光板對于激光掃描器不是非對稱布置而是對稱布設，將會出現錯誤的運算結果，即從原 始點P到當前點廣雖然激光掃描器發生了物理上的位姿變化，但是求出來的（tx，ty，0)值卻 無變化。其原理是：XN或XN^COSe+^YN或YN'=SIN0*L，如果公式中的Θ值、L值都是相同 的，這樣求出的XN或XN'或YN或YN'也是相同的，則P(tx，ty，0)與？'（^#，0)的值也是相同 的，因此，當反光板對稱布設在激光掃描器的周圍時，P'(tx，ty，0)的值將會產生錯誤的結 果。
[0032] 一種用激光校正貼碼誤差的方法，其特征在于:包括以下步驟：
[0033] 步驟1、建立世界坐標系、小車坐標系、激光坐標系、圖像坐標系。
[0034] 世界坐標系是絕對坐標系，可以室內某個靜止不變的點作為原點。
[0035] 小車坐標系是將激光定位車的中心點為原點，以通過中心點與激光定位車前進方 向平行的軸為X軸、通過中心點與激光定位車前進方向垂直的軸為Y軸。
[0036] 激光坐標系是以固裝在車體的激光掃描器為原點建立二維平面的坐標系。激光坐 標系可以與小車坐標系重合，也可以與小車坐標系保持相對的位姿偏差。
[0037]圖像坐標系為二維碼圖像坐標系。
[0038] 步驟2、在應用環境中采用隨機且非對稱方式布設至少3個以上的激光反光板。所 述激光反光板與激光掃描器為同一個平面且與激光掃描器分別間隔一定距離；
[0039] 步驟3、激光定位車的讀碼器定位控制器獲取在小車坐標系下車體相對于當前信 息采集點的位姿偏差。
[0040] 關于讀碼器定位控制器獲取在小車坐標系下車體相對于當前信息采集點的位姿 偏差，基于在先申請的專利號：201210186563.5,專利名稱:基于二維碼的室內移動機器人 定位系統，在此不再贅述。
[0041] 步驟4、根據激光定位車車體中心點在小車坐標系下相對于當前信息采集點的位 姿偏差以及當前信息采集點在世界坐標系下的坐標值和角度值，計算激光定位車車體中心 點在世界坐標系下相對于當前信息采集點的位姿偏差。
[0042] 如圖2所示，在小車坐標系下，車體中心點3-1相對于二維碼中心點在激光定位車X 軸方向的偏差1-1為10，車體中心點3-1相對于二維碼中心點在激光定位車Y軸方向的偏差 1-2為10，二維碼中心點2-1在世界坐標系下的坐標為（100，100 )，則激光定位車車體中心點 在世界坐標系下的坐標X= 100-10 = 90 ;Y= 100-10 = 90。
[0043] 步驟5、激光定位車的激光定位控制器獲取在世界坐標系下當前信息采集點相對 于原始點位姿偏差。
[0044] 如圖3所示，激光定位車的激光掃描器獲取在世界坐標系下當前信息采集點P'相 對于原始點(P)位姿偏差(tx，ty，Θ)的具體過程如下：
[0045] ①建立世界坐標系；
[0046] ②建立前后兩次掃描到的特征點PU^Yl·)和ΡΚΧΛΥ")坐標變換公式；
[0047] p'=RP+T,
[0048] 式中：
[0050] 其中，R為激光反光板從特征點P到P'的有關Xi'、Yi'的旋轉平移變換公式；（tx，ty， Θ)即為激光掃描器從原始點P移動到當前信息采集點Η相對于原始點P的位姿變化。由于激 光掃描器固定安裝在車體上，因此，激光掃描器的位姿變化也是車體的位姿變化:tx，ty為 車體從特征點P移動到特征點P'的位置變化，Θ為車體從特征點P移動到特征點P'的角度變 化；
[0051] 在圖3中，激光掃描器在原點(P)測得第一反光板的坐標值為(X^Yi)，在Η測得的 第一反光板的坐標值為(Χ^,Υ^)，其中（X^Yi)是相對于世界坐標系原點的坐標值；（X"， Y")是相對于廣點的激光坐標系的坐標值，本實施例中假設廣點的小車坐標系和激光坐標 系是重合的。
[0052] ③建立關于的方程：
[0053] 方程一、Xi' =rll Xi+rl2 Yi+tx
[0054] 方程二、Y"=r21 Xi+r22 Yi+ty
[0055] 其中，X"、Y"、心、心是已知條件，可以通過計算得到這四個已知條件，其計算原理 為:激光掃描器每間隔一個設定的角度以360度掃描方式對周圍的反光板進行掃描，根據激 光反光板掃描的次數可知當前已經轉過的角度Θ，如圖3所示，激光掃描器掃描到第一反光 板0_3_1、第二反光板0_3_2、第二反光板〇-3_3的角度Θ是可知的，激光掃描器到第一反光板 0-3-1、第二反光板0-3-2、第三反光板0-3-3的距離L(L即為激光掃描器分別到各個反光板 的連線的長度)可以通過光速往返時間計算得到，有了角度Θ和L，即可通過COS0*L和SI_*L 得到 Χι'、Υι'、Χι、Υι。
[0056] ④根據方程一、方程二中的已知條件確定未知數
[0057] 方程一、方程二中中除去已知數X"、Υ"、Χι、Υι還剩下6個未知數:rll、rl2、r21、 r22、tx、ty;
[0058]⑤建立關于6個未知數的求解方程：
[0059]求解6個未知數則需要建立6個方程，一個反光板能夠建立關于心''的2個方程， 如果要想建立6個方程，則需要布設至少3個反光板，布設3個反光板求得6個未知數的方程 如下：
[0060] Xi,=rll Xi+rl2 Yi+tx
[0061] Yi,=r21 Xi+r22 Yi+ty
[0062] X2,=rll X2+rl2 Y2+tx
[0063] Y2,=r21 X2+r22 Y 2+ty
[0064] X3,=rll X3+rl2 Y3+tx
[0065] Y3,=r21 X3+r22 Y3+ty
[0066] ⑤求解方程得到激光定位車到達P'點時相對于原點(P)的位姿信息(tx，ty，Θ);
[0067] 步驟6、用差值法計算貼碼誤差。
[0068]差值法計算貼碼誤差的原理為：
[0069] 第一種方式：未發生貼碼誤差。假設激光掃描器和讀碼器按照上下位置豎直安裝 在車體中心線上，并且假設激光坐標系和激光定位車坐標坐標系重合，分別求出激光定位 車到達廣點時讀碼器(或車體中心點）在世界坐標系下的位姿(tx車，ty車，Θ車)，以及激光掃描 器在世界坐標系下的位姿(txrn，tym，θ?)，如圖4所示，圖中2-1為二維碼未發生貼碼誤差 的正確位置，此時，讀碼器讀出的車體中心點到二維碼中心點的偏差值為（10,1〇,〇)，通過 該偏差值進一步計算得到車體中心點在世界坐標系下的位姿(tx車，ty車，Θ車)的值為(90,90， 〇)，同時，激光掃描器在Η特征點測得的相對于原點P的位姿(txm，tym，9m)的值為(90， 90，0)，由于(tx^，ty車，Θ車)與（tx激fe, ty激fe, Θ激fc)的差值為零，因此，貼碼誤差為零。
[0070] 第二種方式:發生了貼碼誤差。假設激光掃描器和讀碼器按照上下位置豎直安裝 在車體中心線上，并且假設激光坐標系和激光定位車坐標坐標系重合，分別求出激光定位 車到達廣點時讀碼器(或車體中心點）在世界坐標系下的位姿(tx車，ty車，Θ車)，以及激光掃描 器在世界坐標系下的位姿(txm，tym，θ?)，如圖5所示，圖中二維碼向右偏離了虛線框發 生了貼碼誤差，此時，讀碼器讀出的車體中心點到二維碼中心點的偏差值由（10,10,0)變為 (15，10,0)，通過該偏差值進一步計算得到車體中心點在世界坐標系下的位姿(^車3 7車， Θ車）的值為（85，90，0)，同時，激光掃描器在Ρ'特征點測得的相對于原點Ρ的位姿（txm， tym，9m)的值為(90，90，0)，通過差值計算，得到二維碼在X軸方向向右偏離值為5。
[0071] 第三種方式:激光坐標系和小車坐標系并不重合。如圖6a所示，激光坐標系向左偏 離小車坐標系的值為3，此時，用差值法計算貼碼誤差的方法如下：
[0072] ①建立激光坐標系和小車坐標系的轉換關系；
[0073] ②根據激光坐標系和小車坐標系的轉換關系，對激光定位車定位當前P'點在世界 坐標系下相對于原始點的位姿偏差進行補償，如圖6b所示，補償以后Η虛擬回到了原來的 位置，激光掃描器定位當前虛擬廣點在世界坐標系下相對于原始點的位姿偏差為(90,90， 〇)，此時，車體中心點在世界坐標系下的位姿(七1車#車，0車)的值為(85,9〇,〇)，通過差值計 算，得到二維碼在X軸方向向右偏離值為5。
[0074] ③將車體相對于世界坐標系的位姿偏差與補償后的激光定位車定位當前二維碼 在世界坐標系下的位姿信息(tx，ty，0)進行比較，其差值即為二維碼的貼碼誤差。
[0075] 需要強調的是，本發明所述的實施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發明包 括并不限于【具體實施方式】中所述的實施例，凡是由本領域技術人員根據本發明的技術方案 得出的其他實施方式，同樣屬于本發明保護的范圍。
【主權項】
1. 一種使用激光校正貼碼誤差的系統，其特征在于:包括激光定位車以及安裝在應用 環境中的二維碼和多個激光反光板，所述激光定位車包括車體、行走車輪、讀碼器、激光掃 描器、讀碼器定位控制器和激光掃描定位控制器，行走車輪和讀碼器安裝在車體的底部，所 述的激光掃描器安裝在車體上360度掃描無障礙的位置。2. 根據權利要求1所述的一種使用激光校正貼碼誤差的系統，其特征在于:所述多個激 光反光板采用隨機且非對稱方式布設在與激光掃描器為同一個平面的位置上。3. 根據權利要求1所述的一種使用激光校正貼碼誤差的系統，其特征在于:所述激光反 光板至少為三個。4. 根據權利要求1至3任一項所述的一種使用激光校正貼碼誤差的系統，其特征在于： 所述二維碼為單體二維碼，或者為由單體二維碼組成的二維碼碼陣。5. 根據權利要求1至3任一項所述的一種使用激光校正貼碼誤差的系統，其特征在于： 所述的行走車輪包括主動輪和隨動輪。6. -種如權利要求1至5任一項所述使用激光校正貼碼誤差的系統的方法，其特征在于 包括以下步驟： 步驟1、建立世界坐標系、小車坐標系、激光坐標系和圖像坐標系； 步驟2、在應用環境中以隨機、非對稱方式布設至少三個以上的激光反光板;所述激光 反光板與激光掃描器為同一個平面且與激光掃描器分別間隔一定距離； 步驟3、激光定位車的讀碼器定位控制器獲取在小車坐標系下其車體中心點相對于當 前?目息米集點的位姿偏差； 步驟4、根據激光定位車車體中心點在小車坐標系下相對于當前信息采集點的位姿偏 差以及當前信息采集點在世界坐標系下的坐標值和角度值，計算激光定位車車體中心點在 世界坐標系下相對于當前信息采集點的位姿偏差； 步驟5、激光定位車的激光定位控制器獲取在世界坐標系下當前信息采集點相對于原 始點位姿偏差； 步驟6、采用差值法計算貼碼誤差。7. 根據權利要求6所述的一種使用激光校正貼碼誤差的系統的方法，其特征在于:所述 的當前?目息米集點為二維碼?目息米集點。
【文檔編號】G01B11/00GK106091924SQ201610370953
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月30日
【發明人】劉征
【申請人】深圳普智聯科機器人技術有限公司