机器人技术文章编号：1008—0570(2009)022020503用于移动机器人自定位的视觉路标设计Desig门ofavisuallandmarkusedformobilerobotself-localization(1．中国科学院沈阳自动化研所；2．沈阳新松机器人自动化股份有限公司)侯杰贤徐方张令涛HOUJie-xianXUFangZHANGLing-tao摘要：为了实现室内移动机器人的自定位提出了一种简易美观的新型视觉人工路标以及基于对数极坐标系投影直方图的路标识别方法．并用基于共面四点的位姿估计算法计算机器人位姿实验结果说明，路标检测具有很高的鲁棒性：路标识别方法抗噪声和形变的能力强：位姿精度足够满足室内移动机器人自定位的需要关键词：移动机器人；视觉定位：人工路标：目标识别中图分类号TP24文献标识码：AAbstract：Inordertorealizeself—loealizationoftheindoormobilerobot．anewsimpleandunobtrusivevisua1arti?ciallandmarkispresented，andtherecognitionmethodofthelandmarkbasedonprojectivehistogramofthelog—polarimageispresented．andthepositionandorientationoftherobotiscalculatedbyfourcoplanarpointsoIthelandmark．Theexperimentresultsprovethat【leteetingthearticiallandmarkprovidesverybighrobustness，andrecognitionofthelandmarkisrobusttonoiseanddistortionandtheDreci—sionofthepositionandorientationoftherobot，canmeetthedemandofthejmloormobiler()botself—lOCalizationvervWel1．KeyWOrds：Autonomousmobilerobots；visuallocalization；artifciallandmark；objectrecognition1引言为了实现在室内环境中的自主导航，移动机器人必须具有全局自定位的功能。室内移动机器人的位姿(位置与方向角)通常用(，Y，0)表示。文献中比较详细地研究了移动机器人的导航与定位技术，由于视觉传感器价格低廉并能获取丰富的环境信息，许多成功的机器人定位系统都采用视觉路标来定位路标可分为人J二路标与自然路标。自然路标是直接从环境中提取的已存在的特征以及物体，如门、墙角、直线、天花板灯等。自然路标识别难度大，难以实用。人丁路标是人为放置在环境中的标志物体，在复杂的环境中也很容易识别且具有较高的定位精度，因而取得广泛的应用。近年来国内外学者相继提出了一些人工路标模式，本文设计了一种新型的人工路标，提一种鲁棒的基于对数极坐标系投影直方图的路标识别方法，并根据单摄像机采集的单人=r路标图像中四个角点来估计移动机器人的位姿。2人工路标设计与识别基于单人工路标的室内移动机器人全局自定位算法主要由以下三步组成：l、人工路标感兴趣区域检测。2、不同人T路标的识别。3、根据路标的四个角点计算机器人位姿。2．1人工路标模式人工路标的设计，主要有个要求：可靠性、实时性和美观性。在实验研究中，美观性往往被忽略。然而，路标的美观性对于商业化机器人产品来说，是极其重要的。本文设计的人T路标主要应用于家庭服务机器人产品，必须充分考虑美观性要求。该路标为平面人T路标，类似于墙壁上挂的装饰厕，具有较好的视觉效果【见图l左上图)。路标由三部分组成：红色矩形侯杰贤：硕士基金项目：国家863计划重点项目：机器人模块化体系结构设计(2007AA041700)方框、内部背景(图中为黑色)以及待识别目标图案(冈中为白色天鹅)。在实际应用中，在能准确分割待识别目标的前提下，路标可以设计得更美观。2．2路标感兴趣区域提取首先采用基于阈值的分割算法进行彩色图像分割。彩色图像空间有多种，如RGB、HSV以及GIE空间等，我们选择归一化r曲颜色空间来分割路标的红色矩形方框。在rgb空间中，R／(R+G+BJ、g=G／(R+G+B1、b=B／(R+G+B)，其中R、G、B属于RGB颜色空问中。rgb空间对于光照强弱的变化不敏感且计算简单。我们选择r>O．4、g<0．3、b<0-3时取得很好的分割效果，获得的二值图像见图1有上冈，其中白色区域为路标矩形方框。为了消除小面积的分割区域并平滑路标方框，再用的矩形结构元素进行一次形态学结构开处理。然后，用轮廓跟踪算法提取轮廓以及Douglas-Peucker算法简化轮廓。对于每条轮廓线，若包含的面积大于一定阈值，则计算其所有点的内角，判断凹凸性，若是凸轮廓且内角在90度...