结构光视觉导航系统与方法

1.一种结构光视觉导航系统，包含：
至少一个投影器，其架设于环境中，以将结构光投影于导航空间中以形成特定路径图案；
图像提取器，其架设于环境中并提取该导航空间中的图像；
机器人，位于该导航空间中，具有依循该特定路径图案行走的能力；以及视觉伺服器，其接受该图像提取器所传输的该导航空间中的图像以从该图像中辨识出该机器人的位置，及从该图像中的该特定路径图案的变形来确认障碍物的位置并于该障碍物附近规划虚拟路径；
其中当该机器人依循该特定路径图案行走至该障碍物附近时，该视觉伺服器传送导航指令给该机器人，使其依照该虚拟路径前进，待该虚拟路径结束后，该机器人继续依该特定路径图案前进。
2.如权利要求1所述的结构光视觉导航系统，其中在环境中更进而装设有至少一个反射器，用于将至少一个投影器所投射出的结构光反射至该导航空间中并与其它投影器所投射出的特定路径图案共同构成一足以涵盖该导航空间的全部路径图案。
3.如权利要求2所述的结构光视觉导航系统，其中所述投影器所投射出的特定路径图案共同构成一足以涵盖该障碍物周围导航空间的组合路径图案，使该障碍物不因自身体积阻挡该结构光的投影而使其周围存在无该组合路径图案的区域。
4.如权利要求1所述的结构光视觉导航系统，其中该机器人通过光学检测器或是图像检测器以检测该特定路径图案，使该机器人具有依循该特定路径图案行走的能力。
5.一种结构光视觉导航的方法，包含以下步骤：
经由投影器的投影在导航空间中形成由结构光所构成的特定路径图案；
提取该导航空间中的图像；
从该图像中的该特定路径图案的变形以进行障碍物检测，若无障碍物，则机器人在该导航空间中依循该特定路径图案前进；若有障碍物，则将图像中因障碍物变形的部分该特定路径图案消除并设定虚拟障碍物的边界，再另行规划虚拟路径；
判断是否到达目标点，若是，则导航完成；若否，则再判断是否遇到先前规划的虚拟路径；
若遇到虚拟路径，则依循该虚拟路径前进，若否，则该机器人继续依循该特定路径图案前进，并重复所述“是否到达目标点”以及“是否遇到先前规划的虚拟路径”的判断步骤，直至该机器人到达目标点为止。
6.如权利要求5所述的方法，其中障碍物检测、路径规划由电脑或嵌入式运算装置中进行。
7.如权利要求5所述的方法，其中机器人通过光学检测器或是图像检测器以检测该特定路径图案，使该机器人具有依循该特定路径图案行走的能力。
8.如权利要求5所述的方法，其中该虚拟路径与该虚拟障碍物的边界的距离至少与机器人形心至外壳极限的距离相同，或由该机器人上的数个特征间的距离所决定，或由其他路径规划演算法求得。
9.一种结构光视觉导航的方法，包含以下步骤：
经由多个投影器的投影在导航空间中形成由结构光所构成的多个特定路径图案；
提取该导航空间中的图案图像；
从该图像中的该特定路径图案的变形以进行障碍物检测，若无障碍物，则机器人依循该多个特定路径图案前进；若有障碍物，则将图像中因障碍物变形的部分该多个特定路径图案消除并设定虚拟障碍物的边界，再另行规划虚拟路径；
判断是否到达目标点，若是，则导航完成；若否，则再判断是否遇到先前规划的虚拟路径；
若遇到虚拟路径，则依循该虚拟路径前进，若否，则该机器人继续依循该多个特定路径图案前进，并重复所述“是否到达目标点”以及“是否遇到先前规划的虚拟路径”的判断步骤，直至该机器人到达该目标点为止；其中该多个特定路径图案是相互重迭或不相互重迭，若该多个特定路径图案是相互重迭，则每一特定路径图案具有不同的颜色。
10.如权利要求9所述的方法，其中若该多个特定路径图案为不相互重迭，则其实施方式为该多个投影器以不同时间个别投影在该导航空间中的同一区或者是该多个投影器在同一时间个别投影在该导航空间中的互不重迭的不同区。
11.如权利要求10所述的方法，其中该在该导航空间中的互不重迭的不同区共同构成一足以涵盖障碍物周围导航空间的组合路径图案，使障碍物不因自身体积阻挡该结构光的投影而使其周围存在无该组合路径图案的区域。
12.如权利要求10所述的方法，其中在环境中更进而装设有至少一个反射器，用于将该多个投影器中的至少一个所投射出的结构光反射至该导航空间中。
13.如权利要求10所述的方法，其中障碍物检测、路径规划由电脑或嵌入式运算装置中进行。
14.如权利要求10所述的方法，其中该机器人通过光学检测器或是图像检测器以检测该多个特定路径图案，使该机器人具有依循该多个特定路径图案行走的能力。
15.如权利要求10所述的方法，其中该结构光持续产生、间歇式产生，或是仅产生一次。
16.如权利要求10所述的方法，其中该虚拟路径与该虚拟障碍物的边界的距离至少与机器人形心至外壳极限的距离相同，或由该机器人上的数个特征间的距离所决定，或由其他路径规划演算法求得。

结构光视觉导航系统与方法\n技术领域\n[0001] 本发明有关于一种视觉导航系统与方法，及利用结构光作为机器人导航用的结构光视觉导航系统与方法。\n背景技术\n[0002] 近年来随着检测器与控制理论的进展，智能机器人系统逐渐从工厂自动化相关领域进入到各种服务型的应用场合，开辟了机器人自主服务的新领域。以往服务型机器人的研究和开发主要是在学术研究机构中进行，而如今已越来越受到产本领域的重视。其中室内服务型机器人出现的主要原因有：1.人们想摆脱令人烦恼且枯燥的重复性工作，如家务劳动、照料病人等等；2.各种机电装置成本的下降。目前各产业分析皆提出由服务型机器人代替人类完成家务劳动，是一相当有前景的技术领域，同时也将带来庞大的商机。\n[0003] 而在机器人系统中，自主导航是一核心技术，包括广域的定位、障碍物检测，以及路径规划与追踪。目前，导航技术最大的瓶颈在于，导航过程中机器人常常面临无法预测或是识别动态变化的环境，加上检测器所获得的数据经常是不完全、不连续，且不可靠的，使得移动机器人感知环境的能力虽然多样但是并不强健。机器人自主导航主要分为两大类：\n视觉导航系统与非视觉导航系统；前者是由视觉检测器提取以「面」为单位的数据类型，检测范围广，能够获得大部分的环境信息；而后者则是获得「点」或「线」的检测信号，且不同的检测器的特性皆会影响导航的效果。例如超声波检测器的检测角度大、分辨率低，无法获得障碍物的具体形状；又如红外线检测器容易受到障碍物表面特性的干扰。目前多采用多重检测融合的方式来改善单一检测器的缺点，但也提高了系统复杂度与功率消耗。\n[0004] 在目前视觉导航方式中，例如中国专利案第CN1569558A案所公开通过图像特征的机器人视觉导航方法，其发挥了图像检测的优点，可直接获得大部分的环境信息；就导航功能来说，比起其他检测器，如激光、红外线，或是超声波等，更能够在非结构性的空间中获得较佳的导航效果。不过前案运用了大量的运算资源来提取环境中的特征物，如门、柱、角落，或是其他人工标志，然后再将辨识出来的标志附近的场景图像与原有的地图图像进行对比以确认机器人的位置，最后才能确定机器人应走的方向与速度。就许多室内机器人的应用情境来看，譬如清洁机器人，此种导航方式反而因图像处理降低了整体的导航效率，同时对于障碍物的回避也没有具体的功效。\n[0005] 在目前非视觉导航方式中，例如中国专利案第1925988号公开一种用于机器人的导航系统以及用于提供该导航系统使用的绝对坐标的地板材料。该导航系统包括二维条码、条码读取器、以及控制单元。所述二维条码以预定间隔形成在具有预定尺寸的地板上，并分别具有不同的唯一坐标值。条码读取器安装于机器人上，以读取地板上二维条码所代表的坐标值，并由控制单元依据座标值进行后续运动控制。然而前案所采用的地板材料需特制，不但成本较高且容易因为损坏而造成导航失败，甚至因为严重损坏而使得机器人陷落其中而故障。\n[0006] 虽然上述二专利案的机器人导航方法可解决部份导航问题，对于应用于室内服务型机器人而言，仍有下列问题有待解决：\n[0007] 1.黑暗中无法使用，必须克服一般视觉伺服在低照度环境下容易伺服失败的问题。\n[0008] 2.障碍物位置判定与路径规划的运算相当耗时，且视觉伺服的运算比重过高会严重影响到伺服控制的即时性。\n[0009] 3.全部路径皆采用视觉伺服的方式，机器人在图像中较远处的循迹精确度过低。\n[0010] 4.自主移动机器人漫游路径重复与耗时耗电的问题。\n[0011] 5.常需另外于环境中建构视觉伺服系统，可能影响原有格局且系统成本亦需纳入考量。\n[0012] 因此，在本领域存在有一可解决上述五视觉导航问题的视觉导航系统与方法，以使室内服务型机器人可更快速地进入成熟阶段，并提供人们更可靠的服务质量。\n发明内容\n[0013] 本发明的目的是提供一种结构光视觉导航系统与方法，其中该视觉导航系统至少包括产生由结构光形成特定路径图案的至少一投影器，及视觉伺服器(server)。该结构光构成的图案除了可协助该结构光视觉导航系统进行障碍物检测之外，同时提供了机器人导航时必须跟随的特定路径图案。在该结构光视觉导航方法中，当检测到该障碍物，则该视觉伺服器可规划虚拟路径并对机器人发出运动控制命令，使其依循该虚拟路径前进。本发明通过结构光来导航机器人，以达到提高机器人的导航精确度及减少视觉伺服器的繁重运算的功效。\n[0014] 本发明更进一目的是提供一种结构光视觉导航系统，其包含图像提取器、投影器、视觉伺服器、以及机器人。其中投影器架设于环境中，可将特定路径图案投影于机器人需要导航路径的空间中。图像提取器架设于环境中，可将该空间图像提取后传输至视觉伺服器进行处理。视觉伺服器可从图像中辨识出机器人的位置，同时通过已投影于空间中的特定路径变形来确认障碍物的位置，并将障碍物附近的路径重新规划为虚拟路径。机器人接收到视觉伺服器发出的信号后开始依循该特定路径图案前进并且同时执行任务。此时图像提取器仍然持续提取图像。当机器人依循该特定路径行走至障碍物附近时，图像伺服器将传送导航指令给机器人，使其依照指令调整方向与速度并改依照先前运算所得的虚拟路径前进，待虚拟路径结束后，机器人继续依循实际投影于空间中的特定路径图案前进。\n[0015] 本发明更进一目的是提供一种结构光视觉导航方法，其包括下述步骤：经由投影器的投影在导航空间中形成由结构光所构成的特定路径图案；经由图像提取器提取该导航空间中的图像；检测障碍物，若无障碍物，则机器人依循特定路径图案前进；若有障碍物，则将图像中因障碍物变形的部份该特定路径图案消除并设定虚拟障碍物的边界，再另行规划虚拟路径；判断是否到达目标点，若是，则导航完成；若否，则再判断是否遇到先前规划的虚拟路径；若遇到虚拟路径，则依循虚拟路径，若否，则机器人继续依循该特定路径图案前进，并重复所述“是否到达目标点”以及“是否遇到先前规划的虚拟路径”的判断步骤，直至机器人到达目标点为止。\n[0016] 为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。\n附图说明\n[0017] 图1为根据本发明第一实施例的结构光视觉导航系统。\n[0018] 图2为在视觉伺服器中处理障碍物前后的图像提取器摄取视野图。\n[0019] 图3揭示根据本发明较佳实施例的结构光视觉导航方法的流程图。\n[0020] 图4为根据本发明第二实施例的结构光视觉导航系统。\n[0021] 图5为根据本发明第三实施例的结构光视觉导航系统。\n[0022] 图6为根据本发明第四实施例的结构光视觉导航系统。\n[0023] 主要元件符号说明\n[0024] 1：图像提取器\n[0025] 2，2a，2b，2c，2d，2e，2f：投影器\n[0026] 3：视觉伺服器\n[0027] 4：机器人\n[0028] 5：路径图案\n[0029] 5z：虚拟路径\n[0030] 6：导航空间\n[0031] 7：障碍物\n具体实施方式\n[0032] 首先，本文中的“机器人”是定义为可执行某一特定任何的移动平台。因此，该平台不论是以轮子驱动方式(或称自走车)或脚步移动方式，则皆称机器人。接着，请参考图\n1，本发明的第一较佳实施例如图1所示，此结构光视觉导航系统包含一图像提取器1，例如数码相机等、一投影器2、一视觉伺服器3、以及机器人4。该投影器2将形成特定的路径图案5的结构光投影于机器人4需要导航路径的导航空间6中且该结构光可为可见光或不可见光；同时，该结构光的产生可为持续产生，间歇性产生或仅产生一次。机器人4是通过光学检测器或是图像检测器以检测该特定路径图案，使该机器人具有依循该特定路径图案5行走的能力。该图像提取器1将该导航空间图像提取后传输至视觉伺服器3进行处理。该视觉伺服器可为电脑或其他嵌入式运算装置。图2为在视觉伺服器中处理障碍物前的图像提取器摄取视野图(如图左所示)以及处理障碍物前的图像提取器摄取视野图(如图右所示)。该视觉伺服器3可从图像中辨识出机器人4的位置，同时通过投影于导航空间6中的该特定路径图案5的变形来确认障碍物7的位置，再将障碍物7附近的路径重新规划为虚拟路径5z(如图2所示)。机器人4接收到该视觉伺服器3发出的信号后开始依循该特定路径图案5前进并且同时执行任务，如打扫工作等，此时图像提取器1仍然持续提取图像。\n如图2所示，当机器人4依循该特定路径图案5行走至障碍物7附近时，图像伺服器3将传送导航指令给机器人4，使其依照指令调整方向与速度以便依照先前运算所得的虚拟路径\n5z前进，待虚拟路径5z结束后，机器人4继续依循该特定路径图案5前进。\n[0033] 本发明的通过上述的结构光视觉导航系统的视觉导航方法流程图如图3所示。首先在步骤S301中，经由投影器2的投影在导航空间6中以形成由结构光所构成的特定路径图案5。接着，在步骤S302中，图像提取器1将该导航空间图像提取后传输至视觉伺服器\n3，以使所提取的图案图像与视觉伺服器3内的预先图案相对比来进行障碍物检测。若发现所提取的图像中的该特定路径图案有变形，则如步骤S303的判断步骤所示得知已检测到障碍物的存在。反的，若所提取的图案图像中的该特定路径图案没有变形，则无检测到障碍物的存在(即步骤S304)，故机器人4依循该特定路径图案5前进。当视觉伺服器3已检测到障碍物的存在后，则如步骤S305所示将路径图案5因障碍物变形的部份特定路径图案消除；并在被抹掉的线条的周边形成一虚拟障碍物的边界，如步骤S306所示。此时，视觉伺服器3会再另行规划虚拟路径5z以供机器人4跟随前进，如步骤S307所示。此虚拟路径5z与边界的距离至少为机器人形心至外壳极限，或由机器人上的数个特定标记(其可为不同颜色或形状的贴纸或是发光二极管显示灯)所决定；抑由其他特定路径演算法来求得，如此可防止机器人4撞到障碍物7。接着，如步骤S308所示，机器人4依循该特定路径图案5前进。之后，在步骤S309中，判断是否到达目标点，若是，则导航完成(即步骤S310)；若否，则再判断是否遇到先前规划的虚拟路径(即步骤S311)。若遇到虚拟路径，则依循虚拟路径(即步骤S312)前进，若否，则继续依循实际投影的特定路径图案5前进(即步骤S308)，并重复步骤S309及S310，直至机器人4到达该目标点为止。\n[0034] 本发明的第二较佳实施例如图4所示，此结构光视觉导航系统包含一图像提取器\n1、一投影器2a与另一投影器2b、一视觉伺服器3、以及机器人4。其中投影器2a架设于另一投影器2b对面。投影器2a与2b分别将相互重迭的特定路径图案5a与5b投影于机器人4需要导航路径的导航空间6中，特定路径图案5a与5b共同构成一足以涵盖该障碍物7周围导航空间的组合路径图案，使该障碍物7不因自身体积阻挡该结构光的投影而使其周围存在无该组合路径图案的区域。为了使机器人4能够区别所跟随的路径是路径图案5a或者是路径图案5b，特定路径图案5a与5b各具有不同颜色的结构光，例如，红或蓝色，以使机器人4可藉光学检测器辅助依循特定颜色的路径图案前进。\n[0035] 该图像提取器1将该空间图像提取后传输至视觉伺服器3进行处理。视觉伺服器\n3可从图像中辨识出机器人4的位置，同时通过已投影于导航空间中的特定路径图案5的变形来确认障碍物7的位置，再将障碍物7附近的路径重新规划为虚拟路径5z。机器人4接收到视觉伺服器3发出的信号后开始依循该特定路径图案5前进并且同时执行任务，如打扫工作等。此时图像提取器1仍然持续提取图像。如图2所示，当机器人4依循该特定路径图案5行走至障碍物7附近时，图像伺服器3将传送导航指令给机器人4，使其依照指令调整方向与速度以便依照先前运算所得的虚拟路径5z前进，待虚拟路径5z结束后，机器人\n4继续依循实际投影于空间中的该特定路径图案5前进。\n[0036] 本发明的第三较佳实施例如图5所示，此结构光视觉导航系统包含一图像提取器\n1、一投影器2c与另一投影器2d、一视觉伺服器3、以及机器人4。其中投影器2c与另一投影器2d彼此可为独立的装置或是以机构件互相连接。该二投影器2c，2d分别将特定路径图案5c，5d投影于机器人4需要导航路径的导航空间6中。该图像提取器1将该空间图像提取后传输至视觉伺服器3进行处理。由图5明显地示出，因该二投影器2c，2d投射在导航空间6的区域并不重迭故使特定路径图案5c，5d也相互不重迭的。因而机器人4能够区别所跟随的路径是路径图案5a或者是路径图案5b；换言的，特定路径图案5c，5d不需要不同颜色的结构光。该视觉伺服器3可从图像中辨识出机器人4的位置，同时通过已投影于空间中的特定路径图案5c与5d的变形来确认障碍物7的位置，再将障碍物7附近的路径重新规划为虚拟路径5z(如图2所示)。接着，机器人4接收到视觉伺服器3发出的信号后开始依循特定路径图案5前进并且同时执行任务，如打扫工作等，此时图像提取器1仍然持续提取图像。如图2所示，当机器人4依循路径5行走至障碍物7附近时，图像伺服器3将传送导航指令给机器人4，使其依照指令调整方向与速度以便依照先前运算所得的虚拟路径5z前进，待虚拟路径5z结束后，机器人4继续依循实际投影于空间中的特定路径图案5前进。\n[0037] 本发明的第四较佳实施例如图6所示，此结构光视觉导航系统包含一图像提取器\n1、投影器2e与2f、一视觉伺服器3、以及机器人4。其中该二投影器2e与2f彼此可为独立的装置或是以机构件互相连接。另有一反射器8，可将投影器2e所投射的特定路径图案5e反射至机器人4需要导航路径的导航空间6，而另一投影器2f则直接将特定路径图案5f投影于该导航空间6中。其中，如同第三较佳实施例所示，该特定路径图案5e与5f是相互不重迭的，故机器人4能够区别所跟随的路径是路径图案5e者是路径图案5f，因此，特定路径图案5e，5f不需要不同颜色的结构光。\n[0038] 接着，该图像提取器1将该空间图像提取后传输至视觉伺服器3进行处理。视觉伺服器3可从图像中辨识出机器人4的位置，同时通过已投影于空间中的特定路径图案5e与5f的变形来确认障碍物7的位置，再将障碍物7附近的路径重新规划为虚拟路径5z。机器人4接收到视觉伺服器3发出的信号后开始依循该特定路径图案5前进并且同时执行任务，如打扫工作等，此时图像提取器1仍然持续提取图像。如图2所示，当机器人4依循该特定路径图案5行走至障碍物7附近时，图像伺服器3将传送导航指令给机器人4，使其依照指令调整方向与速度以便依照先前运算所得的虚拟路径5z前进，待虚拟路径5z结束后，机器人4继续依循实际投影于空间中的该特定路径图案5前进。\n[0039] 综上所述，本发明较现有技术具有下列的优点：\n[0040] 1.黑暗中亦可使用，克服一般视觉伺服在低照度环境下容易伺服失败的问题。\n[0041] 2.结构光同时提供障碍物位置与现成路径，且现成路径结合部分智能化规划路段，降低了视觉伺服器所需运算的比重，可改善视觉伺服最严重的运算即时性。\n[0042] 3.与全部路径皆采用视觉伺服的方式相比，提升了机器人的循迹精确度，尤其是位在图像中较远处。\n[0043] 4.改善以往自主移动机器人漫游路径重复与耗时耗电的问题。\n[0044] 5.可与现有电脑或图像监控系统结合，不需另外建构系统。\n[0045] 虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。任何所属技术领域中的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行各种更动与修改。\n因此，本发明的保护范围以所提出的权利要求的范围为准。