通过二维码融入Z轴数据的多楼层地图构建方法和系统与流程

通过二维码融入z轴数据的多楼层地图构建方法和系统
技术领域
1.本发明属于地图构建技术领域，更具体地说，涉及一种通过二维码融入z轴数据的多楼层地图构建方法和系统。


背景技术：

2.目前对地图融合技术设计的方面主要有：1、多机器人协作建图的研究，而且该研究主要集中在单层楼中地图的构建，目的是为了拼凑出一张完整的单层地图，其中主要难点涉及到特征点的匹配；2、多楼宇机器人导航与建图问题，相关研究是通过单独建立每一层的地图，然后存取在相应的后台服务器当中，当机器人需要用到某一层的地图时，就调用该层的地图；3、通过3d建图来实现，虽然这样的建图效果相比上面的两种方法效果会更好，但是它存在的缺点时需要处理大量的点云数据，相比2d地图来说，增加了不少的计算量和内存的消耗。
3.针对上述问题也进行了相应的改进，如中国专利申请号cn201811110672.2，公开日为2019年01月15日，该专利公开了一种基于激光和二维码融合的即时定位与地图构建方法，所述方法包括：将里程计的行程与速度信息、单目相机采集的二维码、惯性测量单元的信息融合为状态向量，根据里程计的观测模型、惯性测量单元的观测模型以及单目相机的观测模型构建联邦卡尔曼滤波器的观测方程，在传统的里程计与惯性测量单元的基础上加入二维码定位信息，从而得到无人移动平台的状态向量的最优解；再利用二维码信息处理的快速性和精确性的特点，形成精确度较高的位姿预测信息，从而降低粒子滤波即时定位与地图构建方法中的粒子数量，由此能够提高低功率处理器，如无人移动平台的定位精度，保证无人移动平台在复杂环境的定位效果，完成地图构建，满足复杂环境的应用需求。该专利的不足之处在于：虽能在一定程度上完成地图构建，满足复杂环境的应用需求，但计算量和内存的消耗较高。
4.又如中国专利申请号cn201810005934.2，公开日为2018年06月19日，该专利公开了一种基于3d摄像头的二维码定位系统，包括：3d摄像头、计算处理单元以及多个二维码标签节点；其中，所述3d摄像头中加载有经由地图构建生成的二维地图，各个二维码标签节点被依照所述二维地图布置在所述二维码定位系统的应用环境中；而且，所述3d摄像头布置在目标对象上；在所述二维码定位系统执行二维码定位操作时，3d摄像头拍摄二维码标签节点的图片，并且根据图片获取相对于该二维码标签节点的距离值，而且计算处理单元利用该距离值计算机器人相对二维码标签节点的位置坐标，随后将计算出的位置坐标转换到地图坐标系中。该专利的不足之处在于：随着识别到的二维码数目的增多，在进行坐标匹配转换的时候匹配的正确率会不断降低。


技术实现要素：

5.1、要解决的问题
6.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种通过二维码融入z轴数据的多楼层
地图构建方法和系统，可用于多楼层机器人当行当中，通过激光模块获取点云数据，将其进行滤波处理后传给建图模块进行建图；再通过视觉模块识别出楼层中贴有的特定二维码标签，然后处理二维码信息，获得当前楼层数，再将楼层高度值添加给每一张子图原点坐标的z轴中，以降低计算量和内存的消耗；最后再将所建的2d地图通过坐标转换，将其转换到三维世界坐标系当中，转换完之后进行相邻两张子图位置配准，便于地图的方位正确。
7.2、技术方案
8.为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
9.作为本技术其中一个方面，提供一种通过二维码融入z轴数据的多楼层地图构建方法，应用于无人移动平台，所述无人移动平台包括视觉模块、激光模块以及分别连接视觉模块和激光模块的建图模块，所述方法包括以下步骤：
10.步骤s100、利用视觉模块识别二维码标签，解码得到二维码信息；其中，所述二维码标签布置于每个楼层，所述视觉模块布置在对应于二维码标签的位置，所述二维码信息至少包括当前楼层的楼层数、序号、以及表征当前二维码标签在当前楼层所在位置的坐标信息；
11.步骤s200、通过激光模块获取楼层的点云数据并进行滤波处理，利用滤波处理后的点云数据进行二维建图，得到多张子图，每张子图对应一楼层；
12.步骤s300、利用识别得到的二维码信息，在对应子图中标记二维码标签的位置；
13.步骤s400、进行地图融合，将标记后的二维栅格地图转换为三维世界坐标系，并进行相邻两张子图的位置配准。
14.进一步地，在执行步骤s200前，所述方法还包括：判断当前的无人移动平台是否位于相邻楼层之间的电梯或者楼梯之间；其具体包括：
15.对二维码标签进行解码，得到当前二维码标签的位置信息；
16.控制无人移动平台向二维码标签所在的位置移动，根据二者之间的距离，判断当前的无人移动平台是否位于相邻楼层之间的电梯或者楼梯之间；
17.若位于，控制无人移动平台继续向二维码标签所在的位置移动；若不位于，对二维码标签进行解码，得到当前二维码标签的楼层数。
18.进一步地，步骤s400中，将标记后的二维栅格地图转换为三维世界坐标系具体包括：
19.步骤s410、在所述标记后的二维栅格地图建立二维坐标系xoy，其中二维坐标系xoy的两个轴分别为x轴和y轴，原点为o；
20.步骤s420、新建一个三维坐标系，设二维坐标系xoy在三维坐标系中映射的平面为平面x
′o′y′
，其中，平面x
′o′y′
的两个轴分别为x
′
轴和y
′
轴，原点为o
′
，x
′
轴、o
′
原点、以及y
′
轴分别为x轴、原点o以及y轴在三维坐标系中的映射；
21.步骤s430、利用平移转换，将二维坐标系xoy在三维坐标系中映射的平面x
′o′y′
旋转至与二维坐标系xoy原点重合；
22.步骤s440、利用旋转变化将平面x
′o′y′
中的x
′
轴、和y
′
轴分别与二维坐标系xoy中的x轴和y轴重合；
23.步骤s450、将每一层的子图通过坐标转换转换至三维坐标系当中，利用识别得到的二维码信息给每一层地图的z轴赋予相应的数据。
24.作为本技术的另一个方面，本技术还提供了一种通过二维码融入z轴数据的多楼层地图构建系统，包括无人移动平台，所述无人移动平台具体包括：
25.视觉模块，用于识别二维码标签，解码得到二维码信息；其中，所述二维码标签布置于每个楼层，所述视觉模块布置在对应于二维码标签的位置，所述二维码信息至少包括当前楼层的楼层数、序号、以及表征当前二维码标签在当前楼层所在位置的坐标信息；
26.激光模块，用于获取楼层的点云数据并进行滤波处理；
27.建图模块，利用滤波处理后的点云数据进行二维建图，得到多张子图，每张子图对应一楼层；
28.标记模块，用于根据视觉模块识别得到的二维码信息，在建图模块建图得到的子图中标记二维码标签的位置；
29.融合模块，用于进行地图融合，将标记模块标记后的二维栅格地图转换为三维世界坐标系；
30.以及配准模块，用于将底图融合后对相邻两张子图的位置进行配准。
31.进一步地，还包括处理模块，所述处理模块用于判断当前的无人移动平台是否位于相邻楼层之间的电梯或者楼梯之间；其具体包括：
32.对二维码标签进行解码，得到当前二维码标签的位置信息；
33.控制无人移动平台向二维码标签所在的位置移动，根据二者之间的距离，判断当前的无人移动平台是否位于相邻楼层之间的电梯或者楼梯之间；
34.若位于，控制无人移动平台继续向二维码标签所在的位置移动；若不位于，对二维码标签进行解码，得到当前二维码标签的楼层数。
35.进一步地，所述融合模块将标记模块标记后的二维栅格地图转换为三维世界坐标系具体包括：
36.步骤s410、在所述标记后的二维栅格地图建立二维坐标系xoy，其中二维坐标系xoy的两个轴分别为x轴和y轴，原点为o；
37.步骤s420、新建一个三维坐标系，设二维坐标系xoy在三维坐标系中映射的平面为平面x
′o′y′
，其中，平面x
′o′y′
的两个轴分别为x
′
轴和y
′
轴，原点为o
′
，x
′
轴、o
′
原点、以及y
′
轴分别为x轴、原点o以及y轴在三维坐标系中的映射；
38.步骤s430、利用平移转换，将二维坐标系xoy在三维坐标系中映射的平面x
′o′y′
旋转至与二维坐标系xoy原点重合；
39.步骤s440、利用旋转变化将平面x
′o′y′
中的x
′
轴、和y
′
轴分别与二维坐标系xoy中的x轴和y轴重合；
40.步骤s450、将每一层的子图通过坐标转换转换至三维坐标系当中，利用识别得到的二维码信息给每一层地图的z轴赋予相应的数据。
41.3、有益效果
42.相比于现有技术，本发明的有益效果为：
43.(1)本发明通过激光模块获取点云数据，将其进行滤波处理后传给建图模块进行建图；再通过视觉模块识别出楼层中贴有的特定二维码标签，然后处理二维码信息，获得当前楼层数，再将楼层高度值添加给每一张子图原点坐标的z轴中，以降低计算量和内存的消耗；最后再将所建的2d地图通过坐标转换，将其转换到三维世界坐标系当中，转换完之后进
行相邻两张子图位置配准，便于地图的方位正确；
44.(2)本发明通过将各楼层的二维地图通过坐标转化和融入楼层数值的方法转换在世界坐标系当中，然后利用二维码当中的信息，得到每张子图的二维码相对位置，然后与另一张子图当中的二维码进行坐标对准，以保准两张子图在世界坐标系当中属于垂直上下关系，解决了相邻两张子图之间配准难度高的问题；
45.(3)本发明在计算无人移动平台与二维码标签之间的距离和角度时，使用二维码标签与无人移动平台之间估算出来的距离值，通过无人移动平台与二维码标签之间距离|d|来判断无人移动平台是否处在楼梯或电梯中，可以降低由于激光雷达匹配失效而导致的定位误差和建图误差。
附图说明
46.图1为本技术其中一个方面的通过二维码融入z轴数据的多楼层地图构建方法流程示意图；
47.图2为本技术一个方面的通过二维码融入z轴数据的多楼层地图构建系统组成示意图；
48.图3为将标记后的二维栅格地图转换为三维世界坐标系步骤示意图之一；
49.图4为将标记后的二维栅格地图转换为三维世界坐标系步骤示意图之二；
50.图5为将标记后的二维栅格地图转换为三维世界坐标系步骤示意图之三；
51.图中：100、视觉模块；200、激光模块；300、标记模块；400、建图模块；500、融合模块；600、配准模块。
具体实施方式
52.下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。
53.图1示出根据本技术一个方面的通过二维码融入z轴数据的多楼层地图构建方法流程示意图，所述方法应用于无人移动平台中，所述无人移动平台包括视觉模块、激光模块以及分别连接视觉模块和激光模块的建图模块。可选的，视觉模块设置于待构建的每栋楼的每层楼层位置，视觉模块可以为摄像机等图像采集装置，激光模块可以安装在无人移动平台的车头上，激光模块具体可以为激光雷达等。
54.所述方法包括步骤s100～步骤s400，在步骤s100中，利用视觉模块识别二维码标签，解码得到二维码信息；其中，所述二维码标签布置于每个楼层，所述视觉模块布置在对应于二维码标签的位置，所述二维码信息至少包括当前楼层的楼层数、序号、以及表征当前二维码标签在当前楼层所在位置的坐标信息；在步骤s200中，通过激光模块获取楼层的点云数据并进行滤波处理，利用滤波处理后的点云数据进行二维建图，得到多张子图，每张子图对应一楼层；在步骤s300中，利用识别得到的二维码信息，在对应子图中标记二维码标签的位置；在步骤s400中，进行地图融合，将标记后的二维栅格地图转换为三维世界坐标系，并进行相邻两张子图的位置配准。通过将各楼层的二维地图通过坐标转化和融入楼层数值的方法转换在世界坐标系当中，然后利用二维码当中的信息，得到每张子图的二维码相对位置，然后与另一张子图当中的二维码进行坐标对准，以保准两张子图在世界坐标系当中属于垂直上下关系，解决了相邻两张子图之间配准难度高的问题。
55.具体地，在步骤s100中，利用视觉模块识别二维码标签，解码得到二维码信息；其中，所述二维码标签布置于每个楼层，所述视觉模块布置在对应于二维码标签的位置，所述二维码信息至少包括当前楼层的楼层数、序号、以及表征当前二维码标签在当前楼层所在位置的坐标信息。在本技术一实施例中，视觉模块可以为相机、摄像机等图像采集装置，二维码标签需要布置于每个楼层，优选的，二维码标签需要布置于每个楼层的电梯口或楼梯口位置。本技术中，二维码标签的设置，能够利用二维码标签辅助无人移动平台进行定位和导航，将每个二维码标签成为一个定位节点。所述二维码信息，包括当前楼层的楼层数、序号、以及表征当前二维码标签在当前楼层所在位置的坐标信息，预存储在每个二维码标签中，方面利用视觉模块进行识别。
56.具体地，在步骤s200中，激光模块为激光雷达，通过使用激光雷达对当前楼层进行连续扫描，即可获取当前楼层的点云数据。由于获取的原始点云数据带有大量噪声，导致三维重建模型与实际测量对象的几何形态存在较大误差，为获得更加精准的三维重建模型，在分析原始点云数据和噪声来源的基础上，需要对获取得到的点云数据进行有效去噪。因此在本技术中还需要获取楼层的点云数据并进行滤波处理，利用滤波处理后的点云数据进行二维建图，得到多张子图，每张子图对应一楼层。其中，进行滤波处理方法可采用以下两类方法：一类是光顺去噪的方法，如基于laplacian算子的点云滤波、双边滤波、曲面能量最小化的迭代方法等；另一类是剔除坏点的方法，如曲线检查法、角度判断法、弦高差法等，本技术中采用的是点云滤波的方法。需要说明的是，所述点云滤波法仅为本技术一实施例中对获取楼层的点云数据并进行滤波处理的一种方法，其他现有的或今后可能出现的获取楼层的点云数据并进行滤波处理的方法，如可适用于本技术，也应包含在本技术保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
57.值得说明的是，上述步骤中二维码标签的设置，主要是利用视觉 二维码标签的方法，建图时能够导入相应楼层的层数，进而计算出地图所在的高度，从而为后续的由二维栅格地图转换为三维世界坐标系提供依据。因此，在利用视觉模块去由于在一优选实施例中，在步骤s200前，所述方法还包括：判断当前的无人移动平台是否位于相邻楼层之间的电梯或者楼梯之间；其具体包括：
58.对二维码标签进行解码，得到当前二维码标签的位置信息；
59.控制无人移动平台向二维码标签所在的位置移动，根据二者之间的距离，判断当前的无人移动平台是否位于相邻楼层之间的电梯或者楼梯之间；
60.若位于，控制无人移动平台继续向二维码标签所在的位置移动；若不位于，对二维码标签进行解码，得到当前二维码标签的楼层数。
61.上述根据当前的无人移动平台与二维码标签之间距离推算当前的无人移动平台是否位于相邻楼层之间的电梯或者楼梯之间的方式，为实时控制步骤s200中的无人移动平台开启激光雷达的时机提供了依据。在一优选实施例中，在计算无人移动平台与二维码标签之间距离时，可以假设机器人的位置坐标为(x1,y1)，二维码的位置坐标为(x2,y2)，无人移动平台与二维码标签之间距离|d|可通过以下公式得到：
62.|d|＝√[(x2－x1)^2 (y2－y1)^2 (z2－z1)^2])。
[0063]
本实施例在计算无人移动平台与二维码标签之间的距离和角度时，使用二维码标签与无人移动平台之间估算出来的距离值，通过无人移动平台与二维码标签之间距离|d|
来判断无人移动平台是否处在楼梯或电梯中，可以降低由于激光雷达匹配失效而导致的定位误差和建图误差。
[0064]
在步骤s300中，如前所述，二维码标签中预存的二维码信息至少包括当前楼层的楼层数、序号、以及表征当前二维码标签在当前楼层所在位置的坐标信息，通过识别二维码信息，例如说，通过相机对二维码信息进行捕捉，再通过一些解码单元对捕捉得到的二维码信息进行解码，从而能够提取得到当前二维码标签在当前楼层所在位置的坐标信息。在再对应子图中标记当前二维码标签在当前楼层所在位置的坐标信息。
[0065]
在步骤s400中，进行地图融合，将标记后的二维栅格地图转换为三维世界坐标系，并进行相邻两张子图的位置配准。
[0066]
进一步地，步骤s400中，将标记后的二维栅格地图转换为三维世界坐标系具体包括：
[0067]
步骤s410、在所述标记后的二维栅格地图建立二维坐标系xoy，其中二维坐标系xoy的两个轴分别为x轴和y轴，原点为o；
[0068]
步骤s420、新建一个三维坐标系，设二维坐标系xoy在三维坐标系中映射的平面为平面x
′o′y′
，其中，平面x
′o′y′
的两个轴分别为x
′
轴和y
′
轴，原点为o
′
，x
′
轴、o
′
原点、以及y
′
轴分别为x轴、原点o以及y轴在三维坐标系中的映射；
[0069]
步骤s430、利用平移转换，将二维坐标系xoy在三维坐标系中映射的平面x
′o′y′
旋转至与二维坐标系xoy原点重合；
[0070]
步骤s440、利用旋转变化将平面x
′o′y′
中的x
′
轴、和y
′
轴分别与二维坐标系xoy中的x轴和y轴重合；
[0071]
步骤s450、将每一层的子图通过坐标转换转换至三维坐标系当中，利用识别得到的二维码信息给每一层地图的z轴赋予相应的数据。
[0072]
以一个具体的实施例为例，请参阅图3，对于每一层二维地图当中，都是由许多的坐标点所组成的，不妨将其看作p点，o
′
在xoy坐标系中的坐标分别为(x0,y0)，p在xoy坐标系中的坐标分别为(x,y)，将p点从xoy坐标系转换到x
′o′y′
中，就相当于将每一层的二维地图转换到三维坐标系的xoy平面，而对于z轴的数据，则可通过机器人扫描二维码获取信息，确定当前位置，经过计算获得z轴数据，然后在转换后的子图当中直接加入。这样可以使得每层楼的每张子图在三维坐标系当中属于不同的高度。
[0073]
而p点从xoy坐标系转换到x
′
oy
′
中具体做法有以下两个步骤：
[0074]
平移转换
[0075]
其中平移转换是将x
′
oy
′
坐标系转到与xoy坐标原点重合。转换后请参阅图4；
[0076]
旋转变化
[0077]
旋转变化是将x
′
轴与x轴重合，y
′
轴与y轴重合，这样就可以得到p在x
′
oy
′
(及三维坐标系)当中的坐标，上述步骤可用变换矩阵表示：
[0078]
[0079]
变换后的效果请参阅图5。
[0080]
图2示出根据本技术又一个方面的一种通过二维码融入z轴数据的多楼层地图构建系统组成示意图，所述系统包括无人移动平台，所述无人移动平台具体包括：
[0081]
视觉模块100，用于识别二维码标签，解码得到二维码信息；其中，所述二维码标签布置于每个楼层，所述视觉模块布置在对应于二维码标签的位置，所述二维码信息至少包括当前楼层的楼层数、序号、以及表征当前二维码标签在当前楼层所在位置的坐标信息；
[0082]
激光模块200，用于获取楼层的点云数据并进行滤波处理；
[0083]
建图模块400，利用滤波处理后的点云数据进行二维建图，得到多张子图，每张子图对应一楼层；
[0084]
标记模块300，用于根据视觉模块识别得到的二维码信息，在建图模块建图得到的子图中标记二维码标签的位置；
[0085]
融合模块500，用于进行地图融合，将标记模块标记后的二维栅格地图转换为三维世界坐标系；
[0086]
以及配准模块600，用于将底图融合后对相邻两张子图的位置进行配准。
[0087]
具体地，还包括处理模块，所述处理模块用于判断当前的无人移动平台是否位于相邻楼层之间的电梯或者楼梯之间；其具体包括：
[0088]
对二维码标签进行解码，得到当前二维码标签的位置信息；
[0089]
控制无人移动平台向二维码标签所在的位置移动，根据二者之间的距离，判断当前的无人移动平台是否位于相邻楼层之间的电梯或者楼梯之间；
[0090]
若位于，控制无人移动平台继续向二维码标签所在的位置移动；若不位于，对二维码标签进行解码，得到当前二维码标签的楼层数。
[0091]
具体地，所述融合模块将标记模块标记后的二维栅格地图转换为三维世界坐标系具体包括：
[0092]
步骤s410、在所述标记后的二维栅格地图建立二维坐标系xoy，其中二维坐标系xoy的两个轴分别为x轴和y轴，原点为o；
[0093]
步骤s420、新建一个三维坐标系，设二维坐标系xoy在三维坐标系中映射的平面为平面x
′o′y′
，其中，平面x
′o′y′
的两个轴分别为x
′
轴和y
′
轴，原点为o
′
，x
′
轴、o
′
原点、以及y
′
轴分别为x轴、原点o以及y轴在三维坐标系中的映射；
[0094]
步骤s430、利用平移转换，将二维坐标系xoy在三维坐标系中映射的平面x
′o′y′
旋转至与二维坐标系xoy原点重合；
[0095]
步骤s440、利用旋转变化将平面x
′o′y′
中的x
′
轴、和y
′
轴分别与二维坐标系xoy中的x轴和y轴重合；
[0096]
步骤s450、将每一层的子图通过坐标转换转换至三维坐标系当中，利用识别得到的二维码信息给每一层地图的z轴赋予相应的数据。
[0097]
步骤s460、依次比较上下相邻两层对应子图的二维码信息，通过将各楼层的二维地图通过坐标转化和融入楼层数值的方法转换在世界坐标系当中，然后利用二维码当中的信息，得到每张子图的二维码相对位置，然后与另一张子图当中的二维码进行坐标对准，以保准两张子图在世界坐标系当中属于垂直上下关系，解决了相邻两张子图之间配准难度高的问题。
[0098]
本实施例通过激光模块获取点云数据，将其进行滤波处理后传给建图模块进行建图；再通过视觉模块识别出楼层中贴有的特定二维码标签，然后处理二维码信息，获得当前楼层数，再将楼层高度值添加给每一张子图原点坐标的z轴中，以降低计算量和内存的消耗；最后再将所建的2d地图通过坐标转换，将其转换到三维世界坐标系当中，转换完之后进行相邻两张子图位置配准，便于地图的方位正确。
[0099]
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。