基于門牌識別的未知樓宇環(huán)境快速地圖構(gòu)建

亓國棟 蔣如飛 張偉軍

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海200240）

0 引言

當(dāng)前機(jī)器人室內(nèi)定位導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入比較成熟的階段，然而對于一些特殊的應(yīng)急狀況，現(xiàn)有導(dǎo)航技術(shù)還不能滿足需求。在反恐排爆領(lǐng)域，由于任務(wù)的危險性和特殊性，對機(jī)器人的自主導(dǎo)航技術(shù)提出了更高的要求。在應(yīng)急事件中，如樓宇內(nèi)發(fā)生火災(zāi)、爆炸，存在疑似爆炸物等，機(jī)器人事先并不知道樓宇內(nèi)的環(huán)境信息，也缺乏充足的時間和條件掃描樓宇環(huán)境進(jìn)行地圖構(gòu)建，必須利用已有的可用信息，快速構(gòu)建樓宇內(nèi)地圖，并根據(jù)地圖快速定位導(dǎo)航到任務(wù)目標(biāo)位置。

現(xiàn)有針對未知環(huán)境的導(dǎo)航技術(shù)研究主要集中在避障方面，在大范圍的位置環(huán)境中如何到達(dá)指定位置，目前還沒有好的解決方法。

針對上述問題，本文通過利用消防疏散示意圖構(gòu)建樓宇地圖。消防疏散示意圖是樓宇內(nèi)必備的消防安全標(biāo)志，獲取途徑簡單，因此適用于大部分樓宇環(huán)境。本文通過樓宇消防圖獲得適用于機(jī)器人導(dǎo)航的柵格地圖，并從消防地圖中利用圖像處理技術(shù)，提取門牌號、房門的標(biāo)志性信息，作為地圖語義標(biāo)志，構(gòu)建語義地圖，結(jié)合合柵格地圖和語義地圖，實現(xiàn)機(jī)器人在未知樓宇環(huán)境內(nèi)的導(dǎo)航。

1 樓宇柵格地圖構(gòu)建

傳統(tǒng)的機(jī)器人導(dǎo)航地圖構(gòu)建方式，需要機(jī)器人攜帶傳感器對建筑內(nèi)部進(jìn)行掃描，并按照一定的格式存儲建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，用于構(gòu)建導(dǎo)航地圖。而在應(yīng)急事件中，事態(tài)的緊急性不允許機(jī)器人事先對建筑物內(nèi)部進(jìn)行掃描并構(gòu)建地圖，因此，必須充分利用已知的建筑物信息為機(jī)器人提供導(dǎo)航依據(jù)。

1.1 消防地圖利用價值

消防地圖的信息較為簡單，通常只有簡單的連通性信息，建筑內(nèi)部的結(jié)構(gòu)性尺寸信息不能精確體現(xiàn)；再加上家具的安放等因素，使得該地圖不能作為導(dǎo)航的依據(jù)；另外，該示意圖可能不能立即提供電子版，需要通過相機(jī)拍攝現(xiàn)有紙質(zhì)圖冊獲得，進(jìn)一步降低了其可信性。為了規(guī)避這一問題，本文只利用了消防地圖中的連通性信息，忽略其尺寸信息。

1.2 消防地圖圖像處理

通過對現(xiàn)有圖像進(jìn)行處理，保留其道路等連通性信息，忽略其他次要信息。

如圖1所示，消防地圖本身不僅包含了墻壁等結(jié)構(gòu)信息，還有門牌號等文字和一些示意圖形，所以需要更加精細(xì)的處理?？紤]到機(jī)器人在消防圖中的可行區(qū)域為走廊，因此本文僅僅將消防圖中的墻壁標(biāo)識了出來，忽略了其他信息。經(jīng)過處理，可以從消防圖得到一個二值化圖像，其中值為0的為障礙物，值為255的為可行區(qū)域。同時，測量出一個大致的比例尺作為參考。

圖1 某建筑內(nèi)部消防疏散圖

一般來說，門牌號也在消防圖中標(biāo)識了出來。將所有門牌號儲存為一個列表，并根據(jù)第一步得到的地圖確定好坐標(biāo)，在機(jī)器人小車運(yùn)行過程中，只要小車識別出一個門牌號，就可以從列表中查找到門牌號對應(yīng)的坐標(biāo)，從而確定自身位置。在導(dǎo)航中，每次指定門牌號后同樣可以從列表中查找坐標(biāo)，從而給小車設(shè)定好目標(biāo)，用于規(guī)劃路徑。

2 語義地圖構(gòu)建

通過消防圖獲得的柵格化地圖存在以下問題，不能直接作為機(jī)器人導(dǎo)航的依據(jù)。

（1）信息簡單，僅包含基本的建筑信息，無法反映室內(nèi)桌椅柜、裝飾物品等對環(huán)境結(jié)構(gòu)信息的改變；

（2）尺寸信息不準(zhǔn)確，經(jīng)過比例放大后，消防疏散圖的繪制誤差會被放大。

基于以上原因，機(jī)器人無法利用地圖信息匹配結(jié)構(gòu)特征實現(xiàn)自定位。因此，必須選擇一類固定的特征，作為機(jī)器人的定位依據(jù)。門牌作為室內(nèi)建筑中一種普遍存在的標(biāo)志物，其編碼本身反映了當(dāng)前的位置信息。同時，門牌又具有懸掛位置明顯、無遮擋等特性，易于被機(jī)器人捕捉和辨識。因此，本文將門牌信息作為機(jī)器人定位的參考。

2.1 構(gòu)建門牌語義地圖

本文中主要以門牌作為地圖的語義項，作為機(jī)器人定位和導(dǎo)航的參考。樓宇中各個門牌的位置在消防疏散圖中沒有直接的反映，需要結(jié)合房間信息和門口朝向判斷門牌的大概位置。

本文利用最大穩(wěn)定極值區(qū)域（MSER）的方法提取圖中的門牌信息，并將圖中房門的示意位置作為門牌的位置。

MSER基于分水嶺的概念，對圖像進(jìn)行二值化，二值化閾值取[0，255]，這樣二值化圖像就經(jīng)歷了一個從全黑到全白的過程（就像水位不斷上升的俯瞰圖）。在這個過程中，有些連通區(qū)域面積隨閾值上升的變化很小，這種區(qū)域就叫MSER，如圖2（a）所示。由于MSER提取出來的候選框比較多，直接進(jìn)行字符識別會極大地降低識別速度，因此還需要一些方法對候選框進(jìn)行篩選。本文主要利用了兩個先驗條件來進(jìn)行篩選：一是文字的長寬比例大概在0.5～5之間，而且不會太小，如圖2（b）所示；二是門牌往往是一排數(shù)字，所以可以排除單個數(shù)字的情況，如圖2（c）所示。MSER整體識別效果如圖2（d）所示

圖2 地圖中門牌信息提取識別效果

地圖中的門牌信息包含兩個屬性：一是門牌在二維柵格地圖中的位置信息；二是門牌相對于道路的信息，以二維向量表示。

2.2 使用門牌作為定位參考

機(jī)器人在運(yùn)動過程中，通過相機(jī)捕捉環(huán)境圖像，并從中提取門牌信息，通過辨識到的門牌號對自身進(jìn)行定位。基于以下原因，這種定位方式的絕對定位精度極低。

（1）門牌的懸掛方式各不相同，門牌與建筑結(jié)構(gòu)的相對位置是不確定的；

（2）不采用立體視覺的前提下，機(jī)器人無法通過單幅圖像獲得機(jī)器人與門牌的相對位置關(guān)系。

因此，使用門牌作為定位依據(jù)，機(jī)器人獲得的定位信息僅僅是當(dāng)前位置的大致范圍，而不是精確的位置信息。當(dāng)機(jī)器人通過相機(jī)檢測到門牌位置信息后，如圖3所示，其全局位置則定義為門牌對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。

圖3 環(huán)境中門牌信息提取識別效果

通過門牌位置和朝向，機(jī)器人可以確定自身在柵格地圖中的大致位置。通過激光雷達(dá)監(jiān)測環(huán)境信息并與柵格地圖上的建筑物特征進(jìn)行對比，可以精確地定位自身位置，并在柵格地圖上進(jìn)行標(biāo)記。

2.3 基于門牌語義地圖的導(dǎo)航

為了實現(xiàn)絕對定位，在導(dǎo)航前需要建立好整個環(huán)境的地圖。如果使用2D雷達(dá)來導(dǎo)航，常見的地圖有柵格地圖等，需要機(jī)器人在環(huán)境中事先行走一遍繪制好。2D雷達(dá)的導(dǎo)航過程如下：首先，需要給機(jī)器人一個大概的初始位置。在每一步計算周期中，機(jī)器人首先根據(jù)里程計等傳感器給出這一步的大概位置，之后對位置周圍的x、y、θ樣本空間進(jìn)行采樣。由于一般機(jī)器人在不同位置不同角度使用2D雷達(dá)觀測到的環(huán)境信息不同，將不同樣本觀測到的信息與地圖比對可以確定出一個最可能的位置。由于這一步是根據(jù)環(huán)境信息確定位置，屬于絕對定位，所以不斷這樣循環(huán)后機(jī)器人的定位誤差可以一直被控制在一個合理的范圍內(nèi)。

然而，消防圖的尺寸信息并不準(zhǔn)確，使用2D雷達(dá)導(dǎo)航時，自定位過程往往會失敗。因此，本文引入了門牌的語義信息來輔助完成導(dǎo)航。

在地圖中引入門牌語義后，機(jī)器人的導(dǎo)航和路徑規(guī)劃將以柵格地圖上的門牌位置作為重要參考。首先，根據(jù)目標(biāo)位置機(jī)器人將在柵格地圖上規(guī)劃出一條路徑；當(dāng)機(jī)器人行走時，由于這里的柵格地圖并不準(zhǔn)確，機(jī)器人自定位經(jīng)常會失敗。當(dāng)機(jī)器人自定位失敗時，并不像往常一樣停止，而是仍然不斷地往前行走；同時，機(jī)器人不斷拍攝兩側(cè)的墻壁，這樣就可以在行走過程中識別出門牌號，從而確定出自己的位置。門牌號在過程中起到了兩個作用：一是在全局規(guī)劃時給出一條大概的路徑，二是在機(jī)器人丟失位置時重新校準(zhǔn)位置。

3 門牌語義地圖

結(jié)合圖4（a）所示的地圖門牌信息和圖4（b）所示的道路結(jié)構(gòu)信息，生成如圖4（c）所示的含有門牌語義的柵格地圖。在柵格地圖的基礎(chǔ)上，添加門牌信息作為特征點(diǎn)，作為機(jī)器人導(dǎo)航和定位的依據(jù)。

圖4 語義地圖構(gòu)建

4 總結(jié)展望

在一些無法獲得或事先繪制精確地圖的應(yīng)用場景下，消防圖往往可以為導(dǎo)航提供足夠的幫助。然而，消防圖的尺寸信息并不精確，無法直接用于導(dǎo)航。本文基于消防圖中的連通信息和門牌號識別完成了導(dǎo)航，其中利用門牌號的語義信息完成了規(guī)劃和自定位矯正過程。由實驗可以看出這種方法取得了不錯的效果，值得將來推廣使用。

［參考文獻(xiàn)］

[1]鞏力源.基于改進(jìn)遺傳算法的搜救機(jī)器人路徑規(guī)劃[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2016.

[2]徐坤.搜救機(jī)器人人機(jī)協(xié)作行為控制研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2009.

[3]胡吉耀.危險區(qū)域搜救機(jī)器人及其人機(jī)交互系統(tǒng)研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2014.

[4]王忠民.災(zāi)難搜救機(jī)器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（17）：152-155.

[5]MATAS J,CHUM O,URBAN M,et al.Robust Wide-Baseline Stereo from Maximally Stable Extremal Regions[J].Image & Vision Computing,2004,22(10):761-767.

[6]EPSHTEIN B,OFEK E,WEXLER Y.Detecting text in natural scenes with stroke width transform[J].Computer Vision and Pattern Recognition,2010,119(5):2963-2970.