基于Dtag的智能垃圾車相對位姿定位方法研究

王雙雙，顧涓涓，張文武

(合肥學院 生物食品與環(huán)境學院，安徽 合肥 230000)

1 引言

近年來，我國環(huán)衛(wèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，尤其是城市生活垃圾的清運和城市餐廚廢棄物的綜合利用走到了一個新的轉(zhuǎn)折點[1]。根據(jù)國務院《關于建立健全國家“十三五”規(guī)劃綱要實施機制的意見》和《關于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導意見》，在“互聯(lián)網(wǎng)+”和“創(chuàng)新驅(qū)動”的時代背景下，中國環(huán)衛(wèi)工作也將進入智慧化發(fā)展新時期，智慧環(huán)衛(wèi)是智慧城市的重要組成部分，也是產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新轉(zhuǎn)型的重要載體[2]。未來智慧產(chǎn)業(yè)必將呈現(xiàn)出自動化、集成化、信息化、綠色化的發(fā)展趨勢。智慧園區(qū)成為為智慧產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供人性化、立體式高效服務的載體。環(huán)衛(wèi)管理借助云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、AI 等技術實現(xiàn)精確、高效、智能管理，環(huán)衛(wèi)作業(yè)更加及時、精準和人性化[3]。隨著各種智能垃圾車的普及使用，全自動無人駕駛垃圾車的設想越來越頻繁進入人們的視野。其中難以攻克的一點就是需要駕駛員手動調(diào)節(jié)垃圾車與垃圾箱的相對位姿，這就浪費了一定的人力物力。環(huán)衛(wèi)人員的每天無數(shù)次的上下車，不僅浪費大量的時間而且存在很大的安全隱患，并且長久地從事此項工作，也會對環(huán)衛(wèi)人員的身體健康造成影響。此外，收集垃圾的作業(yè)包含人工環(huán)節(jié)，為原始作業(yè)狀態(tài)，完全可以用簡單的機械行為代替[4]，所以目前的垃圾車工作模式，不能滿足全自動智能化的大發(fā)展趨勢，不利于實現(xiàn)工業(yè)4.0的大飛越。

對此，本文提出了一種基于Apriltag的智能垃圾車對城市道路兩旁的垃圾桶進行自動精準定位的方法研究，此研究可以解決回收垃圾必須要環(huán)衛(wèi)工人操作而導致的效率不高和人力資源的浪費，還有助于促進整個城市的環(huán)衛(wèi)事業(yè)的發(fā)展。

AprilTag是一個視覺基準系統(tǒng)，可用于各種任務，包括AR，機器人和相機校準。這個tag可以直接用打印機打印出來，而AprilTag檢測程序可以計算相對于相機的精確3D位置，方向和id[5]。基準點是為自動檢測而設計的人工視覺特征，通常攜帶一個獨特的有效載荷以使它們彼此區(qū)分開來。雖然這些類型的基準點最早是由增強現(xiàn)實應用程序開發(fā)和普及的，但它們后來被機器人界廣泛采用。其應用范圍從地面真相到目標檢測和跟蹤，在這些領域，可以作為一種簡化的假設，而不是更復雜的感知。

基準點的一些關鍵特性使其在機器人應用中的姿態(tài)估計或目標跟蹤方面非常有用。它們的唯一性和高檢測率是測試SLAM系統(tǒng)的理想選擇。固定基準標記可以用于視覺定位或作為機器人運動的地面真實性估計。安裝在對象上的基準點可用于識別和定位感興趣的對象。AprilTag和其他被動基準標記，需要專門的算法來檢測自然場景中的標記和其他特征。視覺處理步驟通常會控制標簽檢測流水線的計算時間，因此，即使標記檢測的微小改進也可以轉(zhuǎn)化為更快的標簽檢測系統(tǒng)，此項特性正適合于城市道路兩旁的垃圾桶，將基準標簽貼于垃圾桶側(cè)面，通過垃圾車上的攝像頭來捕捉進行快速檢測，完成垃圾桶的定位。

2 實驗研究

2.1 整體介紹

本研究用到的標簽系統(tǒng)是Apriltag的改進版Dtag，增加了標簽的個數(shù)和空間布局，從前后左右4個平面來識別tag碼的空間位置，更能實現(xiàn)完整的6自由度定位。排除噪聲較大的編碼，定位更精準。當行駛在城市道路中間的垃圾清運車，通過攝像頭捕捉到路邊的垃圾桶壁貼著的標簽碼時，由于城市環(huán)境的復雜性，垃圾桶往往會發(fā)生相對于原位置的旋轉(zhuǎn)、偏移等位置變動，如果只在原本應該在垃圾桶靠路邊一側(cè)的一面貼碼，就會產(chǎn)生識別不到的結(jié)果。所以，為了更加精準的識別，排除漏掉的可能性，本研究決定將垃圾桶的四面都貼上標簽碼，以更好地適應城市復雜的環(huán)境，達到更準確的識別效果。

系統(tǒng)采用到的編碼是apriltag的36h11，這個編碼的漢明距離最長，編碼的內(nèi)容更廣，適合樣本個數(shù)多的垃圾桶來使用，滿足現(xiàn)實使用情況，有利于以后環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)的更新，發(fā)展智慧城市智慧環(huán)衛(wèi)。

2.2 方法設計

為了對使用RGB攝像機的Tags獲得可靠的位姿估計，本研究設計了一種簡單而強大的方法，稱為DTags，該方法將兩個或多個標簽與不在同一平面上的約束相結(jié)合，見圖1。相反，標簽相互旋轉(zhuǎn)，因此，在高反射環(huán)境中，至少有一個標簽仍然可以被檢測到，并且可以計算出適當?shù)淖藨B(tài)估計。DTags可以被描述為一個標簽束，其中每個標簽都被設置在自己獨特的平面上。

圖1 兩面標簽

雖然基準標記在實驗室條件下能給出精確的姿態(tài)估計，但將其應用于智能垃圾車領域仍然是一個挑戰(zhàn)。這僅限于基準符號標簽系統(tǒng)，因為它們只在RGB圖像中工作空間。因此，圖像中的噪聲會產(chǎn)生較大的姿態(tài)估計誤差。在垃圾車應用中，基準標記主要以其原始和簡單的形式使用，如垃圾桶的側(cè)面。這種設置對于基本視覺伺服和增強現(xiàn)實應用來說是足夠的[6]，但不適用于在復雜的社會環(huán)境下應用，包括惡劣天氣及變形垃圾桶。

2.3 具體實施

本研究通過先在智能垃圾車運行的過程中拍攝圖像并識別出圖像中的Dtag碼，再對Dtag碼進行編碼并確定點陣坐標，然后重新遍歷點陣并進行匹配，而后計算出編碼ID和其他參數(shù)，并求出4個角點的坐標，再然后計算出單應性矩陣并獲得Dtag碼的相關姿勢信息，最后分解矩陣旋轉(zhuǎn)和平移變換向量，確定Dtag碼的正確姿勢，即確定智能垃圾車與垃圾桶的精確相對位姿，實現(xiàn)對垃圾桶的準確定位[7]，解決了現(xiàn)有的垃圾桶定位精度不高，定位困難的技術問題，得到了準確度高、魯棒性好、易定位的技術效果。

圖2 四面標簽模型

本研究采用以下技術方案實現(xiàn)：一種基于Dtag的智能垃圾車相對位姿定位方法，智能垃圾車用于定位至少一個垃圾桶，垃圾桶上的每一面上貼有組合tag編碼的Dtag碼，如圖2四面標簽模型。智能垃圾車相對位姿定位方法包括以下步驟，如圖3基于Dtag的智能垃圾車相對位姿定位方法的流程圖。

圖3 基于Dtag的智能垃圾車相對位姿定位方法的流程

首先，使智能垃圾車自動巡航并捕捉運行視野中的圖像，識別原始圖像中的Dtag碼；對所拍攝的圖像進行識別定位，并將識別出的Dtag碼進行編碼，在確定四邊形中明確點陣坐標并確定閾值；重新遍歷整個點陣，得到一串二進制碼，并將二進制碼與已知的編碼庫進行匹配以確定編碼是否可靠；計算確定可靠的編碼ID與旋轉(zhuǎn)的Dtag碼的其他參數(shù)，求出Dtag碼中四個角點的坐標；先根據(jù)打印的棋盤標定圖和拍攝的照片，計算出單應性變換矩陣，再根據(jù)單應性變換矩陣結(jié)合相機信息，獲得Dtag碼的相關姿勢信息；先分解單應性變換矩陣以求出旋轉(zhuǎn)變換向量和平移變換向量，再根據(jù)旋轉(zhuǎn)變換向量獲取Dtag碼的正確姿勢，且正確姿勢為智能垃圾車與垃圾桶的精確相對位姿[8]。

其中，智能垃圾車的攝像機的標定方法包括以下步驟，如圖4基于Dtag的智能垃圾車相對位姿定位方法中攝像機的標定方法的流程圖。

圖4 攝像機的標定方法的流程

首先打印一張棋盤格作為標定物；調(diào)整標定物或攝像機的方向；拍攝不同方向的照片；從照片中提取棋盤格角點；估算理想無畸變情況下五個內(nèi)參和六個外參；應用最小二乘法估算實際存在徑向畸變下的畸變系數(shù)；通過極大似然法優(yōu)化估計以提升精度[9]；結(jié)束標定，獲得棋盤標定圖。

2.4 實驗結(jié)果

相較于現(xiàn)有的垃圾桶定位方法，本研究基于Dtag的智能垃圾車相對位姿定位方法及其裝置具有以下有益效果：該基于Dtag的智能垃圾車相對位姿定位方法，其先在智能垃圾車運行的過程中拍攝圖像并識別出圖像中的Dtag碼，再對Dtag碼進行編碼并確定點陣坐標[10]，然后重新遍歷點陣并進行匹配，而后計算出編碼ID和其他參數(shù)，并求出四個角點的坐標，計算出單應性矩陣并獲得Dtag碼的相關姿勢信息，最后分解矩陣旋轉(zhuǎn)和平移變換向量，確定Dtag碼的正確姿勢，即確定智能垃圾車與垃圾桶的精確相對位姿，實現(xiàn)對垃圾桶的準確定位，達到定位準確度高、魯棒性好，并且易定位的技術效果。該方法能夠?qū)Ω鞣N區(qū)域的垃圾桶進行定位，尤其是一些現(xiàn)有的定位信息無法覆蓋或者覆蓋重復的位置，這樣可以擴充垃圾桶的定位廣度，方便垃圾桶的投放，使垃圾桶可以使用在各種場景中。該方法只需要在垃圾桶上設置Dtag碼即可，這樣可以省去定位器件的材料成本，節(jié)省垃圾處理系統(tǒng)成本，便于垃圾桶的推廣使用。而且，Dtag碼還可以作為其他信息載體，便于對垃圾桶進行管理，提高垃圾處理效率和管理效率。

3 結(jié)語

本文介紹了基于Dtag的智能垃圾車相對位姿定位方法的研究，經(jīng)過實驗，結(jié)果證明，該研究方法可以使垃圾車對路邊垃圾桶進行相對位姿的精準定位，對實現(xiàn)智能垃圾收運車自動收取城市道路兩旁垃圾桶垃圾的要求有促進作用，對建設未來智慧環(huán)衛(wèi)有推動作用。