專利名稱：一種光學(xué)成像式輪式移動機(jī)器人方位的檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種光學(xué)成像式輪式移動機(jī)器人方位的檢測裝置，屬于運(yùn)動定位技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著社會發(fā)展和科技進(jìn)步，機(jī)器人在當(dāng)前生產(chǎn)生活中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。輪式移動機(jī)器人由于其具有自重輕、承載大、機(jī)構(gòu)簡單、驅(qū)動和控制相對方便、行走速度快、機(jī)動靈活、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，被大量應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)院、家庭、空間探測等領(lǐng)域。輪式移動機(jī)器人要完成指定的任務(wù)，首先要在移動過程中實(shí)時(shí)感知當(dāng)前的位置和方位，并不斷與目標(biāo)位置和方位比較，控制移動機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，最終到達(dá)目標(biāo)位置，從而有效完成任務(wù)。檢測移動機(jī)器人位置和方位的方法分為兩類:自主檢測法和參照物檢測法。參照物檢測方法要依賴磁條、路標(biāo)、信標(biāo)(如GPS信號)等外部參照物或參照信號來確定位置和方位，需要建立和維護(hù)參照物或參照信號；自主檢測方法不需要在外部設(shè)立參照物或參照信號，利用機(jī)器人相對地球表面的運(yùn)動來確定位置和方位，檢測裝置全部安裝在機(jī)器人內(nèi)部，工作時(shí)不依賴外部信息，因此不易收到外界干擾的影響。常用自主檢測法主要有兩種:(I)基于慣性傳感器的測量方法。依據(jù)牛頓慣性原理，利用安裝在移動機(jī)器人內(nèi)部的加速度計(jì)和陀螺，分別測量機(jī)器人本身相對地球表面的線加速度和角加速度，對測量結(jié)果進(jìn)行積分，從而計(jì)算出機(jī)器人移動的距離及方位變化。其缺點(diǎn)是:由于加速度的常值誤差將引起與時(shí)間平方成正比的測量誤差，因此任何小的常值誤差都會隨時(shí)間而無限增大，長期精度很差；每次使用之前需要較長的初始對準(zhǔn)時(shí)間；慣性測量設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較
曰蟲印貝ο(2)基于編碼器的測量方法。利用安裝在輪式移動機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)中的編碼器分別測量左、右驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動角度，然后根據(jù)左、右驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動角度推算出左、右驅(qū)動輪走過的距離，最后估算出機(jī)器人的位置和方位?；诰幋a器的測量方法結(jié)構(gòu)相對簡單、成本較低，但由于左、右驅(qū)動輪的實(shí)際直徑不完全相等、有效輪距也在隨時(shí)變化，因此基于編碼器的測量方法的常值誤差和測量誤差也會隨時(shí)間不斷積累，長期精度也很差。如果出現(xiàn)驅(qū)動輪打滑現(xiàn)象，基于編碼器的測量方法完全失效。上述兩種位置和方位自主測量方法獲得的測量結(jié)果是間接測量值。基于慣性傳感器的測量結(jié)果是根據(jù)慣性傳感器的加速度直接測量值間接計(jì)算出來的，測量結(jié)果不僅與慣性傳感器加速度有關(guān)，而且還與時(shí)間的平方成正比；基于編碼器的測量結(jié)果是根據(jù)編碼器角位移直接測量值間接計(jì)算出來的，測量結(jié)果不僅與編碼器角位移有關(guān)，而且還與驅(qū)動系統(tǒng)傳動比、驅(qū)動輪直徑及輪間距等參數(shù)有關(guān)。因此，時(shí)間、驅(qū)動系統(tǒng)傳動比、驅(qū)動輪直徑及輪間距等參數(shù)的估算誤差都會傳遞到位置和方位的測量結(jié)果中，這些估算誤差會隨時(shí)間不斷積累，導(dǎo)致上述兩種測量方法的測量結(jié)果誤差越來越大，長期精度變低。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提出一種光學(xué)成像式輪式移動機(jī)器人方位的檢測裝置，以克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的定位測量誤差隨時(shí)間累計(jì)而無限增大導(dǎo)致的長期測量后定位精度變低的問題，以提高輪式移動機(jī)器人位置和方位的長期檢測精度。本實(shí)用新型提出的光學(xué)成像式輪式移動機(jī)器人方位的檢測裝置，包括:光源，用于地面照明，所述的光源固定在輪式移動機(jī)器人的車體上；攝像機(jī)，用于拍攝地面圖像，并將圖像信號傳送給圖像處理器，所述的攝像機(jī)固定在輪式移動機(jī)器人的車體上；圖像處理器，用于接收攝像機(jī)輸出的圖像信號，并進(jìn)行預(yù)處理，測量相鄰兩幀圖像的相對位置和方向的變化值，然后換算為移動機(jī)器人相對地面的位置和方向的變化值，最后將所有位置和方向變化值分別累加，獲得移動機(jī)器人相對起始點(diǎn)的位置和方向，所述的圖像處理器與攝像機(jī)相連接。本實(shí)用新型提出的光學(xué)成像式輪式移動機(jī)器人方位的檢測裝置，其優(yōu)點(diǎn)是:利用本實(shí)用新型方法得到的測量結(jié)果，僅與機(jī)器人相對地面的相對位置和方向變化有關(guān)，與測量時(shí)間或移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)估值無關(guān)，因此從理論上消除了眾多誤差因素的影響；移動機(jī)器人位置和方位的測量結(jié)果是多次直接測量值的累加，由于直接測量值的測量誤差為隨機(jī)誤差，隨著機(jī)器人移動距離的增大，直接測量值的數(shù)量也不斷增加，測量誤差的累加值將趨于零。因此本實(shí)用新型測量方法具有較高的長期測量精度，解決了現(xiàn)有檢測技術(shù)測量誤差隨時(shí)間累計(jì)增大而導(dǎo)致的長期精度變低的問題。而且本實(shí)用新型的輪式移動機(jī)器人位置和方向的檢測裝置，結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價(jià)格低廉，在原理上不受時(shí)間或機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)估值的影響，有很高的長期精度，具有實(shí)際推廣應(yīng)用價(jià)值。

圖1是本實(shí)用新型檢測裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2是本實(shí)用新型檢測方法的坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)系關(guān)系示意圖。圖3是本實(shí)用新型測量裝置中攝像機(jī)采集的圖像，其中(a)是一個(gè)采樣間隔中的第一幀圖像，(b)是一個(gè)采樣間隔的第二幀圖像。圖1中，I是輪式移動機(jī)器人車體、2是圖像處理器、3是攝像機(jī)、4是光源。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型提出的光學(xué)成像式輪式移動機(jī)器人方位的檢測裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括:光源4，用于地面照明，所述的光源固定在輪式移動機(jī)器人的車體I上；攝像機(jī)3，用于拍攝地面圖像，并將圖像信號傳送給圖像處理器，所述的攝像機(jī)固定在輪式移動機(jī)器人的車體上；圖像處理器2，用于接收攝像機(jī)3輸出的圖像信號，并進(jìn)行預(yù)處理，測量相鄰兩幀圖像的相對位置和方向的變化值，然后換算為移動機(jī)器人相對地面的位置和方向的變化值，最后將所有位置和方向變化值分別累加，獲得移動機(jī)器人相對起始點(diǎn)的位置和方向，所述的圖像處理器與攝像機(jī)相連接。本實(shí)用新型提出的光學(xué)成像式輪式移動機(jī)器人方位的檢測方法中，圖像處理器接收攝像機(jī)輸出的地面圖像，在第一幀地面圖像中設(shè)定兩個(gè)特征點(diǎn)M和N，并測量M和N在第一幀圖像中的坐標(biāo)值(Xmtl，Ym0)和(Xntl，Yntl )，再測量M和N在第二幀圖像中的坐標(biāo)值(Xml，Yml)和(Xnl，Ynl)，計(jì)算直線[(Xm0, Ym0), (Xn0，Yn0)]和直線[(Xml, Yml), (XnLYnl)]之間的夾角Δ Θ 1，以及車體相對地面M點(diǎn)的位移Λ X2=Xml-XmO和Λ Y2=Yml_YmO，最后可根據(jù)Λ θ 1、Δ Xl和Λ Υ1，計(jì)算出移動機(jī)器人在第二幀圖像時(shí)車體相對地面的平移距離增量Λ gl和Δ hl，最后將連續(xù)i個(gè)采樣周期的移動機(jī)器人平移距離增量Λ gi和Λ hi,以及車體相對地面的轉(zhuǎn)動角度變化Λ θ i分別累加，可得到第i個(gè)采樣時(shí)刻時(shí)車體相對地面坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置g=Agl+Ag2+“*+Agi和h=Ahl+Ah2+*“+Ahi,以及方位角 θ =Δ θ 1+Δ Θ 2+…+ Δ Θ i0車體平移距離g和h的增量Λ g和Ah與地面M點(diǎn)在XOY坐標(biāo)系中前一時(shí)刻的位置X、Y及位置變化Λ Χ、Λ Y，以及車體XOY坐標(biāo)系相對地面xoy坐標(biāo)系前一時(shí)刻的轉(zhuǎn)動角度Θ和轉(zhuǎn)動角度變化Λ Θ有關(guān)。圖3中，Ca)是一個(gè)采樣間隔的第一幀圖像，(b)是一個(gè)采樣間隔的第二幀圖像。其中的M、N是地面上的兩個(gè)特征點(diǎn)，在相鄰的前后兩幀數(shù)字圖像中，M、N點(diǎn)的坐標(biāo)值分別從(Xm0, Ym0)和(XnQ，Yn0)變化為(Xml，Yml)和(Χη1，Υη1)。α為MN兩點(diǎn)連線在第一幀圖像中的傾角，β為MN兩點(diǎn)連線在第二幀圖像中的傾角，MN兩點(diǎn)連線在車體XOY坐標(biāo)系中的偏轉(zhuǎn)角度Δ θ 就是車體相對地面的轉(zhuǎn)動角度變化Λ θ 10 Δ Θ j可利用兩直線夾角計(jì)算公式計(jì)算:Δ Θ j=arc tan [ ( | tan a -tan β | ) / (1+tan a *tan β )]其中tan α = (Yn0-Ym0) / (Xn0-Xni0), tan β = (Ynl-Yml) / (Xnl-XnilX在一個(gè)采樣間隔內(nèi)，M點(diǎn)的X軸坐標(biāo)變化為Λ X1=Xml-Xm0, Y軸坐標(biāo)變化為Δ Y1=Yffll-Ym0o設(shè)初始位置輪式移動機(jī)器人車體XOY坐標(biāo)系與地面xoy坐標(biāo)系重合，圖像處理器根據(jù)ΧΠ(Ι、ΛYii^AY1和厶Q1計(jì)算出車體平移距離的增量Ag1和Λ 4。連續(xù)測量并計(jì)算Λ gi和Λ Iii (i=l、2、3…)，則第i個(gè)采樣時(shí)刻時(shí)的輪式移動機(jī)器人車體位置及方位為:g= Δ gj+ Δ g2+...+ Agih= Δ Ii1+ Δ h2+...+ Ahiθ = A θ j+ A θ 2+…+ Δ θ j本實(shí)用新型的輪式移動機(jī)器人位置和方向的檢測裝置中，照明光源4采用威世半導(dǎo)體(Vishay Semiconductors)公司的TLHG520紅外線發(fā)光二極管,攝像機(jī)3采用分辨率為2048X 1536的CCD (Charge Coupled Device)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，圖像處理器2采用TI公司的TMS320數(shù)字信號處理器，圖像采樣速率設(shè)為6幀/秒。本實(shí)用新型輪式移動機(jī)器人位置和方向檢測裝置的工作原理是:照明光源4對地面照明，突出地面紋理特征，增強(qiáng)地面細(xì)節(jié)。
由于攝像機(jī)3的圖像位移變化與真實(shí)地面上的位移變化存在一個(gè)比例關(guān)系，因此首先對攝像機(jī)3進(jìn)行標(biāo)定。在地面上標(biāo)識5個(gè)已知坐標(biāo)值的參考點(diǎn)，使5個(gè)參考點(diǎn)位于攝像機(jī)3視場的四個(gè)角及中央；圖像處理器2通過圖像處理提取各參考點(diǎn)在攝像機(jī)3坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，與參考點(diǎn)在地面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值對比，獲得攝像機(jī)3坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)系的比例關(guān)系。[0035]攝像機(jī)3以6幀/秒的速率拍攝地面圖像，并將數(shù)字圖像信號傳送給圖像處理器
2。圖像處理器2首先對數(shù)字圖像進(jìn)行濾波處理，去除圖像中的噪聲，對數(shù)字?jǐn)?shù)字圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，突出地面上的特征點(diǎn)；然后設(shè)定地面特征點(diǎn)，測量前后兩幀圖像中相同特征點(diǎn)的位置變化Λ Xi和Λ Yi,以及車體相對地面坐標(biāo)系的方位角變化Λ θ i，計(jì)算車體相對地面平移距離增量Agi和Λ h”分別將AgpAhi和Λ Qi累加，可獲得當(dāng)前移動機(jī)器人相對地面坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置(g, h)和方位Θ。
權(quán)利要求1.一種光學(xué)成像式輪式移動機(jī)器人方位的檢測裝置，其特征在于該裝置包括: 光源，用于地面照明，所述的光源固定在輪式移動機(jī)器人的車體上； 攝像機(jī)，用于拍攝地面圖像，并將圖像信號傳送給圖像處理器，所述的攝像機(jī)固定在輪式移動機(jī)器人的車體上； 圖像處理器，用于接收攝像機(jī)輸出的圖像信號，并進(jìn)行預(yù)處理，測量相鄰兩幀圖像的相對位置和方向的變化值，然后換算為移動機(jī)器人相對地面的位置和方向的變化值，最后將所有位置和方向變化值分別累加，獲得移動機(jī)器人相對起始點(diǎn)的位置和方向，所述的圖像處理器與攝像機(jī)相連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種光學(xué)成像式輪式移動機(jī)器人方位的檢測裝置，屬于運(yùn)動定位技術(shù)領(lǐng)域。本實(shí)用新型在輪式移動機(jī)器人車體安裝光源、攝像機(jī)和圖像處理器。攝像機(jī)拍攝地面圖像，并將拍攝的圖像傳輸給圖像處理器，圖像處理器接收攝像機(jī)輸出的地面圖像，測量相鄰兩幀圖像的相對位置和方向的變化值，換算為移動機(jī)器人相對地面的位置和方向的變化值，最后將所有變化值分別累加，獲得移動機(jī)器人相對起始點(diǎn)的位置和方向。本實(shí)用新型的檢測方法和裝置結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價(jià)格低廉，在原理上不受時(shí)間或機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)估值的影響，具有很高的長期精度，具有實(shí)際推廣應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號G01B11/26GK203053428SQ20122066949
公開日2013年7月10日 申請日期2012年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月6日
發(fā)明者高宏, 王慶 申請人:紫光股份有限公司