利用红外吊灯和摄像头测量机器人位置的系统技术方案

本实用新型专利技术提供一种利用红外吊灯和摄像头测量机器人位置的系统，包括：红外吊灯，由红外吊灯形成有红外光斑图层；红外摄像头，由红外摄像头对红外光斑图层的图像进行捕捉；控制处理器，控制处理器与红外摄像头信号连接。一种利用红外吊灯和摄像头测量机器人位置的方法，包括：散布红外光斑；设置红外摄像头并捕获红外光斑图像；获得机器人的朝向和位置变化；机器人开始全面自主移动。本实用新型专利技术所需系统结构简洁，适用于面向不规则穹顶和大尺度室内空间，可较为方便的解决大型室内情景中机器人的自定位导航需求，只需要一个红外摄像头及红外光斑发射器，所需系统搭建方便，易于后期维护，同时能够实现室内移动机器人朝向和位置测量。

【技术实现步骤摘要】
利用红外吊灯和摄像头测量机器人位置的系统
本技术属于机器人室内定位导航
，具体涉及一种利用红外吊灯和摄像头测量机器人位置的系统。
技术介绍
机器人在室内工作通常需要较为准确的朝向以及位置信息，用以支撑完成所规划的任务。室内移动机器人的导航定位方法较多，大致可分为以下几种：第一种为室内基站/节点定位法，即利用多个通讯节点、基站或者特定标签到机器人的间距以及卡尔曼滤波算子估算出机器人在室内的位置。例如成都电子科技大学周亮等人，以信号强度估算多个信号节点到机器人距离，采用模仿GPS的坐标求解方法实现机器人定位，并采用衰减卡尔曼滤波器个提高定位结果精度。第二种为系统监控法，即搭建监控系统或者感知网络，利用多个摄像头搭建感知网络，观测和计算机器人当前的位置和姿态。第三种为地标提示法，即在地面或者墙体设定磁条、色带、色块、磁钉、二维码甚至RFID地标，为机器人提供朝向或者位置信息，帮助其进行朝向或者位置修正，这一类方法宜与同IMU惯导信息及码盘相结合，在机器人无法捕获地标的情况下，进行航迹推算。此外还有一种方法为SLAM方法，即机器人自定位同环境探测同步进行，利用摄像头、激光雷达传感器等设备探测作业环境信息，同时提炼出关键地标数据用于实现机器人实时位置求解，另外随着探测范围不断扩大，扩展出全局地图。在上述几种方案中，如果能够保证机器人进行准确行走则需要布置大量的用于进行定位的硬件设备，其不仅造成感官系统布局困难，还会受布置场所结构形态的影响(例如机器人行走的地面轮廓非常复杂)，则会进一步增加机械人行走的困难程度。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种易于部署和操作的、用于进行室内移动机器人朝向和位置测量的方法。为了实现上述目的，本技术提供如下技术方案：一种利用红外吊灯和摄像头测量机器人位置的方法，包括：步骤一、将红外吊灯吊装在屋顶上，通过所述红外吊灯对地面进行红外照明，同时在屋顶上散布红外光斑；步骤二、将红外摄像头设置于机器人的头部、用以捕捉所述红外吊灯的图像以及屋顶散布的所述红外光斑的图像，同时获取所述红外吊灯到所述红外摄像头所处平面的垂直距离作为高度信息；步骤三、将所述机器人置于所述红外吊灯的正下方、并指定所述机器人的初始朝向和位置，利用所述机器人的头部所设置的所述红外摄像头捕捉所述红外吊灯及所述红外摄像头视野内的所述红外光斑的图像；步骤四、所述机器人先移动一小段距离、并确保所述红外摄像头视野内的所述红外吊灯一直处于所述红外摄像头的视野中，结合所述高度信息、基于所述机器人的室内平面移动(即二维矢量)约束及所述红外摄像头的仿射变换原理进行计算获得所述机器人的朝向和位置变化，同时计算出所述红外摄像头视野中捕获的所述红外光斑的高度信息和坐标值；步骤五、在步骤四的基础上，所述机器人开始全面自主移动，直到所述红外摄像头视野内的所述红外吊灯离开所述红外摄像头视野，在所述机器人移动过程期间所述红外摄像头不断捕获新的所述红外光斑图像，同时利用已经计算出的被捕获的所述红外光斑的高度信息和位置坐标，计算所述机器人朝向和位置的变化，同时计算新捕获的所述红外光斑的高度信息，用于在所述机器人的后续移动过程中持续计算出所述机器人的位置和朝向。优选地，在所述步骤四中，获得所述机器人的朝向和位置变化的具体算法如下：首先结合所述红外摄像头垂直方向上安装姿态，根据仿射变换几何原理，有式中IP(UP，VP)为所述机器人上方某一点P在所述红外摄像头视野中的像素坐标，其中，u0为成像中心横坐标、v0为成像中心纵坐标、k为放大系数，hP表示点P的高度信息即点P到所述红外摄像头平面的垂直距离，(CxP,CyP)表示所述红外摄像头的中心到点P的射线在所述红外摄像头平面中的投影矢量，所述投影矢量由以下公式计算而出其中(x,y)表示当前时刻机器人及其所述红外摄像头的位置坐标，θ表示所述机器人及所述红外摄像头的朝向；在初始时刻，所述机器人位置被初始为(x0，y0)，朝向被初始设置为θ0，吊灯底部到所述红外摄像头平面的距离为hD；在所述红外摄像头的视野中，在视野范围内获得的所述红外吊灯图像的中心像素坐标为(UD，VD)，所捕获的所述红外光斑的中心像素坐标为G1(Ug1,Vg1)；在所述机器人移动后，在所述红外摄像头的视野中所述红外吊灯中心像素坐标变化为所述红外光斑的中心像素坐标变化为则可通过以下平面移动约束及所述红外摄像头仿射变换几何关系来计算所述机器人移动后的位置(x1，y1)和新朝向θ1；结合上述计算公式和变量定义,可计算出所述机器人的平面位移矢量为(x1-x0,y1-y0)为；变形后可得：在此基础上，可计算出机器人移动后的朝向为：其中继而可以计算出所述机器人移动后的位置为(x1，y1)；继而可计算出所述红外光斑Gi到摄像头平面的垂直高度距离的为：优选地，在所述步骤五中，计算新捕获的所述红外光斑的高度信息是指：结合已知的所述红外光斑的高度信息及前一时刻所述机器人的位置朝向及位置信息，采用步骤四中记载的计算方法，结合已计算出的所述红外光斑点高度信息，更新计算所述机器人移动后的位置朝向信息；同时，计算出新捕获的光斑的高度的信息，用以完成所述机器人后续朝向及位置的计算。本技术还提供了一种利用红外吊灯和摄像头测量机器人位置的系统，该系统包括：红外吊灯，于所述红外吊灯的外侧设置有灯罩，所述灯罩上开设有光斑孔，所述光斑孔开设有多个，由所述红外吊灯发出的红外光线穿过所述灯罩上的光斑孔形成有红外光斑图层；红外摄像头，所述红外摄像头设置到机器人上用于对所述红外光斑图层的图像进行捕捉；控制处理器，所述控制处理器与所述红外摄像头信号连接、用于对所述红外摄像头捕捉到的红外光斑图像进行计算处理。优选地，本技术还包括有灯架，所述红外吊灯通过万向接头设置于所述灯架上。优选地，所述光斑孔均匀布于所述的灯罩上。本技术方法以红外摄像头为主要传感器，通过观测红外吊灯及其投影到穹顶中的光斑，基于机器视觉测量室内移动机器人朝向和位置。本技术所需系统结构简洁，适用于面向不规则穹顶和大尺度室内空间，可较为方便的解决机场航站楼、商城、图书馆、博物馆等大型室内情景中机器人的自定位导航需求。本技术具有的有益效果在于：只需要一个红外摄像头及红外光斑发射器，所需系统搭建方便，易于后期维护，同时能够实现室内移动机器人朝向和位置测量。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。其中：图1为本技术在利用红外吊灯及红外摄像头测量室内机器人朝向和位置的方法对机器人进行控制时的瞬时画面示意图。附图标记说明：红外摄像头1、机器人2、红外吊灯3、红外光斑4。具体实施方式下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。各个示例通过本技术的解释方式提供而非限制本技术。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本技术的范围或精神的情况下，可在本技术中进行修改和变型。在本技术的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用红外吊灯和摄像头测量机器人位置的系统，其特征在于，包括：红外吊灯，于所述红外吊灯的外侧设置有灯罩，所述灯罩上开设有光斑孔，所述光斑孔开设有多个，由所述红外吊灯发出的红外光线穿过所述灯罩上的光斑孔形成有红外光斑图层；红外摄像头，所述红外摄像头设置到机器人上用于对所述红外光斑图层的图像进行捕捉；控制处理器，所述控制处理器与所述红外摄像头信号连接、用于对所述红外摄像头捕捉到的红外光斑图像进行计算处理。

【技术特征摘要】
1.一种利用红外吊灯和摄像头测量机器人位置的系统，其特征在于，包括：红外吊灯，于所述红外吊灯的外侧设置有灯罩，所述灯罩上开设有光斑孔，所述光斑孔开设有多个，由所述红外吊灯发出的红外光线穿过所述灯罩上的光斑孔形成有红外光斑图层；红外摄像头，所述红外摄像头设置到机器人上用于对所述红外光斑图层的图像进行捕捉；控制处理器，所述控制处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵鹏，罗金龙，许金鑫，蒋剡洋，何春来，鲁华，陈杰，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十一研究所，
类型：新型
国别省市：上海,31