一种自动导航定位装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种自动导航定位装置，其包括安装于作业机械上的全方位视觉传感器、分别设置于作业区四个角落，且呈矩形分布的四个有色标识、与全方位视觉传感器的信号输出端连接的计算机及用于给计算机供电的电源。同时，本发明专利技术还提出了与上述定位装置对应的自动导航定位方法，其利用图像处理得出图像距离或者借助全方位视觉传感器成像方位角不改变的原理，即得出标识间方位角算出全方位视觉传感器在标识空间的绝对坐标；根据作业机械自身坐标和空间坐标的关系，算出导向角和导向距离。本发明专利技术所述自动导航定位方法相比其它定位方法简单，运行速度快，实用性强，所述自动导航定位装置结构简单，成本不高，便于推广运用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及计算机视觉图象处理应用领域，尤其涉及一种机器人及车辆等作业机械的 自动导航定位装置及方法。
技术介绍
目前，人们对机械的自动化程度要求越来越高；机械自动化作业及其机器人的发展是 未来机械化发展方向；定位对自动作业车辆、机器人来说，非常重要。车辆、机器人在自 动作业时，必须知道自己的位置，才可以决定机器人能否按要求完成下一步的执行任务。 图像处理技术定位从图像中抽出特征从控制的范围分为局部定位和全球定位；局部定位运 用于一定范围内的作业，计算机图象处理一般抽取有特色的特征物作为定位的基准，特征 物分为自然物体和人工设置；全球定位，比如现在流行使用的GPS技术。从定位的性质分 为几何定位和拓扑定位。几何定位能知道机器人的具体位置，拓扑定位是确定机器人在一 定的可允许的范围路径内，并不知道详细的几何位置；对于各种机器人的定位研究不少， 现在用于室外的机器人及车辆的定位基本上运用GPS技术，该定位技术误差比较大；在树 林、房屋遮掩区域，因微波信号不能传输而不能使用；另外近年来一种在GPS技术上发展 的RTK-GPS技术，精度较高，但是价格昂贵。普通的车辆和作业机械尤其是农业机械及 农业运输车，作业环境场所面积比较恶劣，尤其温室作业，GPS技术根本不可能实现自动 导航定位。全方位视觉传感器是一种新型的视觉传感器，它能提供360度范围的丰富的信息，图 像不会随传感器的旋转改变图像，有利于减少车轮滑移和震动的部分负面影响，而且价格 便宜，被广泛应用在机器人领域；在机器人定位方向也得到了应用，但其使用原理和方法 一般是在作业环境中人工设置特征物体或利用自然的特征物体，通过图像处理技术抽取特 征值，然后通过图像匹配找到特征点或特征点区域来分析拓扑定位；该定位一般计算过程 复杂、运行时间长，实用性不太好。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对作业的车辆、机器人，尤其是作业环境比较固定，田间、温室、 厂房等，以及GPS技术不能使用的区域，利用全方位视觉传感器和计算机视觉图像处理技 术开发的，该专利技术可代替GPS在一些特殊场合进行定位，运 行速度较快、使用范围广、实用性强、价格便宜。为达到上述专利技术目的，本专利技术采取的技术方案是， 一种自动导航定位装置，包括安装 于作业机械上的全方位视觉传感器、分别设置于作业区四个角落，且呈矩形分布的四个有 色标识、与全方位视觉传感器的信号输出端连接的计算机及用于给计算机供电的电源。所述全方位视觉传感器包括上盖、下盖、透明外罩、中心针、曲面镜面、USB摄像 机和用于与计算机通讯的USB线，其中上盖、下盖分别安装于透明外罩两端；上盖底部安 装有中心针，该中心针穿过并紧贴曲面镜面中心位置；透明外罩支撑粘合在上盖上的曲面 镜面；通过调焦螺纹连接于USB摄像机上的USB摄像机镜头与下盖连接。所述下盖的中间位置为空心结构，且设有4 mm螺口用以连接USB摄像机镜头。本专利技术还提供了一种与上述自动导航定位装置相应的自动导航定位方法，包括标识设 置、图像数据输入、图像处理及计算和结果输出，其特征是所述标识设置包括在作业区域的最大外围角落上设置有呈矩形放置的4个有色标 识，测量出该矩形的长度和宽度；所述图像数据输入包括通过全方位视觉传感器实时拍摄包括有色标识在内的作业区 图像并输入计算机；所述图像处理及计算包括首先，针对有色标识提取颜色量的阀值；逐行对上述采集 到的图像进行扫描，抽取颜色特征象素点，形成颜色点区域，计算该颜色点区域所有特征 象素点的重心作为一个有色标识在该图像的位置；依次完成整幅图像的扫描，搜索有色标 识在图像中的位置A) 如果有色标识特征点提取只有一个或者没有，则返回上一步操作，进行下个位置特征点图像的分析；B) 如果提取了有色标识特征点为2个，则根据提取到的2个有色标识在图像中的位置，结合全方位视觉传感器在图像中的固定位置，计算出两个有色标识 分别在图像中离全方位视觉传感器的图像距离，从而根据成像参数公式变换 得出两个有色标识与全方位视觉传感器间的空间距离；再根据已知的两个有 色标识的空间位置，求出全方位视觉传感器的空间位置；如果找到3个或者 4个有色标识特征点，则通过图像处理得出每相邻两个有色标识和全方位视 觉传感器形成的方位角度，再结合相邻有色标识的坐标和所述矩形的长宽， 得出全方位视觉传感器的位置坐标，即实现了对安装了该全方位视觉传感器 的作业机械在标识作业区的几何定位；根据作业机械自身坐标和空间坐标的 关系，计算出导向角和导向距离； 结果输出，依据上述步骤得到的导向角和导向距离控制作业机械的行走路线。 本专利技术的工作原理是所述自动导航定位装置包括通过三脚架安装在作业机械上的全 方位视觉传感器、由人工设置在作业区四个角落，且呈矩形分布的四个有色标识、计算机 及与计算机连接的电源；所述全方位视觉传感器包括上盖，下盖、曲面镜面、中心针、透 明外罩、USB摄像机和用于与计算机通讯的USB线组成；所述曲面镜面与所述上盖粘合在一起，所述上盖螺纹式旋紧所述透明外罩上；所述下盖是中间空心并伸出约4mm螺口 连接所述USB摄像机镜头；所述曲面镜面包括球面、抛物线曲面和双曲线曲面，其特点是 单一视点，采集大范围的数据；所述透明外罩套住在曲面镜面的外部，起支撑曲面镜面和 防止灰尘的作用；所述中心针螺在上盖上，穿过并紧密粘合曲球面中心，能有效的防止镜 面反射；通过螺纹连接在透明外罩上的USB摄像机镜头连接有调焦螺纹，该USB摄像机 的信号输出端通过USB线连接至计算机。该计算机作为整个装置的控制中心包括硬件和软 件，软件包括实现图像采集、处理、计算和分析功能软件及向作业机械发布导向实施参数 控制程序。该计算机借助作业机械发电不停供应电源。相应的，该自动导航定位装置采取的自动导航定位方法包括标识设置、图像数据输入、 图像处理及计算和结果输出四个步骤所述标识设置，针对作业区域，在其最大外围上角7落上，放置4个有色标识组成矩形，并测量出矩形的长度和宽度；所述图像数据输入，通 过全方位视觉传感器实时拍摄图像，将图像通过实时接口输入计算机；所述全方位视觉传 感器提供的图像是360度信息，信息量大，图形成圆形。离全方位视觉传感器中心越远， 图像的分辨率变低；并且在长度上发生变形，因此，图像分析比较复杂，但该全方位视觉 传感器的一大优点为其方位角不发生变化。所述图像处理及计算，是本专利技术的创新部分之 一；首先，在写好的程序中，设定颜色标识提取颜色量的阀值；逐行对图像进行扫描，抽 取颜色特征象素点，形成一个小的颜色点区域，计算该颜色点区域所有特征象素点的重心 作为一个有色标识在该图像的位置；依次完成整幅图像的扫描，搜索标识在图像中的位置； 如果能成功提取颜色标识特征点2个以上，程序将继续进行下面的工作，得出计算结果； 如果特征点提取只有一个或者没有，则返回计算机上一步操作，进行下个位置特征点图像 的分析。提取2个标识在图像的位置后，因为全方位视觉传感器在图像的位置是固定的， 形成圆形的360度信息，根据有色标识的已知位置，算出两个有色标识分别在图像中离全 方位视觉传感器的图像距离，根据成像参数公式变换，得出两个有色标识与全方位视觉传 感器间的实际空间距离；两个有色标识在空间的位置点是已知的，根据距离公式参数和全本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自动导航定位装置，其特征是包括安装于作业机械（３）上的全方位视觉传感器（８）、分别设置于作业区（２）四个角落，且呈矩形分布的四个有色标识、与全方位视觉传感器（８）的信号输出端连接的计算机（７）及用于给计算机供电的电源（６）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李明，刘仲华，黄建安，李旭，吴明亮，李军政，
申请(专利权)人：湖南农业大学，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]