專利名稱：全天候運行的移動機器人定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全天候運行的移動機器人定位系統(tǒng)，具體涉及一種通過近 紅外照明及視覺傳感的方式，可在全天候情況下運行的移動機器人定位系統(tǒng)
背景技術(shù)：
視覺系統(tǒng)在很多領(lǐng)域都是非常重要的傳感手段，諸如在安防、監(jiān)控、航空 航天、交通等系統(tǒng)中。長期以來，隨著科技不斷進步，智能設(shè)備正在取代人類 完成某些危險、繁重、重復(fù)性的工作，諸如智能吸塵器、智能割草機、巡邏機 器人、無人駕駛汽車甚至自動引導車(AGV)等。但是由于此類設(shè)備傳感條件的 限制無法在變化的環(huán)境、氣候、光線等條件下適用，所以目前這些設(shè)備的應(yīng)用 仍然受到限制。
目前在智能移動機器人上應(yīng)用較多的定位技術(shù)主要有超聲、激光、紅外測 距等距離傳感器定位、電磁傳感定位、衛(wèi)星定位(GPS)等。
這些定位方法都會受到諸如環(huán)境、氣候、光照等因素的影響，使用范圍受 到限制。超聲、激光、紅外測距等距離傳感器的定位方法受傳感器精度影響較 大；電磁傳感定位需要在機器人需定位的道路上鋪設(shè)磁條，工程量巨大，而且 磁條在濕熱天氣下退磁較快；GPS定位準確，但是不能出現(xiàn)遮擋情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種全天候運行的移動機器人 定位系統(tǒng)，可在不同光照、氣候以及室內(nèi)外的任意情況下對移動機器人準確定 位。
為實現(xiàn)這一目的，本發(fā)明設(shè)計的全天候運行的移動機器人定位系統(tǒng)由近紅 外全景照明取景裝置及具有特征編碼格式的參照物組成，其中，近紅外全景照 明取景裝置安裝在機器人的頂部，若干個具有特征編碼格式的參照物分布于機 器人行駛的道路兩側(cè)。近紅外全景照明取景裝置發(fā)射近紅外光線照射在參照物
上，其反射光線回射到近紅外全景照明取景裝置的攝像機中成像，通過識別、 提取不同參照物的特征編碼信息，運用三角定位原理，確定移動機器人位姿完 成其自定位。
本發(fā)明中，所述近紅外全景照明取景裝置包括近紅外全景照明和近紅外全景 取景兩部分，其中
近紅外全景照明部分由照明全景反射器、LED近紅外發(fā)光源、支撐支架等三
部分組成，其中照明全景反射器為錐面的反射鏡面，LED近紅外發(fā)光源由供電電 源、可發(fā)射近紅外光的LED陣列及LED控制電路組成。LED陣列發(fā)射出的光源經(jīng) 全景反射器反射之后發(fā)散在周圍360度的全范圍之內(nèi)，其中必有光線照射到具 有黑白顏色特征編碼的參照物上。
近紅外全景取景部分利用支架安裝于近紅外全景照明部分的正下方，由取 景全景反射器、近紅外攝像機通過支撐支架固定連接而成。取景全景反射器為 雙曲面的反射鏡面，在近紅外攝像機的鏡頭上安裝濾光片。近紅外全景照明部 分發(fā)射的光線經(jīng)具有黑白顏色特征編碼的參照物反射后在近紅外攝像機中成 像。
本發(fā)明中，所述具有特征編碼格式的參照物為圓柱形，由反射光材料與不反 射光材料間隔環(huán)繞而成，兩種材料的間隔排列方式構(gòu)成黑白特征的編碼格式。
本發(fā)明的照明及取景均采用全景視覺技術(shù)，就是利用鏡面反射原理，擴大 視覺系統(tǒng)的視野。在全景視覺系統(tǒng)中，攝像機不是直接觀看外界環(huán)境，而是正 對一面凸面鏡(全景取景器)，遠處物體所發(fā)出的光線經(jīng)過鏡面反射后集中到攝 像機的鏡頭，從而在攝像機的傳感器上形成圖像信息。這樣，只用一個攝像機 就可以觀察到全景視覺系統(tǒng)周圍360度內(nèi)的整個環(huán)境，可以大大減少系統(tǒng)設(shè)計 的復(fù)雜性和難度，并降低了系統(tǒng)的成本。
由于本發(fā)明的照明系統(tǒng)采用近紅外光，在視覺系統(tǒng)中攝像機也同樣為對紅 外光線敏感的攝像機，同時添加了濾波片，濾掉其它波段的光線，這也就消除 了可見光對系統(tǒng)的干擾。
本發(fā)明的移動機器人定位系統(tǒng)可在全天候、室內(nèi)外的情況下運行。


圖1為本發(fā)明的移動機器人定位系統(tǒng)組成及運行示意圖。
圖1中，1為近紅外全景照明取景裝置，2為機器人，3為具有不同編碼格
式的參照物，4為機器人行駛道路，5為近紅外全景照明部分發(fā)射的近紅外光線，
6為經(jīng)具有不同編碼格式的參照物反射后的近紅外光線。 圖2為本發(fā)明的紅外全景照明取景裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2中，7為照明全景反射器，8為上支撐支架，9為近紅外LED光源，10 為連接支架，ll為取景全景反射器，12為下支撐支架，13為鏡頭，14為濾光 片，15為近紅外攝像機。
圖3為5個具有不同編碼格式的參照物平面示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步描述。 本發(fā)明設(shè)計的全天候運行的移動機器人定位系統(tǒng)由近紅外全景照明取景裝 置及具有特征編碼格式的參照物組成，如圖1所示，近紅外全景照明取景裝置l 安裝在機器人2的頂部，以便觀察四周情況。若干個具有特征編碼格式的參照 物3分布于機器人行駛的道路4兩側(cè)。近紅外全景照明取景裝置1發(fā)射的近紅 外光線5照射在參照物3上，經(jīng)參照物3反射后的近紅外光線6回射到近紅外 全景照明取景裝置1的攝像機中成像，通過識別、提取不同參照物3的的特征 編碼信息，運用三角定位原理，確定移動機器人位姿，完成機器人自定位。
本發(fā)明所述的近紅外全景照明取景裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括近紅外全景照 明和近紅外全景取景兩部分，其中
近紅外全景照明部分由照明全景反射器7、 LED近紅外發(fā)光源9、上支撐支 架8等三部分組成，其中照明全景反射器7為錐面的反射鏡面，LED近紅外發(fā)光 源9由供電電源、可發(fā)射近紅外光的LED陣列及LED控制電路組成。LED陣列發(fā) 射出的光源經(jīng)全景反射器反射之后發(fā)散在系統(tǒng)周圍360度的全范圍之內(nèi)，其中 必有光線照射到具有黑白顏色特征編碼的參照物上。上支撐支架8用于將照明 全景反射器7與LED近紅外發(fā)光源9固定。
近紅外全景取景部分利用連接支架10安裝于近紅外全景照明部分的正下 方，由取景全景反射器11、近紅外攝像機15通過下支撐支架12固定連接而成。 取景全景反射器11為雙曲面的反射鏡面，在攝像機15的鏡頭13上安裝濾光片 14。近紅外全景照明部分發(fā)射的光線經(jīng)具有黑白顏色特征編碼的參照物反射后 在近紅外攝像機中成像。
本發(fā)明中，所述具有特征編碼格式的參照物3為圓柱形，由反射光材料與不 反射光材料間隔環(huán)繞而成，兩種材料的間隔排列方式構(gòu)成黑白特征的編碼格式。 圖3給出了 5個具有不同編碼格式的參照物平面示意圖，其中白色部分為 具有反射作用的熒光材料，黑色部分為吸收、不反射光的材料。參照物的尺寸 根據(jù)具體使用范圍、距離而定當范圍較大、距離較遠時，參照物在全景視覺 取景部分成像將變小，此時需使用較大尺寸的參照物；當范圍較小、距離較近 時，參照物在全景視覺取景部分成像將變大，此時可使用較小尺寸的參照物。 因此，本發(fā)明并未對參照物的尺寸做嚴格限定。
本發(fā)明利用若干個近紅外發(fā)光二極管(LED)做成的LED陣列作為照明光源， 采用機器人的直流電源為光源供電，由于采用了主動照明的方式，使定位系統(tǒng) 不受天氣、光照的影響，在全天候情況下均可運行。本發(fā)明將全景取景視覺部 分與全景近紅外照明部分固定在一起，并且安裝于移動機器人上，具有不同的 黑白顏色特征編碼的參照物根據(jù)需要分散固定放置在環(huán)境的周圍，放置的距離 根據(jù)具體使用需要而定，放置之后需要對其所放位置進行精確測量，全景近紅 外照明部分發(fā)射近紅外光線照射在參照物上，其反射光線回射到全景視覺取景 部分，在其攝像機中成像，由于攝像機內(nèi)加入了濾光片，這樣只有參照物編碼 的白色部分反射的光線才能在攝像機中成像，因此攝像機的成像可以識別出具 有不同編碼格式的參照物所在位置，根據(jù)三角定位原理，結(jié)合之前測量的參照 物擺放位置，便可得到機器人所處位置。
權(quán)利要求
1、一種全天候運行的移動機器人定位系統(tǒng)，其特征在于由近紅外全景照明取景裝置(1)及具有特征編碼格式的參照物(3)組成，其中，近紅外全景照明取景裝置(1)安裝在機器人(2)的頂部，若干個具有特征編碼格式的參照物(3)分布于機器人行駛的道路(4)兩側(cè)；近紅外全景照明取景裝置(1)發(fā)射的近紅外光線(5)照射在具有特征編碼格式的參照物(3)上，經(jīng)參照物(3)反射后的近紅外光線(6)回射到近紅外全景照明取景裝置(1)的攝像機中成像，通過識別、提取不同參照物(3)的特征編碼信息，運用三角定位原理確定移動機器人位姿，完成機器人自定位。
2、根據(jù)權(quán)利要求1的全天候運行的移動機器人定位系統(tǒng)，其特征在于所述 近紅外全景照明取景裝置包括近紅外全景照明和近紅外全景取景兩部分；近紅 外全景照明部分由照明全景反射器(7)、 LED近紅外發(fā)光源(9)通過上支撐支 架(8)固定連接而成，其中照明全景反射器(7)為錐面的反射鏡面，LED近紅 外發(fā)光源(9)由供電電源、可發(fā)射近紅外光的LED陣列及LED控制電路組成； 近紅外全景取景部分利用連接支架(10)安裝于近紅外全景照明部分的正下方， 由取景全景反射器(11)、近紅外攝像機(15)通過下支撐支架(12)固定連接 而成，取景全景反射器(11)為雙曲面的反射鏡面，在近紅外攝像機(15)的 鏡頭(13)上安裝濾光片(14)。
3、根據(jù)權(quán)利要求1的全天候運行的移動機器人定位系統(tǒng)，其特征在于所述 具有特征編碼格式的參照物(3)為圓柱形，由反射光材料與不反射光材料間隔 環(huán)繞而成，兩種材料的間隔排列方式構(gòu)成黑白特征的編碼格式。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種全天候運行的移動機器人定位系統(tǒng)，由近紅外全景照明取景裝置及具有特征編碼格式的參照物組成，其中，近紅外全景照明取景裝置安裝在機器人的頂部，若干個具有特征編碼格式的參照物分布于機器人行駛的道路兩側(cè)；近紅外全景照明取景裝置發(fā)射近紅外光線照射在參照物上，其反射光線回射到近紅外全景照明取景裝置的攝像機中成像，通過識別、提取不同參照物的特征編碼信息，運用三角定位原理，確定移動機器人位姿完成其自定位。本發(fā)明中近紅外光照明、取景均采用全景視覺的原理，可照明、取景360度全方位的范圍，可在全天候、室內(nèi)外的情況下運行。
文檔編號G01S17/00GK101354441SQ20081004279
公開日2009年1月28日 申請日期2008年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月11日
發(fā)明者王景川, 陳衛(wèi)東 申請人:上海交通大學