CN102798373A - 用于机器人平台的压缩红外方位测量系统及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是提供一种节省能量、结构简单、适用范围广的用于机器人平台的压缩红外方位测量系统，包括测量人体运动目标的检测元件和方位测量对照表，检测元件为结合菲涅耳透镜的热释电红外传感器，检测元件经过掩膜处理后对人体运动目标测量，方位测量对照表记录有检测元件输出的电平值与目标方位角测量值的一一对应关系，可以将检测元件输出的电平值转化为目标的方位角。其实现方法为：确定结合菲涅耳透镜的热释电红外传感器的数量；将机器人视场分为可见部分和不可见部分；设计方位测量对照表，将热释电红外传感器输出的电平值和目标的方位角一一对应；检测元件测量人体运动目标方位，输出电平值；查方位测量对照表，得到目标方位角。
Description
技术领域
本发明涉及机器人感知领域，具体涉及机器人对人体目标的动作发生的方位信息的感知。
背景技术
目标定位是人机交互中重要且富有挑战性的问题。方位测量以其轻量级、灵活的优点在目标定位与跟踪等领域中得到了广泛应用。对于人体运动目标方位测量而言，已有的基于激光，超声传感器的方位测量方法无法区分运动人体与障碍物，且所采用的主动式方位测量方法需要不间断的主动测量才能实现对目标的实时方位测量，因此存在能量的过度消耗。基于计算机视觉的方位测量需要利用计算复杂度高的算法从冗余的海量图像数据中提取方位信息，并且这些算法对光照、背景的变化极为敏感。移动机器人平台存在固有的资源限制，因此有必要探索新的适用于移动机器人平台的被动式轻量级人体运动目标方位测量系统。
发明内容
本发明提供了一种节省能量、结构简单、成本低廉、适用范围广、能区分人体运动目标与一般障碍物的用于机器人平台的压缩红外方位测量系统及其实现方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种用于机器人平台的压缩红外方位测量系统，包括测量人体运动目标的检测元件和方位测量对照表，所述检测元件为结合菲涅耳透镜的热释电红外传感器，检测元件经过掩膜处理后对人体运动目标测量，所述方位测量对照表记录有检测元件输出的电平值与目标方位角测量值的一一对应关系，可以将检测元件输出的电平值转化为目标的方位角。
其中所述检测元件输出的电平值为高电平和低电平两种，检测到人体运动目标则输出高电平，未检测到人体运动目标则输出低电平。
所述检测元件有多个。
所述多个检测元件经掩膜调制，将机器人视场分为可见部分和不可见部分。
所述人体运动目标根据掩膜设计的不同可以为一个或多个，但目标数小于或等于检测元件的数目。
同时，本发明还提供一种用于机器人平台的压缩红外方位测量系统的实现方法，包括以下步骤：
步骤1、根据方位测量要求，确定结合菲涅耳透镜的热释电红外传感器，即检测元件的数量；
步骤2、根据待检测人体运动目标的数目设计掩膜，将机器人视场分为可见部分和不可见部分；
步骤3、设计方位测量对照表，将检测元件输出的电平值和目标的方位角一一对应；
步骤4、检测元件对人体运动目标进行测量，输出电平值；
步骤5、查方位测量对照表，得到目标方位角。
进一步地，所述检测元件的数量小于或等于人体运动目标方位角数量。
进一步地，所述检测元件输出的电平值为高电平和低电平两种，检测到人体运动目标则输出高电平，未检测到人体运动目标则输出低电平。
进一步地，所述方法根据掩膜设计的不同可以检测一个或多个人体运动目标，但目标数目需小于或等于检测元件的数目。
进一步地，所述掩膜为涂有黑色油漆的不锈钢或其它可屏蔽人体热辐射的材料制成。
与现有技术相比，有益效果是：
1. 本发明可以敏感检测人体运动引起的红外辐射变化，即可以直接区分人体运动目标与一般障碍物；
2. 本发明中热释电红外传感器是感知红外辐射变化的被动检测元件，其被动感知方式相对于传统的主动测量方式可以节省能量；
3. 本发明选用的热释电红外传感器不受光照条件变化、背景变化的影响，增加了适用范围；
4. 本发明通过压缩感知方式提高了感知效率，可利用较少的检测元件数目实现人体运动目标的方位角测量，即检测元件数目可小于目标方位角数目；
5. 本发明通过查表的方式即可实现人体运动目标的方位测量，属于轻量级的方位测量系统，不存在对计算资源的过度索取；
6. 本发明成本低且设计灵活。
附图说明
图1是机器人视场区域划分示意图；
图2是热释电红外传感器掩膜调制示意图；
图3是压缩红外方位测量系统示意图；
图4是单目标方位测量的掩膜设计示意图；
图5是多目标方位测量的掩膜设计示意图；
其中：1，机器人；2，单区域；3，双区域；4，机器人视场；5，热释电红外传感器；6，菲涅耳透镜；7，掩膜；8，多个热释电红外传感器；9，多个热释电红外传感器的顶视图；10，多个热释电红外传感器的侧视图。
具体实施方式
热释电传感器又称人体红外传感器，被广泛应用于防盗报警、来客告知及非接触开关等红外领域。压电陶瓷类电介质在电极化后能保持极化状态， 称为自发极化。自发极化随温度升高而减小，在居里点温度降为零。因此，当这种材料受到红外辐射而温度升高时， 表面电荷将减少，相当于释放了一部分电荷，故称为热释电。将释放的电荷经放大器可转换为电压输出。这就是热释电传感器的工作原理。当辐射继续作用于热释电元件，使其表面电荷达到平衡时，便不再释放电荷。
本发明包括测量人体运动目标的检测元件和方位测量对照表，所述检测元件为结合菲涅耳透镜的热释电红外传感器，检测元件经过掩膜处理后测量目标，所述方位测量对照表记录有检测元件输出的电平值与目标方位角测量值的一一对应关系，将检测元件输出的电平值转化为目标的方位角。其实现方法为：
步骤1、根据方位测量要求，确定结合菲涅耳透镜的热释电红外传感器，即检测元件的数量；
步骤2、根据待检测目标的数目设计掩膜，将机器人视场分为可见部分和不可见部分；
步骤3、设计方位测量对照表，将检测元件输出的电平值和目标的方位角一一对应；
步骤4、检测元件测量目标方位，输出电平值；
步骤5、查方位测量对照表，得到目标方位角。
下面结合具体测量实例做详细说明。
如图1所示，对机器人前方视野平均剖分为l个扇形子视野，用s1…,s l 表示对应的扇形子视野。设机器人的视野角为θF, 则每个扇形子视野对应的角度为θ=θF/l, 对应子视野的角平分线的方位角为φ1,…,φ l 。如果目标出现在子视野s i 内，则规定目标的方位角测量为φ i 。事实上由于目标体积的原因，目标可能同时出现在多个相邻子视野内，设定目标最多同时出现在两个相邻的子视野s i s i+1内，此时规定目标的方位角测量为(φ i +φ i+1)/2=φ i +θ/2。因此目标的方位测量转化为目标出现在哪个扇形子视野内的检测问题，一旦获得目标所在的扇形子视野，则可以根据如下公式获得目标的方位角。
如图2所示，压缩红外方位测量系统利用结合菲涅耳透镜的热释电红外传感器作为检测元件。热释电红外传感器结合菲涅耳透镜可以敏感地检测因人体运动而引起的红外辐射变化，且对环境变化不敏感。因此热释电红外传感器可以直接实现对运动人体的检测。本发明考虑检测元件的二值输出，即检测到运动的人体即输出高电平‘1’，否则输出低电平‘0’（对静止的人体输出低电平‘0’）。菲涅耳透镜的另一个功能是调制热释电红外传感器的视场。如图2所示，根据图1对机器人视场的剖分，对菲涅耳透镜的视场做同样的剖分，即将菲涅耳透镜视场均匀剖分为l个子区域，与机器人扇形子视野s1,…,s l 对应。菲涅耳透镜的视场调制功能是通过掩膜实现的，其中掩膜是一种可以阻挡人体红外热辐射传播的材料，在本发明中使用涂有黑色油漆的不锈钢作为制作掩膜的材料，但实际中亦可灵活选取其它可阻挡人体红外热辐射传播的材料。如果设计扇形子视野s i 对传感器不可见，则在菲涅耳透镜对应的子区域附上掩膜。如果设计扇形子视野s i 对传感器可见，则菲涅耳透镜对应的子区域镂空（无掩膜）。图2给出了传感器对扇形子视野s1, s2, s3, s5, s l 不可见时，对应掩膜的设计。经由掩膜对视场的调制，热释电红外传感器只能对可见的扇形视野内的运动人体进行检测。如果传感器输出为高电平‘1’，则说明必定存在运动人体在对其可见的扇形子视野内。
如图3所示，压缩红外方位测量系统包含d个热释电红外传感器，其中每个热释电红外传感器的视场都经由掩膜结合菲涅耳透镜调制。通过组合这d个经过视场调制的热释电传感器实现对运动人体所在扇形子视野的检测，进而根据测量步骤实现对人体运动目标的方位测量。当人体运动目标出现在压缩红外方位测量系统（或机器人）的视场内，目标运动引起的红外辐射变化必然会触发对其可见的热释电红外传感器。根据系统中d个热释电红外传感器的输出状态，我们可以计算出目标所在的扇形子视野。因此热释电红外传感器的视场调制，即掩膜的设计决定着是否可以实现确定目标所处的扇形子视野。
设扇形子视野s i , i=1,…,l对d个传感器的可见性为v i =[v-i1,v i2,…,v id ]，其中v ij 表示第i个扇形子视野s i 对第j个传感器的可见性，如果掩膜遮挡了扇形子视野s i 中红外辐射传播到第j个传感器，则第j个热释电红外传感器不能检测到扇形子视野s i 中是否存在运动目标，则v ij =0；如果扇形子视野s i 未被掩膜遮挡，则热释电红外传感器可以敏感地检测扇形子视野s i 是否存在运动目标，则v ij =1。因此掩膜的设计即为可见性向量v1,…,v l 的设计，使得能够实现由检测元件的输出状态唯一确定目标所在扇形子视野。
因为当运动目标处于扇形子视野s i 中，对扇形子视野s i 可见的传感器（v ij =1）输出1，而对其不可见的传感器（v ij =0）输出0，因此d个传感器的输出与可见性向量v i 相同。当运动目标处于扇形子视野s i , i=1,…,l时，d个传感器被触发的状态即为v i 。由于目标体积原因，当目标处于相邻2个子视野s i s i+1时候，d个传感器触发状态为v i |v i+1（‘|’表示两个向量中元素的按位或操作）。为了能根据传感器输出状态确定运动目标所处扇形子视野，则要求目标在不同扇形子视野时触发传感器的输出状态唯一，即要求v1, …, v l , v1|v2, …, v l-1|v l 都必须不同。此时根据传感器输出可唯一确定目标所在扇形子视野。
图4给出了实现对机器人视野内单目标方位测量的掩膜设计（可见性向量设计），其中d表示压缩红外方位测量系统中热释电红外传感器的数目。其中纵坐标表示对应的传感器序号，横坐标表示对应扇形子视野的序号，其中黑色表示存在掩膜遮挡，白色表示不存在掩膜遮挡。实际设计中根据对机器人扇形子视野的剖分数目l选择对应传感器的数目，并根据图4设计相应的掩膜即可实现对运动目标方位测量。由于传感器的输出与目标所在扇形子视野是一一对应的，因此可以建立传感器输出与目标所在扇形子视野的对照表。根据传感器的输出即可查表获得目标所在扇形子视野，进而根据测量步骤获得目标对应的方位。需要指出的是，实现测量方位的数目可以远大于所需要传感器的数目。换句话说，压缩红外方位测量系统能够实现利用远少于方位数目的传感器实现对运动目标的方位测量。
假设机器的视野角为8π/9，被均匀分剖分为8个子视野s1,…,s8, 对应的扇形子视野角为π/9. 利用四个热释电红外传感器实现对机器人8个子视野内单目标方位测量的掩膜设计，其中掩膜是按照图4设计的。由掩膜的设计，可得到传感器输出与目标所在扇形子视野以及对应方位测量的对应表，即表1。因此根据传感器的输出，通过查表1即可知道目标所在的扇形子视野，以及对应的方位角。显然利用4个传感器最多可以实现对15个方位的测量。
表1传感器输出与目标所在扇形子视野以及方位测量对照表
对于机器人视野内存在多个目标的情况，设计掩膜使得每个传感器都只对唯一一个扇形子视野可见。图5给出了实现对机器人视野内多目标方位测量的掩膜设计，其中d表示压缩红外方位测量系统中热释电红外传感器的数目，l表示对机器人视野的剖分数目。其中纵坐标表示对应的传感器序号，横坐标表示对应扇形子视野的序号，其中黑色表示存在掩膜遮挡，白色表示不存在掩膜遮挡。此时，传感器的输出状态与目标所在扇形子视野一一对应，同样可以建立传感器输出与目标所在扇形子视野的对照表。需要指出的是，利用d个传感器最多可以实现对2 d -1个方位进行测量。
Claims (10)
1.一种用于机器人平台的压缩红外方位测量系统，包括测量人体运动目标的检测元件和方位测量对照表，其特征在于，所述检测元件为结合菲涅耳透镜的热释电红外传感器，检测元件经过掩膜处理后对人体运动目标测量，所述方位测量对照表记录有检测元件输出的电平值与目标方位角测量值的一一对应关系，可以将检测元件输出的电平值转化为目标的方位角。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述检测元件输出的电平值为高电平和低电平两种：检测到人体运动目标则输出高电平，未检测到人体运动目标则输出低电平。
3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述检测元件有多个。
4.根据权利要求3所述的测量系统，其特征在于，所述多个检测元件经掩膜调制，将机器人视场分为可见部分和不可见部分。
5.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述人体运动目标数目小于或等于检测元件的数目。
6.根据权利要求1-5任意一项的一种用于机器人平台的压缩红外方位测量系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据方位测量要求，确定结合菲涅耳透镜的热释电红外传感器,即检测元件的数量；
步骤2、根据待检测人体运动目标的数目设计掩膜，将机器人视场分为可见部分和不可见部分；
步骤3、设计方位测量对照表，将检测元件输出的电平值和目标的方位角一一对应；
步骤4、检测元件对人体运动目标进行测量，输出电平值；
步骤5、查方位测量对照表，得到目标方位角。
7.根据权利要求6所述的实现方法，其特征在于，所述热释电红外传感器的数量小于或等于目标方位角数量。
8.根据权利要求6所述的实现方法，其特征在于，所述检测元件输出的电平值为高电平和低电平两种，检测到人体运动目标则输出高电平，未检测到人体运动目标则输出低电平。
9.根据权利要求6所述的实现方法，其特征在于，所述人体运动目标数目需小于或等于检测元件的数目。
10.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述掩膜为涂有黑色油漆的不锈钢或其它可屏蔽人体热辐射的材料制成。
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