CN103170980B - 一种家用服务机器人的定位系统及定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种家用服务机器人的定位系统及定位方法，在一个区域内安装至少三个红外发射器，家用服务机器人通过自身的中央控制器，红外感应坐标定位模块、双目视觉定位模块、声纳辅助定位模块和红外探测器进行行进作业且在进行作业中能自动避障。本发明中设置的红外发射器越多其测量定位精度越高。本发明有利于家用服务机器人的推广使用，提高了机器人定位性能。<!--1-->
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人领域，特别涉及一种家用服务机器人的定位系统及定位方法。
背景技术
机器人是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作。现在国际上对机器人的研究发展十分迅速，其中机器人定位系统作为众多机器人技术中非常重要关键技术，可以说一个优秀的定位系统是家庭服务机器人真正的“大脑”，它的运作情况将极大的影响机器人为人类服务的服务质量。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种家用服务机器人的定位系统，该定位系统结合几种定位方式进行智能定位，定位精度高，使用效果好。
实现本发明第一个目的的技术方案是：本发明包括中央控制器，红外感应坐标定位模块、双目视觉定位模块、声纳辅助定位模块和红外探测器；所述红外感应坐标定位模块包括在一个区域内由至少三个红外发射器组成的红外发射器网络和安装在家用服务机器人的八个方向上的红外感应器；所述双目视觉定位模块包括第一摄像机、第二摄像机和特征识别模块；所述第一摄像机和第二摄像机在同一平面上，且光轴相互平行，朝向相同，相对位置固定不变；所述声纳辅助定位模块包括具有声纳发射器和声纳接收器的超声波传感器；所述红外探测器包括红外发射器和红外接收器；所述红外感应坐标定位模块、双目视觉定位模块、声纳辅助定位模块和红外探测器均与中央控制器连接。
上述超声波传感器安装在家用服务机器人的正面、背面以及两个侧面；所述红外探测器安装在家用服务器机器人的八个方向上。
本发明的第二个目的是提供一种家用服务机器人的定位方法，该定位方法将几种定位方法结合使用，使其定位方法更加智能化，使用效果更好。
实现本发明第二个目的的技术方案是：本发明包括以下步骤：
Ⅰ、依据CAD制作户型图，建立平面的二维基础坐标系，其户型图可以修改后再导入系统，不限制用户使用的户型图个数，并允许用户储存多个户型图，但是家用服务机器人在当前工作状态下只允许使用其中一个户型图；
Ⅱ、在家中每个区域内安装至少三个红外发射器，每个红外发射器都有一个明确的唯一识别ID，其标识通过编程的方法经由红外发射器的红外信号发射出去；
Ⅲ、启动家用服务机器人，加载户型图后，家用服务机器人通过红外感应坐标定位模块和双目视觉定位模块来定位当前的位置坐标；
Ⅳ、家用服务机器人确定完当前位置坐标后，根据需要通过红外感应坐标定位模块和双目视觉定位模块进行相应的行进作业，通过声纳辅助定位模块和红外探测器保证家用服务机器人在进行作业的过程中能进行避障。
上述步骤Ⅲ中确定当前的位置坐标的步骤如下：
1）系统初始化，检测机器是否正常，若不正常则显示系统错误；若正常则通过红外感应坐标定位模块判断是否感应到红外发射器发出的红外信号，若感应到红外信号，则判断是否存在三个红外信号，若感应到三个红外信号则计算出当前的位置坐标，若只感应到两个红外信号则通过双目视觉定位模块找到一个户型特征点并计算出当前的位置坐标；若只感应到一个红外信号则通过双目视觉定位模块找到两个户型特征点并计算出当前的位置坐标；
2）若红外感应坐标定位模块感应不到红外信号，则检测双目视觉定位模块是否正常，若不正常则显示系统错误，若正常则提示无红外坐标感应阵列，通过上下左右转动调整双目视觉定位模块的位置找出三个户型特征并计算出当前的位置坐标。
上述步骤Ⅳ中家用服务机器人的避障的具体步骤如下：
一、行进的同时，声纳辅助定位模块和红外探测器都处于工作状态；
二、利用声纳辅助定位模块进行超声波测距，利用红外探测器进行红外测距，确定前方有效距离，若没有小于安全距离则继续行进，若小于安全距离则停止行进并记录当前位置；
三、当因小于安全距离而停止行进时，判断是否已经变换方向，若变换了方向，则记录该变换方向并变换方向，然后重复步骤二；若没有变换方向，则变换方向并重复步骤二。
上述步骤Ⅳ中家用服务机器人的行进作业和避障的具体步骤如下：
（一）、通过红外感应坐标定位模块确定家庭服务机器人当前的位置坐标；
（二）、确定目标，该目标为有确定坐标位置的目标，或者是在家中且处在家庭服务机器人视觉可以识别的地方；
（三）、计算行进路线，通过红外感应坐标定位模块和双目视觉定位模块进行实时计算行进路线，并在行进过程中结合使用声纳辅助定位模块和红外探测器进行避障行进。
上述红外感应坐标定位模块的定位方法如下：
a、依据CAD制作户型图，建立平面的二维基础坐标系，其户型图可以修改后再导入系统，不限制用户使用的户型图个数，并允许用户储存多个户型图，但是家用服务机器人在当前工作状态下只允许使用其中一个户型图；
b、在家中每个区域内安装至少三个红外发射器，每个红外发射器都有一个明确的唯一识别ID，其标识通过编程的方法经由红外发射器的红外信号发射出去；家用服务机器人的八个方向上都安装上用于接收红外发射器发出的红外信号的红外感应器，通过红外感应器获取各个方向上红外发射器的ID，从而获得各个方向上红外发射器的位置坐标；
c、根据感应到的三个红外发射器的坐标计算出家用服务机器人的当前位置坐标，并通过分析每个红外感应器接收到的红外发射器的坐标确定当前家用服务机器人面朝的前进方向，其中计算当前位置坐标的具体方法为：
A、家用服务机器人移动中测量三个红外发射器的下行导频信号，通过测量接受功率Pr(d)，以及根据以下弗里斯自由空间方程式，来计算红外发射器与红外感应器之间的距离d：
其中：
Pt为红外发射器的发射功率；
Pr(d)为接收功率；
Gt为红外发射器天线的接收增益；
Gr为红外感应器天线的接收增益；
λ为波长；
d是红外发射器和红外感应器之间的距离；
B、通过以上弗里斯自由空间方程式可以计算出红外发射器T1与家用服务机器人之间的距离d1，红外发射器T2与家用服务机器人之间的距离d2,红外发射器T3与家用服务机器人之间的距离d3；
C、根据计算出的d1、d2、d3和三角公式计算出机器人当前所在位置坐标。
上述双目视觉定位模块的定位计算方法如下：
a）首先定义一个世界坐标系，将第一摄像机所在位置F1和第二摄像机所在位置F2连线的中点作为世界坐标系的原点，以第一摄像机和第二摄像机连线的右方向为x轴正方向，以过原点且垂直于水平面向上为y轴正方向，以过原点且平行于水平面指向物体的方向为z轴正方向，z轴与摄像头光轴平行；
b）对于物体上的一个特征点P，其在xoz平面上的投影为P’，通过平面图像确定角度的原理，可获知在xoz平面上P’F1连线与第一摄像机的光轴的夹角a，P’F2连线与第二摄像机的光轴的夹角b，从而确定三角形F1F2P’的三条边的长度和三个角的角度；根据已知的第一摄像机和第二摄像机的间距F1F2，可得出P’P”、OP”，即得出特征点P的z轴坐标和x轴坐标；同理根据特征点P在yoz平面上的投影可以求得特征点P的y轴坐标，从而实现定位；其中平面图像确定角度的原理为：对目标上的一点D进行采样后的图像上的对应像素为D’，可知在射线D’D上的所有点被采样成像后都对应点D’，射线D’D上的每个点和摄像机所在点F之间的连线与摄像头光轴FO的夹角都可以用角D’FO表示；采样图像上的像素的位置表明了该像素对应的射线相对于摄像头光轴FO的夹角大小；由此可根据采样图像上的点的位置确定其代表的实际的点和摄像机所在点F之间的连线与摄像机光轴FO的角度。
本发明具有积极的效果：（1）本发明可以适用于不同的户型中，有利于机器人的推广使用；（2）本发明定位性能好，定位精度高。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中系统初始化的工作流程图；
图3为本发明中避障行进作业的工作流程图；
图4为本发明中避障的工作流程图；
图5为本发明中红外感应坐标定位模块的场强定位示意图；
图6为本发明中平面图像确定角度原理图；
图7为本发明中双面视觉定位模块的原理图。
具体实施方式
见图1至图7，本发明涉及的定位系统包括中央控制器1，红外感应坐标定位模块2、双目视觉定位模块3、声纳辅助定位模块4和红外探测器5；所述红外感应坐标定位模块2包括在一个区域内由至少三个红外发射器211组成的红外发射器网络21和安装在家用服务机器人的八个方向上的红外感应器22；所述双目视觉定位模块3包括第一摄像机31、第二摄像机32和特征识别模块33；所述第一摄像机31和第二摄像机32在同一平面上，且光轴相互平行，朝向相同，相对位置固定不变；所述声纳辅助定位模块4包括具有声纳发射器411和声纳接收器412的超声波传感器41；所述红外探测器5包括红外发射器51和红外接收器52；所述红外感应坐标定位模块2、双目视觉定位模块3、声纳辅助定位模块4和红外探测器5均与中央控制器1连接；所述超声波传感器41安装在家用服务机器人的正面、背面以及两个侧面；所述红外探测器5安装在家用服务器机器人的八个方向上。
本发明涉及的定位系统的定位方法，包括以下步骤：
Ⅰ、依据CAD制作户型图，建立平面的二维基础坐标系，其户型图可以修改后再导入系统，不限制用户使用的户型图个数，并允许用户储存多个户型图，但是家用服务机器人在当前工作状态下只允许使用其中一个户型图；
Ⅱ、在家中每个区域内安装至少三个红外发射器211，每个红外发射器211都有一个明确的唯一识别ID，其标识通过编程的方法经由红外发射器211的红外信号发射出去；
Ⅲ、启动家用服务机器人，加载户型图后，家用服务机器人通过红外感应坐标定位模块2和双目视觉定位模块3来定位当前的位置坐标；
Ⅳ、家用服务机器人确定完当前位置坐标后，根据需要通过红外感应坐标定位模块2和双目视觉定位模块3进行相应的行进作业，通过声纳辅助定位模块4和红外探测器5保证家用服务机器人在进行作业的过程中能进行避障。
上述步骤Ⅲ中确定当前的位置坐标的步骤如下：
1）系统初始化，检测机器是否正常，若不正常则显示系统错误；若正常则通过红外感应坐标定位模块2判断是否感应到红外发射器211发出的红外信号，若感应到红外信号，则判断是否存在三个红外信号，若感应到三个红外信号则计算出当前的位置坐标，若只感应到两个红外信号则通过双目视觉定位模块3找到一个户型特征点并计算出当前的位置坐标；若只感应到一个红外信号则通过双目视觉定位模块3找到两个户型特征点并计算出当前的位置坐标；
2）若红外感应坐标定位模块2感应不到红外信号，则检测双目视觉定位模块3是否正常，若不正常则显示系统错误，若正常则提示无红外坐标感应阵列，通过上下左右转动调整双目视觉定位模块3的位置找出三个户型特征并计算出当前的位置坐标。
上述步骤Ⅳ中家用服务机器人的避障的具体步骤如下：
一、行进的同时，声纳辅助定位模块4和红外探测器5都处于工作状态；
二、利用声纳辅助定位模块4进行超声波测距，利用红外探测器5进行红外测距，确定前方有效距离，若没有小于安全距离则继续行进，若小于安全距离则停止行进并记录当前位置；
三、当因小于安全距离而停止行进时，判断是否已经变换方向，若变换了方向，则记录该变换方向并变换方向，然后重复步骤二；若没有变换方向，则变换方向并重复步骤二。
上述步骤Ⅳ中家用服务机器人的行进作业和避障的具体步骤如下：
（一）、通过红外感应坐标定位模块2确定家庭服务机器人当前的位置坐标；
（二）、确定目标，该目标为有确定坐标位置的目标，或者是在家中且处在家庭服务机器人视觉可以识别的地方；
（三）、计算行进路线，通过红外感应坐标定位模块2和双目视觉定位模块3进行实时计算行进路线，并在行进过程中结合使用声纳辅助定位模块4和红外探测器5进行避障行进。
上述红外感应坐标定位模块2的定位方法如下：
a、依据CAD制作户型图，建立平面的二维基础坐标系，其户型图可以修改后再导入系统，不限制用户使用的户型图个数，并允许用户储存多个户型图，但是家用服务机器人在当前工作状态下只允许使用其中一个户型图；
b、在家中每个区域内安装至少三个红外发射器211，每个红外发射器211都有一个明确的唯一识别ID，其标识通过编程的方法经由红外发射器211的红外信号发射出去；家用服务机器人的八个方向上都安装上用于接收红外发射器211发出的红外信号的红外感应器22，通过红外感应器22获取各个方向上红外发射器211的ID，从而获得各个方向上红外发射器211的位置坐标；
c、根据感应到的三个红外发射器211的坐标计算出家用服务机器人的当前位置坐标，并通过分析每个红外感应器22接收到的红外发射器211的坐标确定当前家用服务机器人面朝的前进方向，其中计算当前位置坐标的具体方法为：
A、家用服务机器人移动中测量三个红外发射器211的下行导频信号，通过测量接受功率Pr(d)，以及根据以下弗里斯自由空间方程式，来计算红外发射器211与红外感应器22之间的距离d：
其中：
Pt为红外发射器211的发射功率；
Pr(d)为接收功率；
Gt为红外发射器211天线的接收增益；
Gr为红外感应器22天线的接收增益；
λ为波长；
d是红外发射器211和红外感应器22之间的距离；
B、通过以上弗里斯自由空间方程式可以计算出红外发射器T1与家用服务机器人之间的距离d1，红外发射器T2与家用服务机器人之间的距离d2,红外发射器T3与家用服务机器人之间的距离d3；
C、根据计算出的d1、d2、d3和三角公式计算出机器人当前所在位置坐标。
上述双目视觉定位模块3的定位计算方法如下：
a）首先定义一个世界坐标系，将第一摄像机31所在位置F1和第二摄像机32所在位置F2连线的中点作为世界坐标系的原点，以第一摄像机31和第二摄像机32连线的右方向为x轴正方向，以过原点且垂直于水平面向上为y轴正方向，以过原点且平行于水平面指向物体的方向为z轴正方向，z轴与摄像头光轴平行；
b）对于物体上的一个特征点P，其在xoz平面上的投影为P’，通过平面图像确定角度的原理，可获知在xoz平面上P’F1连线与第一摄像机31的光轴的夹角a，P’F2连线与第二摄像机32的光轴的夹角b，从而确定三角形F1F2P’的三条边的长度和三个角的角度；根据已知的第一摄像机31和第二摄像机32的间距F1F2，可得出P’P”、OP”，即得出特征点P的z轴坐标和x轴坐标；同理根据特征点P在yoz平面上的投影可以求得特征点P的y轴坐标，从而实现定位；其中平面图像确定角度的原理为：对目标上的一点D进行采样后的图像上的对应像素为D’，可知在射线D’D上的所有点被采样成像后都对应点D’，射线D’D上的每个点和摄像机所在点F之间的连线与摄像头光轴FO的夹角都可以用角D’FO表示；采样图像上的像素的位置表明了该像素对应的射线相对于摄像头光轴FO的夹角大小；由此可根据采样图像上的点的位置确定其代表的实际的点和摄像机所在点F之间的连线与摄像机光轴FO的角度。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种家用服务机器人的定位方法，其特征在于包括以下步骤：
Ⅰ、依据CAD制作户型图，建立平面的二维基础坐标系，其户型图可以修改后再导入系统，不限制用户使用的户型图个数，并允许用户储存多个户型图，但是家用服务机器人在当前工作状态下只允许使用其中一个户型图；
Ⅱ、在家中每个区域内安装至少三个红外发射器(211)，每个红外发射器(211)都有一个明确的唯一识别ID，其标识通过编程的方法经由红外发射器(211)的红外信号发射出去；
Ⅲ、启动家用服务机器人，加载户型图后，家用服务机器人通过红外感应坐标定位模块(2)和双目视觉定位模块(3)来定位当前的位置坐标；
Ⅳ、家用服务机器人确定完当前位置坐标后，根据需要通过红外感应坐标定位模块(2)和双目视觉定位模块(3)进行相应的行进作业，通过声纳辅助定位模块(4)和红外探测器(5)保证家用服务机器人在进行作业的过程中能进行避障。
2.根据权利要求1所述的一种家用服务机器人的定位方法，其特征在于：所述步骤Ⅲ中确定当前的位置坐标的步骤如下：
1)系统初始化，检测机器是否正常，若不正常则显示系统错误；若正常则通过红外感应坐标定位模块(2)判断是否感应到红外发射器(211)发出的红外信号，若感应到红外信号，则判断是否存在三个红外信号，若感应到三个红外信号则计算出当前的位置坐标，若只感应到两个红外信号则通过双目视觉定位模块(3)找到一个户型特征点并计算出当前的位置坐标；若只感应到一个红外信号则通过双目视觉定位模块(3)找到两个户型特征点并计算出当前的位置坐标；
2)若红外感应坐标定位模块(2)感应不到红外信号，则检测双目视觉定位模块(3)是否正常，若不正常则显示系统错误，若正常则提示无红外坐标感应阵列，通过上下左右转动调整双目视觉定位模块(3)的位置找出三个户型特征并计算出当前的位置坐标。
3.根据权利要求2所述的一种家用服务机器人的定位方法，其特征在于：所述步骤Ⅳ中家用服务机器人的避障的具体步骤如下：
一、行进的同时，声纳辅助定位模块(4)和红外探测器(5)都处于工作状态；
二、利用声纳辅助定位模块(4)进行超声波测距，利用红外探测器(5)进行红外测距，确定前方有效距离，若没有小于安全距离则继续行进，若小于安全距离则停止行进并记录当前位置；
三、当因小于安全距离而停止行进时，判断是否已经变换方向，若变换了方向，则记录该变换方向并变换方向，然后重复步骤二；若没有变换方向，则变换方向并重复步骤二。
4.根据权利要求3所述的一种家用服务机器人的定位方法，其特征在于：所述步骤Ⅳ中家用服务机器人的行进作业和避障的具体步骤如下：
(一)、通过红外感应坐标定位模块(2)确定家庭服务机器人当前的位置坐标；
(二)、确定目标，该目标为有确定坐标位置的目标，或者是在家中且处在家庭服务机器人视觉可以识别的地方；
(三)、计算行进路线，通过红外感应坐标定位模块(2)和双目视觉定位模块(3)进行实时计算行进路线，并在行进过程中结合使用声纳辅助定位模块(4)和红外探测器(5)进行避障行进。
5.根据权利要求4所述的一种家用服务机器人的定位方法，其特征在于：所述红外感应坐标定位模块(2)的定位方法如下：
a、依据CAD制作户型图，建立平面的二维基础坐标系，其户型图可以修改后再导入系统，不限制用户使用的户型图个数，并允许用户储存多个户型图，但是家用服务机器人在当前工作状态下只允许使用其中一个户型图；
b、在家中每个区域内安装至少三个红外发射器(211)，每个红外发射器(211)都有一个明确的唯一识别ID，其标识通过编程的方法经由红外发射器(211)的红外信号发射出去；家用服务机器人的八个方向上都安装上用于接收红外发射器(211)发出的红外信号的红外感应器(22)，通过红外感应器(22)获取各个方向上红外发射器(211)的ID，从而获得各个方向上红外发射器(211)的位置坐标；
c、根据感应到的三个红外发射器(211)的坐标计算出家用服务机器人的当前位置坐标，并通过分析每个红外感应器(22)接收到的红外发射器(211)的坐标确定当前家用服务机器人面朝的前进方向，其中计算当前位置坐标的具体方法为：
A、家用服务机器人移动中测量三个红外发射器(211)的下行导频信号，通过测量接受功率Pr(d)，以及根据以下弗里斯自由空间方程式，来计算红外发射器(211)与红外感应器(22)之间的距离d：
其中：
Pt为红外发射器(211)的发射功率；
Pr(d)为接收功率；
Gt为红外发射器(211)天线的接收增益；
Gr为红外感应器(22)天线的接收增益；
λ为波长；
d是红外发射器(211)和红外感应器(22)之间的距离；
B、通过以上弗里斯自由空间方程式可以计算出红外发射器(211)T1与家用服务机器人之间的距离d1，红外发射器(211)T2与家用服务机器人之间的距离d2,红外发射器(211)T3与家用服务机器人之间的距离d3；
C、根据计算出的d1、d2、d3和三角公式计算出机器人当前所在位置坐标。
6.根据权利要求5所述的一种家用服务机器人的定位方法，其特征在于：所述双目视觉定位模块(3)的定位计算方法如下：
a)首先定义一个世界坐标系，将第一摄像机(31)所在位置F1和第二摄像机(32)所在位置F2连线的中点作为世界坐标系的原点，以第一摄像机(31)和第二摄像机(32)连线的右方向为x轴正方向，以过原点且垂直于水平面向上为y轴正方向，以过原点且平行于水平面指向物体的方向为z轴正方向，z轴与摄像头光轴平行；
b)对于物体上的一个特征点P，其在xoz平面上的投影为P’，通过平面图像确定角度的原理，可获知在xoz平面上P’F1连线与第一摄像机(31)的光轴的夹角a，P’F2连线与第二摄像机(32)的光轴的夹角b，从而确定三角形F1F2P’的三条边的长度和三个角的角度；根据已知的第一摄像机(31)和第二摄像机(32)的间距F1F2，可得出P’P”、OP”，即得出特征点P的z轴坐标和x轴坐标；同理根据特征点P在yoz平面上的投影可以求得特征点P的y轴坐标，从而实现定位；其中平面图像确定角度的原理为：对目标上的一点D进行采样后的图像上的对应像素为D’，可知在射线D’D上的所有点被采样成像后都对应点D’，射线D’D上的每个点和摄像机所在点F之间的连线与摄像头光轴FO的夹角都可以用角D’FO表示；采样图像上的像素的位置表明了该像素对应的射线相对于摄像头光轴FO的夹角大小；由此可根据采样图像上的点的位置确定其代表的实际的点和摄像机所在点F之间的连线与摄像机光轴FO的角度。
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Address after: 213164 science and technology building, Harbin Science and Technology City, Changzhou, 801 middle Wu Road, Jiangsu, Changzhou Applicant after: Changzhou Science and Technology Co., Ltd. of Ming Sai robot Address before: 213164 science and technology building, Harbin Science and Technology City, Changzhou, 801 middle Wu Road, Jiangsu, Changzhou Applicant before: Changzhou Mingseal Robotic Technology Co., Ltd. |
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Denomination of invention: Positioning system and positioning method for household service robot Effective date of registration: 20170322 Granted publication date: 20160420 Pledgee: Jiangsu Jiangnan Rural Commercial Bank Limited by Share Ltd Pledgor: Changzhou Science and Technology Co., Ltd. of Ming Sai robot Registration number: 2017990000222 |
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Date of cancellation: 20180411 Granted publication date: 20160420 Pledgee: Jiangsu Jiangnan Rural Commercial Bank Limited by Share Ltd Pledgor: Changzhou Science and Technology Co., Ltd. of Ming Sai robot Registration number: 2017990000222 |
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