CN103868509B - 利用光电鼠标传感实现的二维运动定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及定位装置和方法，尤其涉及一种利用光电鼠标传感器实现的二维运动定位装置及方法，其中定位装置包括传感模块和信息处理模块，其特征在于，所述传感模块包括至少三个有高度差配置的光电鼠标传感单元。同时，本发明还涉及一种利用上述装置实现的二维运动定位方法。本发明基于在三个不同高度捕获的图像特征数进行动态标定，提高了装置对高度变化的适应能力。本发明装置有成本低、小型化、安装使用简单且性能稳定等特点，适用于室内外环境中移动设备的定位。

Description

利用光电鼠标传感实现的二维运动定位装置及方法

技术领域

本发明涉及用于移动设备的定位装置和方法，尤其涉及利用光电鼠标传感实现的二维运动定位装置及方法。

背景技术

目前越来越多的包括机器人在内的移动设备被广泛应用到生产和日常生活中，移动设备的定位是实现自主导航和运动控制的基础和关键，迫切需要精确高、成本低、稳定性好、使用方便的运动定位装置。根据检测原理的差异，现有比较成熟的定位技术主要包括：基于卫星信号的GPS定位技术、基于光电编码器的航迹推算方法和基于机器视觉的测量方法。但上述技术用于移动设备的定位均存在特定的局限性。

首先，基于卫星信号的GPS定位方法已广泛用于包括手机在内的移动设备定位。该定位技术无法用于室内环境或者室外对卫星信号接收不好的区域。此外，即使接收信号良好，这种定位方法可达的精度（例如50cm左右）也难以满足小型高精确度移动设备定位的需要。

其次，基于光电编码器的航迹推算方法限于轮式机器人及借助轮驱动的移动设备定位，基本思想是利用嵌入驱动轮内的编码器记录轮子的角位移，进而转换成轮子移动产生的相对线位移，并利用航迹推算实现定位。这种技术算法成熟，实现简单。但轮子的打滑等产生的定位误差在航迹推算中会不断累积，性能会随之恶化。

此外，基于机器视觉的测量方法，借助目标在图像中的位置估算目标实际场景中的位置，实现兴趣目标的定位。这种方法受光照条件的影响，性能的稳定性差。同时出于隐私的考虑，其适用场合受到一定限制。

上述局限性极大地制约了现有定位方法在移动设备定位中的应用。换言之，移动设备定位迫切需要一种普适的、性能稳定的、低成本、可用性好的定位装置和方法，这正是本发明的动机和目的。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明提供一种新的定位装置及方法，尤其是一种利用光电鼠标传感实现的二维运动定位装置及方法，本发明的一个方面，涉及一种利用光电鼠标传感实现的二维运动定位装置，包括：传感模块和信息处理模块，其特征在于，还包括光电鼠标传感模块，所述光电鼠标传感模块包括至少三个光电鼠标传感单元。

进一步地，所述信息处理模块包括单片机、蓝牙串口和上位机，蓝牙串口模块用于单片机和上位机之间的通讯。

进一步地，所述光电鼠标传感单元为三个，所述三个光电鼠标传感单元由高到低处于不同水平高度。

更进一步地，所述光电鼠标传感单元等距离设置。

优选地，所述距离为5mm。

特别地，所述定位装置设置成使其指定平面与移动表面平行且间隔开一定距离。

优选地，所述间隔开的距离为40-55mm之间。

进一步地，所述光电鼠标传感单元包括芯片、透镜系统和高强度光源。

特别地，通过布设移动表面色彩有明显差异的标签，以消除累计误差。

本发明的另一方面，涉及利用光电鼠标传感实现的二维定位装置的定位方法，其步骤如下：

a.定位装置安装及调节

（1）将定位装置安置于移动设备上，定位装置表面与移动表面平行，并相隔移动表面一定距离H_initial；

（2）建立上位机与定位装置间的连接；

（3）调节传感单元的透镜系统，使得传感单元SQUAL寄存器的值S_{squal_i}(i=1,2,3)分别达到最大,并记录此时透镜系统像距h；

b.标定传感单元动态高度及对二维运动进行定位

（1）根据测量表面选择单片机控制器数据库中的装置高度标定公式参数，不同表面对应不同参数(c_i,d_i,e_i,f_i)；

（2）定位装置高度标定按如下公式计算：

（3）通过定位装置移动中传感单元SQUAL寄存器的值S_{squal_i}(i=1,2,3)的变化确定H_i的变化状态（判断大于或小于H_initial）；

（4）通过每个光电鼠标传感单元中寄存器Delta_X(Y)的值以及由式(1)中标定的高度H_i计算装置在平面上X(Y)方向上的位移距离D_x(y).i(i=1,2,3)：

（5）通过利用加权矩阵W对每个传感单元由式(2)得到的X(Y)方向上的位移进行加权计算，得到更为精确的二维位移输出，具体为：

D_x(y)＝WD (3)

其中，

D=[D_x(y)，1 D_x(y)，2 D_x(y)，3]^T;

c.修正定位装置的累积误差。

进一步地，其中步骤c中通过布设在移动表面色彩有明显差异的标签来消除累计误差。

本发明通过实施上述技术方案，采用光电鼠标传感定位，较传统技术相比，设备更加简单，成本低，同时有较广泛适用范围，尤其适用于小型化集成的机器人或移动设备的定位需要。

附图说明

图1为利用光电鼠标传感实现的二维运动定位装置结构图；

图2为光电鼠标传感单元设计结构图；

图3（a）为表面纹理图像特征寄存器的值与高度的关系；

图3（b）为三个传感单元高度与获取的图像特征关系曲线图；

图4（a）为标签布设示意图；

图4（b）当前节点到八个方向的指示。

具体实施方式

以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。如在说明书及权利要求当中使用了某些用语来指称特定部件。本领域技术人员应可理解，产品制造商可能会用不同名词来称呼同一个部件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分部件的方式，而是以部件在功能上的差异来作为区分的准则。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本新型的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明实施例中光电鼠标传感模块以包括三个传感单元为例进行说明。附图1为利用光电鼠标传感实现的二维运动定位装置结构图，其中包括单片机1、蓝牙串口模块2和光电鼠标传感模块3，其中蓝牙串口模块2用于与上位机之间的通讯，并对数据进行处理及传输反馈信息，从而进一步对机器人等移动设备进行监控。所述光电鼠标传感模块3的工作基本原理和桌面工作的电脑鼠标原理完全相同，所述光电鼠标传感模块3包括至少三个光电鼠标传感单元4，优选包括三个光电鼠标传感单元4。所述光电鼠标传感单元4具体结构见附图2所示，包括光电鼠标芯片5、透镜系统6和光源7，其中透镜系统6优选包括8mm镜头，且可调相距。在一个实施例中，三个光电鼠标传感单元4由高到低处于不同水平高度，可任意间隔设置，优选之间间隔均为5mm，利用传感获取的表面纹理图像特征变化作为状态特征判断高度变化状态，从而动态标定定位装置。利用上述光电鼠标传感实现二维运动定位，步骤如下：

定位装置的安装及调节

将定位装置安置于需要定位的移动机器人或设备上，保证定位装置指定平面与移动表面平行，具有一定距离，优选使定位装置指定平面与移动表面距离为H_initial=47mm（±3mm）。之后，给定位装置供电，配置带有蓝牙适配的上位机，建立上位机与定位装置连接，发送测试命令读取光电鼠标传感模块3寄存器值。最后，在本实施例中，分别调节三个传感单元4的透镜系统，使得三个传感单元4SQUAL寄存器的值S_{squal_i}(i=1,2,3)分别达到最大,并记录此时透镜系统像距h。

传感的动态高度标定及二维运动的定位

（1）根据测量表面选择单片机控制器数据库中的装置高度标定公式参数，不同表面对应不同参数（c_i,d_i,e_i,f_i）。

（2）装置高度标定公式：

（3）通过装置移动中三个传感单元SQUAL寄存器的值S_{squal_i}(i=1,2,3)的变化确定H_i的变化状态（判断大于或小于H_initial）。

（4）通过每个传感单元中寄存器Delta_X(Y)的值以及由式(1)中标定的高度H_i计算装置在平面上X(Y)方向上的位移距离D_x(y).i(i=1,2,3)：

（5）通过利用加权矩阵W对每个传感单元由式(2)得到的X(Y)方向上的位移进行加权计算，得到更为精确的二维位移输出，具体为：

D_x(y)＝WD (3)

其中，

D=[D_x(y)，1 D_x(y)，2 D_x(y)，3]^T。

对于装置误差累积的消除更正

在室内或者有条件的室外，在移动设备移动的表面布设经过设计的配套标签，当定位装置移动到标签表面时，传感模块能获取到标签的表面图像，对标签表面图像的编码设计使标签能被辨识，通过在定位装置控制芯片内建立标签到绝对位置信息的映射表，从而达到利用信标修正定位装置的累积误差。

在本发明的实施例中，传感单元是这样工作的，通过芯片5，具体可选为ADNS-2610，由高强度光源7发出的光，集成的CMOS感光器件高速连续捕捉被照亮地面9的移动表面区域8（被照亮可视区）的纹理图像，比较前后两帧图像的差异利用光流算法得到位移增量输出Delta_X(Delat_Y)。但由于鼠标本身工作时必须紧贴工作面，这给在移动设备上的使用带来不便，稍微的抖动或者离开工作面就使鼠标无法工作，所以本发明装置重新构置了新的光学透镜和光源系统。这样的传感模块可以在离开工作表面距离H=40～55mm范围内工作并且输出可靠的位移结果。传感模块的输出由式(4)给出，式(5)则进一步给出依据传感模块输出计算传感位移的方法。

其中，n_x是寄存器Delta_x的输出值，n_p是运动方向上传感的总像素值，v是x方向上传感运动速度，H是透镜距表面高度，α是FOV即透镜的视场角。

v*Δt＝H/h×n_x/400 (5)

上述(5)式中h是传感模块中光学系统部分的透镜距离芯片感光CMOS的距离，即成像系统的像距，h要求略大于透镜焦距且小于透镜焦距的两倍，具体数值需要在调节传感模块到可工作状态后测量。上述公式(4)与公式(5)相等价，公式(5)计算出的单位是英寸(inch)。从公式(4)中更容易发现广角和小角度FOV透镜对传感的影响。

广角：缺点是使传感模块可靠工作的表面特征(SQUAL)要求要高，且使SQUAL寄存器的值S_squal达到最大的高度H_max低。但寄存器(Delta_X)增长慢，不易溢出，同时对于抖动和倾斜引发的噪声鲁棒性高。小角度FOV透镜相反。经过试验和对实际使用情况的分析，本设计采用8mm摄像头板机透镜可以有良好稳定的效果。

从式(5)中可以看出单个传感单元对位移的测量与模块距离移动平面的高度H有关。当模块固定在移动设备上随设备移动时，由于移动设备所在表面并不平整或者表面有碎石等杂物时，H的值也会随之变化，而并不是最初装配装置时的高度。这样再用(5)式计算位移对移动设备定位就会产生明显误差。为了进一步消除高度变化带来的影响，本装置采用三个不同高度的传感模块配合，同时利用传感模块检测到的表面纹理图像特征SQUAL寄存器的值S_{squal_i}(i=1,2,3)与高度的关系，具体如图3（a）所示，而将三个不同高度传感单元曲线绘于一图中如图3（b）所示，通过将曲线拟合为两条直线得到用S_{squal_i}标定的高度H_i，具体为式(6)。

其中H_initial为装置装配好时各传感模块距离移动表面的初始高度。通过三个不同高度的同构传感的组合可以通过查询S_squali可能出现的状态判断H_i与H_initial的关系，从而选择式(6)中H_i计算的适当表达。S_{squal_i}的状态与H_i关系

如表1所示：

表1S_{squal_i}的状态与H_i关系表

进一步地，通过每个传感单元中寄存器Delta_X(Y)的值以及由式(6)中标定的高度H_i计算装置在平面上X(Y)方向上的位移距离D_x(y)，i(i=1,2,3)：

进一步地，通过一种加权的方法融合三个传感单元的数据，可以降低数据中测量引起的误差，提高装置的可靠程度，具体方法为：通过利用加权矩阵W对每个传感单元由式(2)得到的X(Y)方向上的位移进行加权计算，得到更为精确的二维位移输出，具体为：

D_x(y)＝WD (8)

其中，

D=[D_x(y),1D_x(y),2D_x(y),3]^T。

最后，对于装置在利于布设标签的情况下，给出一种标签布设与设计的方法，从而达到对于装置使用中累积误差消除的目的。具体方法为：通过布设与移动表面色彩有明显差异的标签，本方法采用两种标签（红色和黑色鼠标垫），布设如图4所示，所有标签以一个单位距离等间隔排列。利用装置中传感单元寄存器Pixel_Sum的值来区分两种标签及它们与移动表面，标签及地面与对应Pixel_Sum的值列于表2中。

表2 标签及地面与对应Pixel_Sum的值关系表

传感模块位置	Pixel_Sum值
		瓷砖地面	67
黑色鼠标垫红色鼠标垫	3260

当装置移动中检测到第一个标签时，利用Pixel_Sum值判断标签类型并记录，当下一次再检测到标签时再利用Pixel_Sum值判断标签类型（假设移动不会出现使相邻8个标签都漏检测的情况），比较两次检测到的标签是否相同，同时记录当前标签类型清除上一次记录。当前后两次检测到的标签类型不同时，装置移动了一个单位距离，当前后两次检测到的标签类型相同，则装置移动了倍单位距离。通过这样简单的判断可以对装置自身测量的二维位移进行修正，使累积误差保持在一个可以容忍的限度内，使得装置的工作可靠程度提高。

值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种利用光电鼠标传感实现的二维运动定位装置，包括：传感模块和信息处理模块，其特征在于，所述传感模块包括光电鼠标传感模块，所述光电鼠标传感模块包括至少三个光电鼠标传感单元；

所述定位装置定位原理为：通过定位装置移动中所述传感单元SQUAL寄存器的值的变化确定所述定位装置高度的变化状态Hi，再通过每个所述光电鼠标传感单元中寄存器Delta_X(Y)的值与所述Hi计算所述定位装置在平面上X(Y)方向上的位移距离，最后利用加权矩阵对所述位移距离进行加权计算，得到更精确的二维位移输出。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少三个光电鼠标传感单元由高到低处于不同水平高度。

3.根据权利要求2所述的定位装置，其特征在于，所述光电鼠标传感单元等距离设置。

4.根据权利要求3所述的定位装置，其特征在于，所述距离为5mm。

5.根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于，所述定位装置设置成使其指定平面与移动表面平行且间隔开一定距离。

6.根据权利要求5所述的定位装置，其特征在于，所述间隔开的距离为40-55mm之间。

7.根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于，所述光电鼠标传感单元包括光电鼠标传感芯片、透镜系统和高强度光源。

8.根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于，通过布设移动表面色彩有明显差异的标签，以消除累计误差。

9.根据权利要求1所述的利用光电鼠标传感实现的二维定位装置的定 位方法，其步骤如下：

a.定位装置安装及调节

(1)将定位装置安置于移动设备上，定位装置表面与移动表面平行，并相隔移动表面一定距离H_initial；

(2)建立上位机与定位装置间的连接；

(3)调节传感单元的透镜系统，使得传感单元SQUAL寄存器的值S_{squal_i}(i＝1,2,3…,n且n≥3)分别达到最大,并记录此时透镜系统像距h；

b.标定传感单元动态高度及对二维运动进行定位

(1)根据测量表面选择单片机控制器数据库中的装置高度标定公式参数，不同表面对应不同参数(c_i,d_i,e_i,f_i)；

(2)定位装置高度标定按如下公式计算：

(3)通过定位装置移动中传感单元SQUAL寄存器的值S_{squal_i}(i＝1,2,3)的变化确定H_i的变化状态(判断大于或小于H_initial)；

(4)通过每个光电鼠标传感单元中寄存器Delta_X(Y)的值以及由式(1)中标定的高度H_i计算装置在平面上X(Y)方向上的位移距离D_x(y)，i(i＝1,2,3…,n且n≥3)，n为光电鼠标传感单元的个数：

(5)通过利用加权矩阵W对每个传感单元由式(2)得到的X(Y)方向上的位移进行加权计算，得到更为精确的二维位移输出，具体为：

D_x(y)＝WD (3)

其中，

D＝[D_x(y)，1 D_x(y)，2 … D_x(y)，n]^T；

c.修正定位装置的累积误差。

10.根据权利要求9所述的定位方法，其特征在于，其中步骤c中通过布设在移动表面色彩有明显差异的标签来消除累计误差。