CN106737687A - 基于可见光定位导航的室内机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可见光定位导航的室内机器人系统，包括用于发送定位信息的可见光定位发射单元、用于接收可见光信号进行定位和导航的可见光定位接收单元、驱动机器人运动的驱动单元、用于机器人运动的机械结构单元、用于监测外部环境的感知单元、用于获取图像信息的计算机视觉单元、机器人微型计算机单元、控制显示面板单元及电源；机器人微型计算机单元首先获取感知单元所有传感器的值，控制机器人系统在行走运动时躲避障碍，同时获取计算机视觉单元采集的图像并处理，帮助机器人系统更好地预测和规避行人，在移动的过程中，通过可见光图像接收器对室内的可见光信号光源进行快速图像获取后，从中提取带编码信息的可见光信号进行定位和导航。

Description

基于可见光定位导航的室内机器人系统

技术领域

本发明涉及机器人的研究领域，特别涉及一种基于可见光定位导航的室内机器人系统。

背景技术

近年来，全球工业机器人销量大幅增加。同时，服务型机器人发展迅速，应用范围日趋广泛。国家工业和信息化部、发改委、财政部三部委在2016年3月21日联合印发了《机器人产业发展规划(2016－2020年)》，强调大力发展机器人产业。

面向室内应用的智能机器人是其中一个重要发展方向。但室内机器人目前面临的最大问题是定位导航问题。假如用金字塔来表示机器人技术，那么定位导航作为最底层技术，正是构建整个机器人的核心关键。常见的定位导航方法中，电磁导航简单且比较成熟，成本虽低，但铺设麻烦；利用WiFi、蓝牙、UWB等进行定位，其信号容易衰减，精度差；利用视觉进行导航，长距离高像素处理，速度会变慢，实时性不好。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种能够实现基于可见光定位导航的室内机器人系统，能够利用室内照明LED灯实现机器人室内定位以及导航行走。

为了到达上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了一种基于可见光定位导航的室内机器人系统，包括用于发送定位信息的可见光定位发射单元、用于接收可见光信号进行定位和导航的可见光定位接收单元、驱动机器人运动的驱动单元、用于机器人运动的机械结构单元、用于监测外部环境的感知单元、用于获取图像信息的计算机视觉单元、机器人微型计算机单元、控制显示面板单元以及电源；

所述的可见光定位发射单元与日常照明LED灯集成，安装在室内天花板；所述的可见光定位接收单元与机器人微型计算机单元直接相连，放置于整套机器人系统的顶部，朝向正上方；所述的驱动单元与机器人微型计算机单元直接相连；所述的机械结构单元与驱动单元相连；所述的计算机视觉单元与机器人微型计算机单元直接相连，安装于机器人系统正前方；所述的感知单元与机器人微型计算机单元直接相连，安装在机器人周边；所述的控制显示面板单元与机器人微型计算机单元直接相连，安装在机器人背部；所述的电源直接供应整套机器人系统的用电；

机器人微型计算机单元首先获取感知单元所有传感器的值，在控制显示面板中实时显示各项参数，控制机器人系统在行走运动时躲避障碍，同时获取计算机视觉单元采集的图像/视频并进行分析处理，帮助机器人系统预测和规避行人，机器人在移动的过程中，通过提取带编码信息的可见光信号获取可见光定位灯具的编号，进而得到当前的空间坐标信息实现室内定位与导航。

作为优选的技术方案，可见光定位接收单元的CMOS图像传感器在所设的曝光时间内对室内可见光定位发射光源进行逐行曝光成像后，通过图像的二值化处理，应包含表示可见光信号光源编号信息的黑白条纹信息，利用图像处理技术，定位出图像的条纹位置后，机器人微型计算机单元通过行列的扫描，获取图像中条纹的亮暗以及宽度，可以得到一串0/1信号，从而解析出条纹所包含的光源身份识别信息，该信息应包含所成像的可见光信号光源的编号信息，根据所获取的可见光信号光源的编号信息，机器人微型计算机单元访问所存储的关于可见光信号光源分布位置的数据库获取所对应的可见光信号光源的位置信息。

作为优选的技术方案，所述机器人微型计算机单元利用可见光定位接收单元所采集的图像定位出条纹的位置后，得到两个不同光源中心在图像的坐标(X_1f,Y_1f)和(X_2f,Y_2f)，根据已知的可见光信号光源的布局位置，按照以下公式确定室内机器人当前位置(X,Y)：

其中，(X₁,Y₁)、(X₂,Y₂)为两个可见光信号光源的室内实际位置坐标，(Xmid，Ymid)为图像中心点坐标，(X_1f,Y_1f)、(X_2f,Y_2f)为可见光信号光源在所获取的图像上两个不同位置的中心坐标，S₁为两个可见光信号光源的水平距离，S₂为(X₁,Y₁)和(X₂,Y₂)两点间的水平距离；

机器人微型计算机在获取机器人当前所在的室内空间位置(X,Y)后，将当前位置信息进行更新存储并实时导航。

作为优选的技术方案，所述可见光通信单元包括可见光图像接收器，用于对安装在室内正上方的可见光信号光源进行快速图像获取，从中提取带编码信息的可见光信号进行定位和导航。

作为优选的技术方案，所述驱动单元包括电机和电机驱动装置，由微型计算机控制驱动单元，用于驱动机械结构单元从而带动机器人系统的运动。

作为优选的技术方案，所述感知单元包括温度传感器、湿度传感器、PM2.5传感器、火焰传感器、分贝传感器、超声波模块以及红外感应传感器，通过各传感器获取外界环境的各项参数，实现对外部环境的实时监测，其中的超声波模块和红外感应传感器，还用于及时对一定距离内的障碍物以及行人进行判断识别，避免机器人与外界发生碰撞。

作为优选的技术方案，所述的计算机视觉单元包括摄像头，用于对当前路径下的场景进行成像，对行人进行检测，帮助机器人提前规避障碍或监控周围环境。

作为优选的技术方案，还包括为机械人系统供电的电源单元。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明实现了一种基于可见光通信定位导航的室内服务型机器人，能够按照非固定路线机动行走并且躲避障碍，不仅能够部署于酒店、车间、办公场所或者大型展馆等，由于可见光不会产生任何射频干扰，因此还可以部署在对电磁辐射有较高要求的场所，如医院等地方，应用场景十分广阔。

2、本发明应用可见光技术进行定位，具有精度高、实时性好等特点，能够在机器人运动的情况下精准定位等需求。

3、本发明应用可见光技术进行通信，能够满足日常照明需求，节能环保，而且由于可见光不能穿透建筑墙，相互邻近封闭单元中VLC信号不会相互干扰，具有通信安全性高，保密性好等特点。基于可见光通信能够在室内借助光源快速传输信息，减少了对自身无线通讯设备的依赖，减少机器人在无线通讯方面的成本和负担。

附图说明

图1是本发明基于可见光定位导航的室内机器人的硬件连接关系示意图。

图2是本发明基于可见光定位导航的室内机器人所获取的带编码信息的可见光信号的条纹示意图。

图3是本发明的室内机器人在进行可见光定位导航的过程中可见光定位发射光源以及该机器人的空间位置分布情况示意图。

图4是本发明中的可见光定位接收单元获取的图像经过图像处理后的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明一种基于可见光定位导航的室内机器人，其中，包括用于发送定位信息的可见光定位发射单元，用于接收可见光信号进行定位和导航的可见光定位接收单元、驱动机器人运动的驱动单元、用于机器人运动的机械结构单元、用于监测外部环境的感知单元、用于获取图像信息的计算机视觉单元、机器人微型计算机单元、控制显示面板单元、电源等。

所述的可见光定位发射单元与日常照明LED灯集成，安装在室内天花板；所述的可见光定位接收单元与机器人微型计算机单元直接相连，放置于整套机器人系统的顶部，朝向正上方；所述的驱动单元与机器人微型计算机单元直接相连；所述的机械结构单元与驱动单元相连；所述的计算机视觉单元与机器人微型计算机单元直接相连，安装于机器人系统正前方；所述的感知单元与机器人微型计算机单元直接相连，安装在机器人周边；所述的控制显示面板单元与机器人微型计算机单元直接相连，安装在机器人背部；所述的电源直接供应整套机器人系统的用电。

上述的可见光定位发射单元，包括用于照明和发送可见光定位信号的LED灯具单元；所述发射单元将LED灯具的唯一编号进行信号调制以后，输出连续的调制波形，驱动LED光源发光并传输信号；LED灯具在安装后，其安装位置信息(X,Y)与LED灯具的编号唯一对应。上述的可见光定位接收单元主要包括逐行曝光的CMOS图像传感器，用于对安装在室内正上方的可见光定位发射光源以快速成像的方式获得条纹图像，从中提取编码信息和获取可见光定位灯具的编号信息，进而得到当前的空间坐标信息，从而支持室内定位与导航。

上述的驱动单元主要包括电机和电机驱动，由微型计算机控制驱动单元，用于驱动机械结构单元从而带动机器人的运动。

上述的机械结构单元与驱动单元相连,主要包括机器人底盘、轮胎、机械臂等元件。

上述的感知单元包含温度传感器，湿度传感器，PM2.5传感器，火焰传感器，分贝传感器，超声波模块，红外感应传感器等，用于获取外界环境的各项参数，实现对外部环境的实时监测，其中的超声波模块和红外感应传感器等，还用于及时对一定距离内的障碍物以及行人进行判断识别，避免机器人与外界发生碰撞。

上述的计算机视觉单元主要包含摄像头，对当前路径下的场景进行成像，对行人进行检测，帮助机器人提前规避障碍或监控周围环境。

上述的控制显示面板单元用于人机交互，实现对机器人系统进行控制，同时实时显示机器人系统当前状态信息。

上述的机器人微型计算机单元用于获取感知单元所有传感器的值，在控制显示面板中实时显示各项参数，控制机器人在行走运动时躲避障碍，同时获取计算机视觉单元采集的图像/视频并进行分析处理，帮助机器人更好地预测和规避行人。机器人在移动的过程中，通过可见光定位接收单元对室内的可见光定位发射光源进行快速成像获取后，通过提取带编码信息的可见光信号获取可见光定位灯具的编号，进而得到当前的空间坐标信息实现室内定位与导航。

上述的电源用于对整套机器人系统进行供电。

本实施例中，上述基于可见光定位导航的实现方法如下：

如图2，可见光定位接收单元的CMOS图像传感器在所设的曝光时间内对室内可见光定位发射光源进行逐行曝光成像后，通过图像的二值化处理，应包含表示可见光信号光源编号信息的黑白条纹信息。利用图像处理技术，定位出图像的条纹位置后，机器人微型计算机单元通过行列的扫描，获取图像中条纹的亮暗以及宽度，可以得到一串0/1信号，从而解析出条纹所包含的光源身份识别信息，该信息应包含所成像的可见光信号光源的编号信息。根据所获取的可见光信号光源的编号信息，微型计算机访问所存储的关于可见光信号光源分布位置的数据库获取所对应的可见光信号光源的位置信息。

如图3和图4，机器人微型计算机单元利用可见光定位接收单元所采集的图像定位出条纹的位置后，得到两个不同光源中心在图像的坐标(X_1f,Y_1f)和(X_2f,Y_2f)，根据已知的可见光信号光源的布局位置，按照以下公式确定室内机器人当前位置(X,Y)：

其中，(X₁,Y₁)、(X₂,Y₂)为两个可见光信号光源的室内实际位置坐标，(Xmid，Ymid)为图像中心点坐标，(X_1f,Y_1f)、(X_2f,Y_2f)为可见光信号光源在所获取的图像上两个不同位置的中心坐标，S₁为两个可见光信号光源的水平距离，S₂为(X₁,Y₁)和(X₂,Y₂)两点间的水平距离。

微型计算机在获取机器人当前所在的室内空间位置(X,Y)后，将当前位置信息进行更新存储并实时导航。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于可见光定位导航的室内机器人系统，其特征在于，包括用于发送定位信息的可见光定位发射单元、用于接收可见光信号进行定位和导航的可见光定位接收单元、驱动机器人运动的驱动单元、用于机器人运动的机械结构单元、用于监测外部环境的感知单元、用于获取图像信息的计算机视觉单元、机器人微型计算机单元、控制显示面板单元以及电源；

所述的可见光定位发射单元与日常照明LED灯集成，安装在室内天花板；所述的可见光定位接收单元与机器人微型计算机单元直接相连，放置于整套机器人系统的顶部，朝向正上方；所述的驱动单元与机器人微型计算机单元直接相连；所述的机械结构单元与驱动单元相连；所述的计算机视觉单元与机器人微型计算机单元直接相连，安装于机器人系统正前方；所述的感知单元与机器人微型计算机单元直接相连，安装在机器人周边；所述的控制显示面板单元与机器人微型计算机单元直接相连，安装在机器人背部；所述的电源直接供应整套机器人系统的用电；

机器人微型计算机单元首先获取感知单元所有传感器的值，在控制显示面板中实时显示各项参数，控制机器人系统在行走运动时躲避障碍，同时获取计算机视觉单元采集的图像/视频并进行分析处理，帮助机器人系统预测和规避行人，机器人在移动的过程中，通过提取带编码信息的可见光信号获取可见光定位灯具的编号，进而得到当前的空间坐标信息实现室内定位与导航。

2.根据权利要求1所述基于可见光定位导航的室内机器人系统，其特征在于，可见光定位接收单元的CMOS图像传感器在所设的曝光时间内对室内可见光定位发射光源进行逐行曝光成像后，通过图像的二值化处理，应包含表示可见光信号光源编号信息的黑白条纹信息，利用图像处理技术，定位出图像的条纹位置后，机器人微型计算机单元通过行列的扫描，获取图像中条纹的亮暗以及宽度，可以得到一串0/1信号，从而解析出条纹所包含的光源身份识别信息，该信息应包含所成像的可见光信号光源的编号信息，根据所获取的可见光信号光源的编号信息，机器人微型计算机单元访问所存储的关于可见光信号光源分布位置的数据库获取所对应的可见光信号光源的位置信息。

3.根据权利要求2所述基于可见光定位导航的室内机器人系统，其特征在于，所述机器人微型计算机单元利用可见光定位接收单元所采集的图像定位出条纹的位置后，得到两个不同光源中心在图像的坐标(X_1f,Y_1f)和(X_2f,Y_2f)，根据已知的可见光信号光源的布局位置，按照以下公式确定室内机器人当前位置(X,Y)：

$\left\{\begin{array}{c}X=X_1+(X_{mid}-X_{1f})\×\frac{S_1}{S_2}=X_2+(X_{mid}-X_{2f})\×\frac{S_1}{S_2}\\ Y=Y_1+(Y_{mid}-Y_{1f})\×\frac{S_1}{S_2}=Y_2+(Y_{mid}-Y_{2f})\×\frac{S_1}{S_2}\\ S_1=\sqrt{{(X_1-X_2)}^2+{(Y_1-Y_2)}^2}\\ S_2=\sqrt{(X_{1f}-X_{2f})+{(Y_{1f}-Y_{2f})}^2}\end{array}\right.$

其中，(X₁,Y₁)、(X₂,Y₂)为两个可见光信号光源的室内实际位置坐标，(Xmid，Ymid)为图像中心点坐标，(X_1f,Y_1f)、(X_2f,Y_2f)为可见光信号光源在所获取的图像上两个不同位置的中心坐标，S₁为两个可见光信号光源的水平距离，S₂为(X₁,Y₁)和(X₂,Y₂)两点间的水平距离；

机器人微型计算机在获取机器人当前所在的室内空间位置(X,Y)后，将当前位置信息进行更新存储并实时导航。

4.根据权利要求1所述基于可见光定位导航的室内机器人系统，其特征在于，所述可见光通信单元包括可见光图像接收器，用于对安装在室内正上方的可见光信号光源进行快速图像获取，从中提取带编码信息的可见光信号进行定位和导航。

5.根据权利要求1所述基于可见光定位导航的室内机器人系统，其特征在于，所述驱动单元包括电机和电机驱动装置，由微型计算机控制驱动单元，用于驱动机械结构单元从而带动机器人系统的运动。

6.根据权利要求1所述基于可见光定位导航的室内机器人系统，其特征在于，所述感知单元包括温度传感器、湿度传感器、PM2.5传感器、火焰传感器、分贝传感器、超声波模块以及红外感应传感器，通过各传感器获取外界环境的各项参数，实现对外部环境的实时监测，其中的超声波模块和红外感应传感器，还用于及时对一定距离内的障碍物以及行人进行判断识别，避免机器人与外界发生碰撞。

7.根据权利要求1所述基于可见光定位导航的室内机器人系统，其特征在于，所述的计算机视觉单元包括摄像头，用于对当前路径下的场景进行成像，对行人进行检测，帮助机器人提前规避障碍或监控周围环境。

8.根据权利要求1所述基于可见光定位导航的室内机器人系统，其特征在于，还包括为机械人系统供电的电源单元。