CN108731677B - 一种机器人导航路标及识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人导航路标及识别方法，该路标由红外感应灯和紫外感应灯组成，所述感应灯在接收到红外光和紫外光后亮起，所述机器人上设置有可发射红外光和紫外光的光源装置，在光线不充足以致无法清晰识别路标时，所述机器人发射红外光和紫外光以点亮路标，从而方便机器人识别路标。

Description

一种机器人导航路标及识别方法

【技术领域】

本发明属于机器人视觉导航领域，尤其涉及一种在机器人视觉导航时使用的导航路标及识别方法。

【背景技术】

通常，为了控制室内机器人在室内运动，机器人需要识别其自身的位置，现有技术中主要使用人造路标的方法。例如，将具有一定模式的人工路标安装在天花板上，机器人顶部安装照相机对天花板进行拍摄，当拍摄到人工路标后，对拍摄到的路标图像进行处理以识别该路标，进而确定机器人本身所处的空间位置。

在上述现有技术中，机器人拍摄到的人工路标图像的清晰度十分重要，但是照相机拍摄的清晰度在很大程度上受到照明光线的影响，若路标受光线影响而致使成像不清晰会导致路标识别有误或者无法识别。现有技术中的一种解决方案是由机器人自身携带照明光源，照相机在该照明光源的协助下进行拍摄，从而可以不用依赖外界光线。但是，由于机器人并不知道路标的位置，机器人只能长时间开启照明光源，以保证照相机可以随时拍摄到路标，这导致机器人自身电能的快速消耗，不仅降低了机器人的使用时间，同时浪费了能源，提高了机器人使用成本。另外一种解决方案是在路标上设置照明光源，但该照明光源同样需要一直开启，也浪费能源和成本。

【发明内容】

为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种机器人导航路标。

本发明采用的技术方案具体如下：

一种机器人导航路标及识别方法，其特征在于，所述路标包括壳体、坐标功能感应灯、编码功能感应灯和电源，其中：

所述壳体正面设有N行N列的感应灯接口阵列，所述壳体背面安装连接在天花板上；所述电源设置在壳体内，用于给路标中的感应灯及其他装置供电；

所述阵列的三个角上，分别设置了一个坐标功能感应灯，另外一个角留空，所述坐标功能感应灯为紫外感应灯；

根据路标的编码，在所述阵列的相应位置上设置一个或多个编码功能感应灯，所述编码功能感应灯为红外感应灯；

所述机器人顶部设置了照相机和光源装置，所述光源装置呈半球状，可发出红外光和紫外光；

所述方法包括：

(1)机器人通过其顶部的照相机对路标进行拍照，机器人的主控系统对拍摄的路标进行识别，如果可正常识别路标则方法结束，否则执行后续步骤；

(2)所述主控系统控制光源装置发出紫外光，所述路标上的坐标功能感应灯在接收到紫外光后亮起，主控系统控制照相机对路标进行拍照，从拍照结果中识别出坐标功能感应灯；

(3)所述主控系统控制光源装置发出红外光，所述路标上的编码功能感应灯在接收到红外光后亮起，主控系统控制照相机对路标再进行拍照，从拍照结果中识别出编码功能感应灯；

(4)基于步骤2和3的识别结果，所述主控系统识别出路标的编码；

(5)所述主控系统关闭光源装置，所述路标上的各个感应灯随之关闭。

进一步地，所述机器人还包括调节装置，所述调节装置可调整光源装置的发光强度；

所述路标上的所述红外感应灯基于接收到的红外光的强度，发出不同亮度的光，接收到红外光的强度越强，所述红外感应灯发出的光就越亮；所述紫外感应灯基于接收到的紫外光的强度，发出不同亮度的光，接收到紫外光的强度越强，所述紫外感应灯发出的光就越亮；在相同强度的红外光和紫外光下，红外感应灯和紫外感应灯的亮度相同；

所述步骤2中，所述调节装置从起始强度逐步增大光源装置紫外光的发光强度，直到可以识别出坐标功能感应灯，设此时紫外光的发光强度为F，则所述步骤3中，所述调节装置以相同的发光强度F发出红外光。

进一步地，机器人在同一次任务中，第一次使用调节装置识别路标时，记录下最终使用的发光强度作为起始强度，之后如果需要再使用调节装置，则直接使用该起始强度，如果起始强度不够，再逐步增大发光强度，直到可识别路标，然后记录此时的发光强度作为新的起始强度。

进一步地，所述路标还包括底板，所述壳体背面连接安装在底板的下表面上，所述底板悬挂在天花板上；所述底板包括翻转机构、旋转机构、控制器和无线通信装置；

所述翻转机构可以使底板倾斜到指定的角度，所述旋转机构可以使底板围绕穿过其中心的垂直轴线旋转，所述控制器可控制所述翻转机构和旋转机构，所述无线通信装置用于使底板与机器人进行通信；

所述机器人具有无线通信模块，用于与所述底板的无线通信装置进行无线通信；

所述方法进一步包括以下步骤：

(a)所述机器人在未能识别路标后，通过其无线通信模块向外界广播一个信号，信号的发送功率是基于预先设定的固定值；

(b)当所述底板上的无线通信装置接收到所述广播信号时，其测量出广播信号的信号强度，基于该信号强度估计所述机器人和路标的距离L；

(c)所述底板的控制器计算底板的翻转角度β，即β＝arccos(H/L)；其中，H是预先存储的路标距离地面的高度；

(d)所述底板控制器控制翻转机构工作，使得所述底板倾斜，即底板与水平面的夹角为β；

(e)所述底板控制器控制旋转机构工作，使得所述底板以预定义的角速度围绕垂直轴线旋转360度；

(f)旋转结束后，所述控制器控制所述翻转机构，使底板恢复到水平状态。

本方法的有益效果为：使机器人在光线不足时也可识别出导航路标，且计算简单方便，节省电能。

【附图说明】

此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明机器人导航路标的阵列示意图。

【具体实施方式】

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

为了确定室内机器人的位置，通常会根据机器人所处空间的大小和环境状况，在室内天花板上设置一个以上的路标，并且各个路标互不相同。每个路标代表所述空间的某一特定位置，机器人通过识别所述路标，就可以知道自身所处的位置，达到定位的目的，为机器人的导航提供基础。

实施例一：

参见附图1，其示出了本发明导航路标的示意结构。本发明的导航路标包括壳体4、坐标功能感应灯2、编码功能感应灯3和电源(图中未示出)。

所述壳体的正面上设有按照N×N阵列排列的感应灯接口(N≥3)，每个感应灯接口都可以安装一个感应灯。所述壳体的背面连接安装在天花板上，所述壳体内设置有电源，该电源与各个感应灯接口相连，用于给安装的感应灯供电，也可给路标中的其他装置供电。

如图1所述，在所述阵列的三个角上，分别设置了一个坐标功能感应灯2，但是在另外一个角1B上，不能设置任何的感应灯，这是为了机器人可以通过这三个角的位置来识别路标的坐标方向，否则机器人无法区分从哪儿开始识别编码功能的感应灯。本发明的坐标功能感应灯为紫外感应灯，该紫外感应灯只有在接收到紫外光源时才会亮起。

除了上述四个角外，在所述阵列的其他位置，可以根据编码，在相应的位置设置相应数量的编码功能感应灯3，在附图1的例子中，仅在灰色的两个位置设置了编码功能感应灯3，而在其他白色的位置(例如1A)都没有设置任何感应灯。机器人可通过所述编码功能感应灯的位置识别路标的编码，进而确定机器人的空间位置。本发明的编码功能感应灯为红外感应灯，该红外感应灯只有在接收到红外光源时才会亮起。

针对上述路标，本发明的机器人顶部除了设置照相机外，还设置了一个可以发出红外光和紫外光的光源装置，所述光源装置呈半球状，使得发出的红外光或紫外光呈半球形辐射发出。

基于上述结构，本发明的机器人通过如下方式识别本发明的导航路标。

(1)在光线充足的情况下，由于各个感应灯本身(在不发光的状态下)是具有一定颜色的，因此机器人可以通过正常的方式对路标照相并识别。

(2)在光线不充足的情况下，机器人的主控系统会发现照相机拍摄的路标成像不清晰或者无法识别。此时机器人主控系统首先控制光源装置发出紫外光，路标上的三个紫外感应灯(即坐标功能感应灯)在接收到紫外光后，就会立即亮起；机器人此时拍摄路标，就可以识别出坐标功能感应灯，从而识别出路标的方向；然后机器人主控系统控制光源装置发出红外光，路标上的红外感应灯(即编码功能感应灯)在接收到红外光后，也会立即亮起；机器人此时拍摄路标，就可以识别出编码功能感应灯，由于前面已经对路标的方向进行了定位，此时就可以迅速识别路标的编码。

当机器人识别路标完毕后，所述光源装置关闭，路标上的各个感应灯也就会随之关闭，以节省电能。

上述识别方法通过感应灯自身发光，弥补了不充足的光线，使得机器人可以拍摄到清晰的路标。另外，不同功能的感应灯采用不同的感应灯，机器人不需要计算就可以分辨坐标和编码，更加简单方便。

实施例二：

在上述实施例一的基础上，本实施例涉及的机器人进一步包括一个调节装置，所述调节装置可以在主控系统的控制下，调整光源装置的发光强度，从而发出不同程度的亮度的红外光和紫外光。与此相对应，路标上的红外感应灯可以基于接收到的红外光的强度，发出不同亮度的光，接收到红外光的强度越强，红外感应灯发出的光就越亮；同理，路标上的紫外感应灯也可以基于接收到的紫外光的强度，发出不同亮度的光，接收到紫外光的强度越强，紫外感应灯发出的光就越亮。在相同强度的红外光和紫外光下，红外感应灯和紫外感应灯的亮度相同。

基于该调节装置，当机器人在一次任务中发现光线不充足以致路标无法识别时，其启动所述调节装置，首先逐步增大光源装置紫外光的发光强度，直到可以识别出坐标功能感应灯，设此时的发光强度为F，然后再控制该光源装置以相同的发光强度F发出红外光，以识别编码功能感应灯。

机器人在同一次任务中，第一次使用调节装置识别路标时，记录下最终使用的发光强度作为起始强度，之后如果需要再使用调节装置，则直接使用该起始强度进行拍摄，如果起始强度不够，再逐步增大发光强度，直到可识别路标，然后记录此时的发光强度作为新的起始强度。

通过本实施例的调节装置，机器人可以动态控制光源装置和路灯的发光强度，以尽量节省电能。

实施例三：

在机器人的实际运用中，对路标的拍摄还可能受到拍摄角度的影响，由于路标设置在天花板上，因此机器人最合适的拍摄位置是在路标的正下方，但是实际运行中，并不一定能做到这一点。因此在上述两个实施例的基础上，本实施例的路标还包括一块底板，路标的壳体背面连接安装在底板的下表面上，所述底板悬挂在天花板上，并且具有翻转机构和旋转机构。底板初始时处于水平状态，所述翻转机构可以使底板倾斜到指定的角度，所述旋转机构可以使底板围绕穿过其中心的垂直轴线旋转。所述底板还包括控制器和无线通信装置，所述控制器可控制所述翻转机构和旋转机构，所述无线通信装置可以使底板与机器人进行通信。翻转机构和旋转机构可以采用本领域中任意一种公知的结构设计，在此不再赘述。

与本实施例的路标相应的，机器人也具有无线通信模块，可以与底板进行无线通信。根据本实施例，当所述机器人不能靠近路标，以致不能清晰地识别路标时，所述机器人和路标执行下述方法：

(1)所述机器人通过其无线通信模块向外界广播一个信号，信号的发送功率是基于预先设定的固定值，因此在一定范围内的路标能够收到该信号。

(2)当所述底板上的无线通信装置接收到所述广播信号时，其测量出广播信号的信号强度，由于机器人发送信号的功率和强度是预先设定的固定值，因而所述无线通信装置可以基于接收到的广播信号的信号强度，估计出所述机器人和路标的大概距离L。基于信号强度估计距离的具体方法已经是本领域的公知技术，此处不再赘述。

(3)所述底板的控制器计算底板的翻转角度β，即β＝arccos(H/L)。

其中，H是预先存储的路标距离地面的高度。

(4)所述底板控制器控制翻转机构工作，使得所述底板倾斜，即底板与水平面的夹角为β。

(5)所述底板控制器控制旋转机构工作，使得所述底板以预定义的角速度围绕垂直轴线旋转360度。

所述角速度相对较小，因而底板是以一个较为缓慢的速度进行旋转，基于底板的翻转角度，在360度的旋转过程中，必然在某个时刻，所述底板上的路标基本上是正对着所述机器人的，因此方便机器人对路标的识别。

机器人对路标的识别过程与实施例一相同，即首先发出紫外光，让路标的坐标功能感应灯亮起，并对路标进行拍摄，在底板旋转过程中，一旦拍摄的路标可以清晰识别出坐标功能感应灯，就立即发出红外光，使路标的编码功能感应灯亮起，从而拍摄和识别路标编码。

(6)旋转结束后，所述控制器控制所述翻转机构，使底板恢复到水平状态。

以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (3)

1.一种机器人导航路标的识别方法，其特征在于，所述路标包括壳体、坐标功能感应灯、编码功能感应灯和电源，其中：

所述壳体正面设有N行N列的感应灯接口阵列，所述壳体背面安装连接在天花板上；所述电源设置在壳体内，用于给路标中的感应灯及其他装置供电；

所述阵列的三个角上，分别设置了一个坐标功能感应灯，另外一个角留空，所述坐标功能感应灯为紫外感应灯；

根据路标的编码，在所述阵列的相应位置上设置一个或多个编码功能感应灯，所述编码功能感应灯为红外感应灯；

所述机器人顶部设置了照相机和光源装置，所述光源装置呈半球状，可发出红外光和紫外光；

所述方法包括以下步骤：

（1）机器人通过其顶部的照相机对路标进行拍照，机器人的主控系统对拍摄的路标进行识别，如果可正常识别路标则方法结束，否则执行后续步骤；

（2）所述主控系统控制光源装置发出紫外光，所述路标上的坐标功能感应灯在接收到紫外光后亮起，主控系统控制照相机对路标进行拍照，从拍照结果中识别出坐标功能感应灯；

（3）所述主控系统控制光源装置发出红外光，所述路标上的编码功能感应灯在接收到红外光后亮起，主控系统控制照相机对路标再进行拍照，从拍照结果中识别出编码功能感应灯；

（4）基于步骤（2）和（3）的识别结果，所述主控系统识别出路标的编码；

（5）所述主控系统关闭光源装置，所述路标上的各个感应灯随之关闭；

所述路标还包括底板，所述壳体背面连接安装在底板的下表面上，所述底板悬挂在天花板上；所述底板包括翻转机构、旋转机构、控制器和无线通信装置；

所述翻转机构能够使底板倾斜到指定的角度，所述旋转机构能够使底板围绕穿过其中心的垂直轴线旋转，所述控制器可控制所述翻转机构和旋转机构，所述无线通信装置用于使底板与机器人进行通信；

所述机器人具有无线通信模块，用于与所述底板的无线通信装置进行无线通信；

所述方法进一步包括以下步骤：

（a）所述机器人在未能识别路标后，通过其无线通信模块向外界广播一个信号，信号的发送功率是基于预先设定的固定值；

（b）当所述底板上的无线通信装置接收到所述广播信号时，其测量出广播信号的信号强度，基于该信号强度估计所述机器人和路标的距离L；

（c）所述底板的控制器计算底板的翻转角度β，即β=arccos(H/L)；其中，H是预先存储的路标距离地面的高度；

（d）所述底板控制器控制翻转机构工作，使得所述底板倾斜，即底板与水平面的夹角为β;

（e）所述底板控制器控制旋转机构工作，使得所述底板以预定义的角速度围绕垂直轴线旋转360度；

（f）旋转结束后，所述控制器控制所述翻转机构，使底板恢复到水平状态。

2.根据权利要求1所述的机器人导航路标的识别方法，其特征在于，所述机器人还包括调节装置，所述调节装置可调整光源装置的发光强度；

所述路标上的所述红外感应灯基于接收到的红外光的强度，发出不同亮度的光，接收到红外光的强度越强，所述红外感应灯发出的光就越亮；所述紫外感应灯基于接收到的紫外光的强度，发出不同亮度的光，接收到紫外光的强度越强，所述紫外感应灯发出的光就越亮；在相同强度的红外光和紫外光下，红外感应灯和紫外感应灯的亮度相同；

所述步骤（2）中，所述调节装置从起始强度逐步增大光源装置紫外光的发光强度，直到能够识别出坐标功能感应灯，设此时紫外光的发光强度为F，则所述步骤（3）中，所述调节装置以相同的发光强度F发出红外光。

3.根据权利要求2所述的机器人导航路标的识别方法，其特征在于，机器人在同一次任务中，第一次使用调节装置识别路标时，记录下最终使用的发光强度作为起始强度，之后如果需要再使用调节装置，则直接使用该起始强度，如果起始强度不够，再逐步增大发光强度，直到可识别路标，然后记录此时的发光强度作为新的起始强度。

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