CN109341701A - 基于激光跟踪全站仪的地面机器人航向角实时获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光跟踪全站仪的地面机器人航向角实时获取方法，包括以下步骤：建立全站仪的笛卡尔坐标，将全站仪并对准棱镜，跟踪所述棱镜旋转；测量全站仪发射的激光与X轴的夹角α；利用工业相机拍摄激光发射器发射的激光的图像，并将所述图像传输给控制器；利用所述控制器分析图像中的激光发光点的偏移量，经PID计算获得转台角速度w并传输给转台驱动器，予以调整电动转台的角度β；以获得机器人的实时的航向角θ。通过上述方案，本发明具有测量准确、计算工作量少等优点，在机场道面检测技术领域具有很高的实用价值和推广价值。

Description

基于激光跟踪全站仪的地面机器人航向角实时获取方法

技术领域

本发明涉及机场道面检测技术领域，尤其是基于激光跟踪全站仪的地面机器人航向角实时获取方法。

背景技术

目前，传统的地面机器人进行自主移动的基础在于存储有地图，并且知道该地面机器人在地图中的位置和姿态(即航向角)。对于平移的机器人来说，其位置即为平面坐标系中的坐标。传统的地面机器人获取位姿的方法主要包括激光雷达和GPS定位；具体来说，对于室内机器人，其采用激光雷达探测，并结合Slam技术获取其实时的位姿。而对于室外空旷地带的地面机器人来说，激光雷达射程短，已无法满足实际要求。因此，室外地面机器人常采用GPS定位获取其位姿。一般情况下，安装了GPS模块的机器人能够获知其GPS天线的坐标，如果在机器人不同位置安装两根GPS天线，那么根据每根天线的坐标可以计算它们连线的指向，因而获得机器人的航向角。但是，GPS信号容易受多种因素干扰，如市区高楼大厦、钢筋架设的大桥、密集的树木等，这些地方GPS的信号很差，无法获得天线的位置，也就不能计算机器人的位姿。目前，已经有方法可以在没有GPS的室外环境对机器人精确定位(如带目标跟踪的全站仪)，但是对于航向角的获取没有很好的办法，加装磁罗盘可以获得地球磁场的方向，但是磁感应受外部环境干扰更大，基本没法实际运用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于激光跟踪全站仪的地面机器人航向角实时获取方法，本发明采用的技术方案如下：

基于激光跟踪全站仪的地面机器人航向角实时获取方法，包括型号为DS101AC的全站仪，设置在全站仪的顶部、并随所述全站仪以相同角度速度旋转的激光发射器，设置在地面机器人顶部的电动转台，设置在电动转台的顶部、与电动转台以相同角速度旋转、且用于反射全站仪发射的激光的棱镜，固定在棱镜顶部、用于拍摄所述激光发射器发射的激光的图像的工业相机，与工业相机连接、用于获取工业相机拍摄的图像、并下发转台角速度w的控制器，以及连接在控制器与电动转台之间、用于接收控制器下发的转台角速度w并驱动所述电动转台的转台驱动器；所述全站仪跟踪棱镜旋转；所述电动转台的电机上安装有与转台驱动器连接的绝对位置编码器。

所述地面机器人航向角实时获取方法，包括以下步骤：

步骤S01，建立全站仪的笛卡尔坐标，将全站仪并对准棱镜，跟踪所述棱镜旋转；测量全站仪发射的激光与X轴的夹角α。

步骤S02，安装在全站仪上的激光发射器发射激光，所述激光的光束与全站仪和棱镜的连线平行，利用工业相机拍摄激光发射器发射的激光的图像，并将所述图像传输给控制器。

步骤S03，利用所述控制器分析图像中的激光发光点的偏移量，经PID计算获得转台角速度w并传输给转台驱动器，并对所述转台角速度w进行时间的积分，予以调整电动转台的角度β；所述机器人的航向角θ的表达式为：

θ＝360-β-(180-α)＝180+α-β

所述α为全站仪发射的激光与X轴的夹角。

步骤S04，重复步骤S02至步骤S03，以获得机器人的实时的航向角θ。

进一步地，所述步骤S03中，控制器分析图像中的激光发光点的偏移量，包括以下步骤：

步骤S31，预设工业相机拍摄激光发射器发射的激光的图像的相片像素宽度为x_d；所述相片的中心横坐标为x_d/2。

步骤S32，获取相片中光点的重心的横坐标x'，求得光点的重心的横坐标x'与中心横坐标的横向偏移△；所述横向偏移△的表达式为：

△＝x'-x_d/2

步骤S33，将所述横向偏移△进行PID调节，并获得转台角速度w。

更进一步地，所述步骤S33中，将所述横向偏移△进行PID调节，所述横向偏移△收敛于零。

优选地，所述地面机器人航向角实时获取方法，还包括利用所述全站仪测量棱镜的三维坐标，以获得机器人的实时位置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过设置全站仪跟踪安装在地面机器人顶部的棱镜，以获得全站仪发射的激光与X轴的夹角。本发明巧妙的设置激光发射器、工业相机、控制器和转台驱动器，通过计算工业相机拍摄的相片中光点重心与相片像素中心坐标的横向偏差，调整电动转台的角度，并将横向偏差收敛于零，结合全站仪本身的旋转角度，进而实现航向角的实时获取。本发明省去了繁琐的计算过程，减轻了地面机器人的计算工作量。综上所述，本发明具有测量准确、计算工作量少等优点，在机器人室外定位导航技术领域具有很高的实用价值和推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定，对于本领域技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的逻辑连接图。

图3为本发明的PID调节流程图。

图4为本发明的控制器和转台驱动器结构框图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更为清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例

如图1至图4所示，本实施例提供了一种基于激光跟踪全站仪的地面机器人航向角实时获取方法，其中，获取实时的航向角包括以下设备：型号为DS101AC或类似具有自动跟踪功能的全站仪，设置在全站仪的顶部、并随所述全站仪以相同角度速度旋转的激光发射器，设置在地面机器人的顶部的电动转台，设置在电动转台的顶部、与电动转台以相同角速度旋转、且用于反射全站仪发射的激光的棱镜，固定在棱镜顶部、用于拍摄所述激光发射器的发射激光的图像的工业相机，与工业相机连接、用于获取工业相机拍摄的图像、并下发转台角速度w的控制器，以及连接在控制器与电动转台之间、用于接收控制器下发的转台角速度并驱动所述电动转台的转台驱动器；所述全站仪跟踪棱镜旋转。其中，全站仪、绝对位置编码器是现有技术，因此在此不予赘述其具体结构和跟踪方法。该拓普康的DS101AC全站仪自带串口，可自动输出当前水平旋转角度以及照准目标的当前坐标值。在本实施例中，棱镜在下面、工业相机在棱镜上面，棱镜反光面中心与工业相机镜头中心的垂直距离等于激光发射器与全站仪镜头中心的垂直距离。该全站仪能测量棱镜的三维坐标，并能获得机器人的实时位置。其中，该控制器是一台x86结构的工控机，通过以太网口与工业相机连接，工控机上运行的程序对工业相机拍摄的照片进行图像分析处理，根据激光光点偏差量计算得到转台角速度并通过串行接口(RS232/485)发送给转台驱动器。转台驱动器控制核心是一块嵌入式stm32芯片，转台驱动器中有逆变器模组，stm32芯片控制逆变器模组输出驱动电压到转台电机，转台电机安装有绝对位置编码器(多圈)，可以将电机转子位置实时反馈给转台驱动器。另外，w对时间的积分就是角度值，但是β角本身的测量不需要通过w积分，而是通过转台电机上安装的多圈绝对位置编码器得到。

在本实施例中，所述地面机器人航向角实时获取方法，包括以下步骤：

第一步，建立全站仪的笛卡尔坐标，将全站仪对准棱镜并跟踪所述棱镜旋转；测量全站仪发射的激光与X轴的夹角α。

第二步，此时，激光发射器发射的激光刚好能打在工业相机镜头上，利用工业相机拍摄激光发射器的发射激光的图像，并将所述图像传输给控制器。

第三步，利用所述控制器分析图像中的光点偏移量，经PID计算获得转台角速度w并传输给转台驱动器，予以调整电动转台的角度β；所述机器人的航向角θ的表达式为：

θ＝360-β-(180-α)＝180+α-β

所述α为全站仪发射的激光与X轴的夹角。

工业相机只观察外部激光器的发光点，调节光圈和增益，使得其视野中除了激光发射器的光点之外其它全黑。这里用到一个很简单的图像识别算法，就是找到光点的重心，并获得重心在整个相机照片中的坐标。具体来说，控制器分析图像中的光点偏移量，包括以下步骤：

(1)预设工业相机拍摄激光发射器的发射激光的图像的相片像素宽度为x_d；所述相片的中心横坐标为x_d/2。

(2)获取相片中光点的重心的横坐标x'，求得光点的重心的横坐标x'与中心横坐标的横向偏移△；所述横向偏移△的表达式为：

△＝x'-x_d/2

(3)将所述横向偏移△进行PID调节，并获得转台角速度w，将所述横向偏移△进行PID调节，所述横向偏移△收敛于零。

第四步，重复第二步至第三步，以获得机器人的实时的航向角θ。

在本实施例中，使全站仪发射激光对准棱镜并开启追踪模式，此时全站仪上额外安装的激光发射器激光应该恰好打在棱镜上面的工业相机上。通过调整电动转台角度，使得激光发射器激光射入工业相机镜头，此时在工业相机采集的画面中应该可以看到激光发射器的亮点。通过闭环控制系统实时调整转台角度，可以保证让激光发射器亮点一直位于工业相机视野中心，即可让工业相机一直对准全站仪的方向。简单来说，即让全站仪追踪机器人上的棱镜，并且让机器人上的工业相机追踪全站仪上的激光发射器。这样在机器人平面上我们可以投影得到两个角度，第一个是全站仪本体旋转角度α，另一个是转台旋转角度β，根据这两个角度就可以精确计算机器人当前的航向角。通过上述方案，本发明既能实时获取地面机器人的航向角，又能简化计算过程，与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，在机场道面检测技术领域具有广阔的市场前景。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于激光跟踪全站仪的地面机器人航向角实时获取方法，其特征在于，包括型号为DS101AC的全站仪，设置在全站仪的顶部、并随所述全站仪以相同角度速度旋转的激光发射器，设置在地面机器人顶部的电动转台，设置在电动转台的顶部、与电动转台以相同角速度旋转、且用于反射全站仪发射的激光的棱镜，固定在棱镜顶部、用于拍摄所述激光发射器发射的激光的图像的工业相机，与工业相机连接、用于获取工业相机拍摄的图像、并下发转台角速度w的控制器，以及连接在控制器与电动转台之间、用于接收控制器下发的转台角速度w并驱动所述电动转台的转台驱动器；所述全站仪跟踪棱镜旋转；所述电动转台的电机上安装有与转台驱动器连接的绝对位置编码器；

所述地面机器人航向角实时获取方法，包括以下步骤：

步骤S01，建立全站仪的笛卡尔坐标，将全站仪并对准棱镜，跟踪所述棱镜旋转；测量全站仪发射的激光与X轴的夹角α；

步骤S02，安装在全站仪上的激光发射器发射激光，所述激光的光束与全站仪和棱镜的连线平行，利用工业相机拍摄激光发射器发射的激光的图像，并将所述图像传输给控制器；

步骤S03，利用所述控制器分析图像中的激光发光点的偏移量，经PID计算获得转台角速度w并传输给转台驱动器，并对所述转台角速度w进行时间的积分，予以调整电动转台的角度β；所述机器人的航向角θ的表达式为：

θ＝360-β-(180-α)＝180+α-β

所述α为全站仪发射的激光与X轴的夹角；

步骤S04，重复步骤S02至步骤S03，以获得机器人的实时的航向角θ。

2.根据权利要求1所述的基于激光跟踪全站仪的地面机器人航向角实时获取方法，其特征在于，所述步骤S03中，控制器分析图像中的激光发光点的偏移量，包括以下步骤：

步骤S31，预设工业相机拍摄激光发射器发射的激光的图像的相片像素宽度为x_d；所述相片的中心横坐标为x_d/2；

步骤S32，获取相片中光点的重心的横坐标x’，求得光点的重心的横坐标x’与中心横坐标的横向偏移△；所述横向偏移△的表达式为：

△＝x’-x_d/2

步骤S33，将所述横向偏移△进行PID调节，并获得转台角速度w。

3.根据权利要求2所述的基于激光跟踪全站仪的地面机器人航向角实时获取方法，其特征在于，所述步骤S33中，将所述横向偏移△进行PID调节，所述横向偏移△收敛于零。

4.根据权利要求3所述的基于激光跟踪全站仪的地面机器人航向角实时获取方法，其特征在于，还包括利用所述全站仪测量棱镜的三维坐标，以获得机器人的实时位置。