CN109412689A - 一种基于图像处理的机器人激光通信系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像处理的机器人激光通信系统及其方法，该系统由激光编码发射装置、图像获取装置和图像处理解码装置组成，该方法主要包括由激光编码发射装置负责发射指令的输入和激光的发射，由图像获取装置负责激光图像的拍摄和传输，由图像处理解码装置负责激光图像的缓存，差分，颜色识别，滤波，二值化和形状识别等处理，在检测到有效激光点后，依照激光通信协议进行解码，然后对解出的数据码和数据反码进行校验，若校验通过，则完成一次通信。本发明能够在通视条件下实现短距离低带宽通信，具有抗干扰能力强、安全性高、频谱不收管制、不易被屏蔽等优势，可以广泛应用在机器人通信领域中，可以作为一种很好的补充无线通信手段。

Description

一种基于图像处理的机器人激光通信系统及其方法

技术领域

本发明涉及机器人通信技术领域，具体涉及一种基于图像处理的机器人激光通信系统及其方法。

背景技术

在现有技术中，机器人通信一般采用射频（RF）通信和有线通信这两种方式。其中，射频（RF）通信方式虽然具有通信距离远，不受线缆长度限制等优点，但还是存在抗干扰能力差，易被屏蔽干扰，安全性较差，频段受管制，比较容易遭到屏蔽等缺点，因此在一些特定的环境下，如需要在一定范围内屏蔽电磁或者强电磁干扰的环境下，射频（RF）通信就会因上述缺点而失效，导致无法完成通信任务。而最传统的有线通信方式虽然具有抗干扰能力强，安全性较高，频段不受管制等优点，但也存在需要拖拽通信电缆，容易被缠绕，通信距离受电缆线长限制等缺点，这就导致有线通信的需要使用到较多的线缆，而且通信距离相比于视频通信也大幅缩短。

激光通信是一种利用可见光波段作为信息载体的通信技术，激光的高度相干性和空间定向性，决定了激光通信与射频（RF）通信相比具有很多方面的优势，例如抗干扰能力强、安全性高、频谱不收管制、不易被屏蔽等，因此激光通信可以作为除射频（RF）通信和有限通信之外的补充通信方式，尤其对于机器人通信是一种很好的补充。

发明内容

为了解决上述问题，本发明旨在提供一种基于图像处理的机器人激光通信系统及其方法，能够在通视条件下实现短距离低带宽通信，以同时弥补视频通信和有线通信的不足。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种基于图像处理的机器人激光通信系统，该系统由激光编码发射装置、图像获取装置和图像处理解码装置组成；

所述激光编码发射装置包括激光发射器、键盘和微控制器等，其中，所述激光发射器负责向所述图像获取装置发射激光编码；所述键盘负责输入发射指令；所述微控制器负责检测所述键盘的输入，获取发射指令，并根据发射指令通过定时器精准地控制所述激光发射器发射激光编码的时间和时长；

所述图像获取装置负责拍摄由所述激光发射器发射过来的激光编码，并将所拍摄到的激光编码制成光点图像传输给所述图像处理解码装置；

所述图像处理解码装置负责将所述图像获取装置（2）传输来的光点图像依次进行缓存、差分、颜色识别、滤波、二值化和形状识别等处理，滤除图像噪点，填补空点，以识别激光光点，并连续记录激光点亮灭时间，参考激光通信协议进行解码；

所述图像处理解码装置主要包括图像存储模块、图像差分模块、图像滤波模块、图像形状识别模块和图像解码模块；具体到每个模块的功能如下：

所述图像存储模块负责存储参考图像和由所述图像获取装置传输来的最新光点图像；

所述图像差分模块负责将所述图像存储模块中的两帧光点图像进行差分运算，以检测两帧光点图像中出现亮度和色彩变化的区域；

所述图像滤波模块负责将差分后的光点图像转换成灰度图像，再进行中值滤波处理；

所述图像形状识别模块负责根据灰度图像，设定一个阈值，将滤波后的灰度图像进行二值化，然后计算灰度图像中所有为数字“1”的像素点的坐标平均值，即质心坐标，再计算质心到每个边缘像素点的距离，若这些距离的偏差在一定范围内，则认为是一个类圆形的激光点，即检测到激光点；

所述图像解码模块负责在检测到激光点，即出现符合引导码条件的激光信号后，记录每帧光点图像出现激光点的情况，由于每帧图像间隔时间是固定的，即可获得激光发射的亮灭时间，再根据激光通信协议进行解码，解码后的数据，若数据码和数据反码校验通过，即成功解码激光编码的指令。

进一步的，所述激光发射器采用可同时发出一种或者多种颜色激光的高亮度激光发射器。

进一步的，所述激光发射器发出的激光颜色为波长492-577nm的绿色激光、波长622-770nm红色激光、波长455-492nm蓝色激光中的一种或几种，这类比较显色的高亮度激光器，能够更容易被相机捕捉，并从环境图像中提取。

进一步的，所述图像获取装置为一种图像分辨率可调，且帧速率可软件配置的彩色相机。

进一步的，所述图像处理解码装置为一种高性能工控机。

进一步的，所述图像获取装置通过USB接口与所述图像处理解码装置连接。

本发明还提供了一种基于图像处理的机器人激光通信方法，该方法包括以下步骤：

步骤1）操作人员利用激光编码发射装置中的键盘输入发射指令；

步骤2）所述激光编码发射装置中的微控制器检测所述键盘的输入，获取发射指令；

步骤3）所述微控制器根据发射指令通过定时器精准地控制激光发射器发射激光编码的亮灭时间，实现向图像获取装置发射激光编码；

步骤4）所述图像获取装置拍摄由所述激光发射器发射过来的激光编码，并将所拍摄到的激光编码制成光点图像传输给图像处理解码装置；

步骤5）所述图像处理解码装置中的图像存储模块将所述图像获取装置传输来的光点图像进行保存；

步骤6）所述图像处理解码装置中的图像差分模块将所述图像存储模块中存储的两帧光点图像进行差分运算，检测两帧光点图像中出现亮度和色彩变化的区域；

步骤7）所述图像处理解码装置中的图像滤波模块将差分运算后的光点图像转换成灰度图像，再进行中值滤波处理；

步骤8）所述图像处理解码装置中的图像形状识别模块根据灰度图像，设定一个阈值，将滤波后的灰度图像进行二值化，然后计算灰度图像中所有为数字“1”的像素点的坐标平均值，即质心坐标，再计算质心到每个边缘像素点的距离，若这些距离的偏差在一定范围内，则认为是一个类圆形的激光点，即说明检测到激光点；

步骤9）在确认检测到激光点后，即出现符合引导码条件的激光信号后，所述图像处理解码装置中的图像解码模块记录每帧光点图像出现激光点的情况，由于每帧光点图像间隔时间是固定的，即可获得激光发射的亮灭时间，再根据激光通信协议进行解码，将数据码和数据反码解码出来，若数据码和数据反码校验通过，则成功解析出激光编码的指令，即一次通信完成。

进一步的，在步骤7）中，所述的中值滤波处理是基于排序统计理论的一种能有效抑制噪声的非线性信号平滑处理技术。

进一步的，在步骤8）中，所述的二值化方法为，根据激光打开和关闭的时间，将滤波后的灰度图像中的每个像素点用数字“0”或者数字“1”来表示；当所述图像获取装置的每帧图像的间隔时间为T时，

数字“0”的像素点的激光点亮时间为2*T，激光关闭时间为4*T；

数字“1”的像素点的激光点亮时间为4*T，激光关闭时间为2*T。

进一步的，所述的激光通信协议由引导码、数据码和数据反码构成，当所述图像获取装置的每帧图像的间隔时间为T时，

所述引导码的激光点亮时间为2*T，激光关闭时间为2*T；

所述数据码为由需要传输的数据量决定；

所述数据反码为所述数据码按位取反的数值，用于数据校验，避免解析出错误数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的基于图像处理的机器人激光通信系统及其方法能够在通视条件下实现短距离低带宽通信，具有抗干扰能力强、安全性高、频谱不收管制、不易被屏蔽等优势，可以广泛应用在机器人通信领域中。尤其是在例如反恐作战任务，这类需要对一定范围内进行电磁屏蔽或者强电磁干扰，且传统通信手段无效的情况下，采用本发明的通信系统能够对排爆机器人或装备等进行有效地指令控制，可以很好地作为一种补充的无线通信手段。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的机器人激光通信系统的结构框图；

图2为本发明的机器人激光通信方法的流程图。

图中标号说明：1、激光编码发射装置；2、图像获取装置；3、图像处理解码装置；101、激光发射器；102、键盘；103、微控制器；301、图像存储模块；302、图像差分模块；303、图像滤波模块；304、图像形状识别模块；305、图像解码模块。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参见图1所示，一种基于图像处理的机器人激光通信系统，该系统由激光编码发射装置1、图像获取装置2和图像处理解码装置3组成。

所述激光编码发射装置1包括激光发射器101、键盘102和微控制器103等，其中，所述激光发射器101选用可同时发出绿色（波长492-577nm）、红色（波长622-770nm）或蓝色（波长455-492nm）中一种或多种颜色的高亮度激光器，这类比较显色的高亮度激光器，能够更容易被相机捕捉，并从环境图像中提取，其主要功能是负责向所述图像获取装置2发射激光编码；所述键盘102负责输入发射指令；所述微控制器103负责检测所述键盘102的输入，获取发射指令，并根据发射指令通过定时器精准地控制所述激光发射器101发射激光编码的时间和时长。

所述图像获取装置2为一种图像分辨率可调，且帧速率可软件配置的彩色相机，帧率非常稳定，其主要功能是负责拍摄由所述激光发射器101发射过来的激光编码，并将所拍摄到的激光编码制成光点图像传输给所述图像处理解码装置3。

所述图像处理解码装置3为一种高性能工控机，其主要功能是负责将所述图像获取装置2通过USB接口传输来的光点图像依次进行缓存、差分、颜色识别、滤波、二值化和形状识别等处理，滤除图像噪点，填补空点，以识别激光光点，并连续记录激光点亮灭时间，参考激光通信协议进行解码。

所述图像处理解码装置3主要包括图像存储模块301、图像差分模块302、图像滤波模块303、图像形状识别模块304和图像解码模块305；具体到每个模块的功能如下：

所述图像存储模块301负责存储参考图像和由所述图像获取装置2传输来的最新光点图像；

所述图像差分模块302负责将所述图像存储模块301中的两帧光点图像进行差分运算，以检测两帧光点图像中出现亮度和色彩变化的区域；

所述图像滤波模块303负责将差分后的光点图像转换成灰度图像，再进行中值滤波处理；

所述图像形状识别模块304负责根据灰度图像，设定一个阈值，将滤波后的灰度图像进行二值化，然后计算灰度图像中所有为数字“1”的像素点的坐标平均值，即质心坐标，再计算质心到每个边缘像素点的距离，若这些距离的偏差在一定范围内，则认为是一个类圆形的激光点，即检测到激光点；

所述图像解码模块305负责在检测到激光点，即出现符合引导码条件的激光信号后，记录每帧光点图像出现激光点的情况，由于每帧图像间隔时间是固定的，即可获得激光发射的亮灭时间，再根据激光通信协议进行解码，解码后的数据，若数据码和数据反码校验通过，即成功解码激光编码的指令。

参见图1和图2所示，一种基于图像处理的机器人激光通信方法，该方法包括以下步骤：

步骤1）通信时，操作人员先将激光编码发射装置1指向图像获取装置2的接收范围内，利用激光编码发射装置1中的键盘102输入需要发送的发射指令；

步骤2）所述激光编码发射装置1中的微控制器103在检测到由所述键盘102输入的发射指令后，根据编码规则生成相应的激光控制时序；

步骤3）所述微控制器103根据生成的激光发射时序通过定时器精准地控制激光发射器101发射激光编码的亮灭时间，实现向图像获取装置2发射激光编码；

步骤4）所述图像获取装置2拍摄由所述激光发射器101发射过来的激光编码，并将所拍摄到的激光编码制成光点图像传输给图像处理解码装置3；

步骤5）所述图像处理解码装置3中的图像存储模块301将所述图像获取装置2传输来的光点图像进行缓存；

步骤6）所述图像处理解码装置3中的图像差分模块302将所述图像存储模块301中缓存的两帧光点图像进行差分运算，检测两帧光点图像中出现亮度和色彩变化的区域；

步骤7）所述图像处理解码装置3中的图像滤波模块303将差分运算后的光点图像转换成灰度图像，再进行中值滤波处理；所述的中值滤波处理是基于排序统计理论的一种能有效抑制噪声的非线性信号平滑处理技术；

步骤8）所述图像处理解码装置3中的图像形状识别模块304根据灰度图像，设定一个阈值，将滤波后的灰度图像进行二值化，具体做法为，根据激光打开和关闭的时间，将滤波后的灰度图像中的每个像素点用数字“0”或者数字“1”来表示；当所述图像获取装置2的每帧图像的间隔时间为T时，数字“0”的像素点的激光点亮时间为2*T，激光关闭时间为4*T；数字“1”的像素点的激光点亮时间为4*T，激光关闭时间为2*T；然后计算灰度图像中所有为数字“1”的像素点的坐标平均值，即质心坐标，再计算质心到每个边缘像素点的距离，若这些距离的偏差在一定范围内，则认为是一个类圆形的激光点，即说明检测到激光点；

步骤9）在确认检测到激光点后，即出现符合引导码条件的激光信号后，所述图像处理解码装置3中的图像解码模块305记录每帧光点图像出现激光点的情况，由于每帧光点图像间隔时间是固定的，即可获得激光发射的亮灭时间，再根据激光通信协议进行解码，所述的激光通信协议由引导码、数据码和数据反码构成，当所述图像获取装置2的每帧图像的间隔时间为T时，所述引导码的激光点亮时间为2*T，激光关闭时间为2*T；所述数据码为由需要传输的数据量决定；所述数据反码为所述数据码按位取反的数值，用于数据校验，避免解析出错误数据；将数据码和数据反码解码出来后，若数据码和数据反码校验通过，则成功解析出激光编码的指令，即一次通信完成。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于图像处理的机器人激光通信系统，其特征在于：由激光编码发射装置（1）、图像获取装置（2）和图像处理解码装置（3）组成；

所述激光编码发射装置（1）包括激光发射器（101）、键盘（102）和微控制器（103），其中，

所述激光发射器（101）负责向所述图像获取装置（2）发射激光编码；

所述键盘（102）负责输入发射指令；

所述微控制器（103）负责检测所述键盘（102）的输入，获取发射指令，并根据发射指令通过定时器精准地控制所述激光发射器（101）发射激光编码的时间和时长；

所述图像获取装置（2）负责拍摄由所述激光发射器（101）发射过来的激光编码，并将所拍摄到的激光编码制成光点图像传输给所述图像处理解码装置（3）；

所述图像处理解码装置（3）负责将所述图像获取装置（2）传输来的光点图像进行缓存，处理，分析和解码；所述图像处理解码装置（3）包括图像存储模块（301）、图像差分模块（302）、图像滤波模块（303）、图像形状识别模块（304）和图像解码模块（305）；其中，

所述图像存储模块（301）负责存储参考图像和由所述图像获取装置（2）传输来的最新光点图像；

所述图像差分模块（302）负责将所述图像存储模块（301）中的两帧光点图像进行差分运算，以检测两帧光点图像中出现亮度和色彩变化的区域；

所述图像滤波模块（303）负责将差分后的光点图像转换成灰度图像，再进行中值滤波处理；

所述图像形状识别模块（304）负责根据灰度图像，设定一个阈值，将滤波后的灰度图像进行二值化，然后计算灰度图像中所有为数字“1”的像素点的坐标平均值，即质心坐标，再计算质心到每个边缘像素点的距离，若这些距离的偏差在一定范围内，则认为是一个类圆形的激光点，即检测到激光点；

所述图像解码模块（305）负责在检测到激光点，即出现符合引导码条件的激光信号后，记录每帧光点图像出现激光点的情况，获得激光发射的亮灭时间，再根据激光通信协议进行解码，解码后的数据，若数据码和数据反码校验通过，即成功解码激光编码的指令。

2.根据权利要求1所述的基于图像处理的机器人激光通信系统，其特征在于：所述激光发射器（101）采用可同时发出一种或者多种颜色激光的高亮度激光发射器。

3.根据权利要求2所述的基于图像处理的机器人激光通信系统，其特征在于：所述激光发射器（101）发出的激光颜色为波长492-577nm的绿色激光、波长622-770nm红色激光、波长455-492nm蓝色激光中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的基于图像处理的机器人激光通信系统，其特征在于：所述图像获取装置（2）为一种图像分辨率可调，且帧速率可软件配置的彩色相机。

5.根据权利要求1所述的基于图像处理的机器人激光通信系统，其特征在于：所述图像处理解码装置（3）为一种高性能工控机。

6.根据权利要求1所述的基于图像处理的机器人激光通信系统，其特征在于：所述图像获取装置（2）通过USB接口与所述图像处理解码装置（3）连接。

7.一种基于图像处理的机器人激光通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）操作人员利用激光编码发射装置（1）中的键盘（102）输入发射指令；

步骤2）所述激光编码发射装置（1）中的微控制器（103）检测所述键盘（102）的输入，获取发射指令；

步骤3）所述微控制器（103）根据发射指令通过定时器精准地控制激光发射器（101）发射激光编码的亮灭时间，实现向图像获取装置（2）发射激光编码；

步骤4）所述图像获取装置（2）拍摄由所述激光发射器（101）发射过来的激光编码，并将所拍摄到的激光编码制成光点图像传输给图像处理解码装置（3）；

步骤5）所述图像处理解码装置（3）中的图像存储模块（301）将所述图像获取装置（2）传输来的光点图像进行保存；

步骤6）所述图像处理解码装置（3）中的图像差分模块（302）将所述图像存储模块（301）中存储的两帧光点图像进行差分运算，检测两帧光点图像中出现亮度和色彩变化的区域；

步骤7）所述图像处理解码装置（3）中的图像滤波模块（303）将差分运算后的光点图像转换成灰度图像，再进行中值滤波处理；

步骤8）所述图像处理解码装置（3）中的图像形状识别模块（304）根据灰度图像，设定一个阈值，将滤波后的灰度图像进行二值化，然后计算灰度图像中所有为数字“1”的像素点的坐标平均值，即质心坐标，再计算质心到每个边缘像素点的距离，若这些距离的偏差在一定范围内，则认为是一个类圆形的激光点，即说明检测到激光点；

步骤9）在确认检测到激光点后，即出现符合引导码条件的激光信号后，所述图像处理解码装置（3）中的图像解码模块（305）记录每帧光点图像出现激光点的情况，由于每帧光点图像间隔时间是固定的，即可获得激光发射的亮灭时间，再根据激光通信协议进行解码，将数据码和数据反码解码出来，若数据码和数据反码校验通过，则成功解析出激光编码的指令，即一次通信完成。

8.根据权利要求7所述的基于图像处理的机器人激光通信方法，其特征在于：步骤7）中，所述的中值滤波处理是基于排序统计理论的一种抑制噪声的非线性信号平滑处理技术。

9.根据权利要求7所述的基于图像处理的机器人激光通信方法，其特征在于：步骤8）中，所述的二值化方法为，根据激光打开和关闭的时间，将滤波后的灰度图像中的每个像素点用数字“0”或者数字“1”来表示；当所述图像获取装置（2）的每帧图像的间隔时间为T时，

数字“0”的像素点的激光点亮时间为2*T，激光关闭时间为4*T；

数字“1”的像素点的激光点亮时间为4*T，激光关闭时间为2*T。

10.根据权利要求7所述的基于图像处理的机器人激光通信方法，其特征在于：所述的激光通信协议由引导码、数据码和数据反码构成，当所述图像获取装置（2）的每帧图像的间隔时间为T时，

所述引导码的激光点亮时间为2*T，激光关闭时间为2*T；

所述数据码为由需要传输的数据量决定；

所述数据反码为所述数据码按位取反的数值，用于数据校验，避免解析出错误数据。