CN110842908A - 一种机器人及其辅助定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人及其辅助定位方法，本机器人包括摄像头、处理器、驱动机构和两个距离传感器；所述两个距离传感器安装在机器人的左右两侧；驱动机构，用于驱动机器人移动；处理器，用于获取两个距离传感器的测量距离，根据两个距离传感器的测量距离控制驱动机构调整机器人的指向角度，使得在调整机器人的指向角度后，两个距离传感器测得的距离相等；获取摄像头拍摄的图像，根据图像控制驱动机构调整机器人的位置。本发明通过安装在机器人两侧的两个距离传感器所测量的距离来调整机器人与参照物之间的相对角度，其算法相对于现有技术更加简单，使得机器人可以快速地调整姿态。本发明可以广泛应用于自动化领域。

Description

一种机器人及其辅助定位方法

技术领域

本发明涉及自动化领域，尤其是一种机器人及其辅助定位方法。

背景技术

随着科学技术的发展，在机器视觉系统上的软硬件已经发展得非常成熟。在硬件方面，高精度、大分辨率、高速扫描的相机已经大量应用在航天航空、工业控制、视频监控等领域，同时高性能的计算机更是在社会的各个领域中成为了不可或缺的一部分。在软件方面，随着大量图像处理算法不断地深入研究，这些图像处理算法已经得到了实际应用的验证，并且广泛应用于实际的及其视觉产品的生产过程中。软硬件技术的持续进步，使得机器人技术也得到了深入的发展。

机房巡检是保障机房设备安全和保证设备正常运转的重要工作。目前，很多大型机房的巡检工作已经由机器人代替人工。采用机器人代替人工巡检，能够提升巡检效率，降低人力成本。

机器人在机房巡检时需要完成很多种动作，例如准确地移动到机柜的前方，即便是完成如此简单的一个动作，机器人也需要经过多次的姿态调整。而机器人要在机房中要实现姿态调整，一般需要通过图像识别的方法。采用当前的技术方案，机器人需要不断获取机柜的图像，通过识别如门缝等显著特征以及周围参照物的几何特征来调整机器人的与机柜之间的角度和位置。

但是采取图像识别的方法来调整机器人和机柜的相对角度，需要识别机柜的各边缘和各边缘所成的角度，并通过几何换算来得到机器人和机柜之间的相对角度，算法较为复杂，识别效率较低，不能是满足机器人快速调整姿态的需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种能够快速调整姿态的机器人及其辅助定位方法。

本发明所采取的第一种技术方案是：

一种机器人，包括：

摄像头，用于获取参照物的图像；

距离传感器，用于测量参照物与距离传感器之间的距离；所述距离传感器的数量为两个，且两个距离传感器安装在机器人的左右两侧；

驱动机构，用于驱动机器人移动；

处理器，用于获取两个距离传感器的测量距离，根据两个距离传感器的测量距离控制驱动机构调整机器人的指向角度，使得在调整机器人的指向角度后，两个距离传感器测得的距离相等；获取摄像头拍摄的图像，根据图像控制驱动机构调整机器人的位置。

进一步，所述的两个距离传感器的安装高度相同，所述摄像头与两个距离传感器之间的距离均相同。

进一步，所述距离传感器为超声波传感器。

进一步，所述驱动机构包括若干个万向轮和用于驱动所述万向轮的电机。

本发明所采取的第二种技术方案是：

一种机器人的辅助定位方法，包括以下步骤：

获取两个距离传感器的测量距离；

根据两个距离传感器的测量距离控制驱动机构调整机器人的指向角度，使得在调整机器人的指向角度后，两个距离传感器测得的距离相等；

获取摄像头拍摄的图像；

根据图像控制驱动机构调整机器人的位置；

所述测量距离为参照物到距离传感器的距离；所述两个距离传感器安装在机器人的左右两侧。

进一步，所述根据两个距离传感器的测量距离控制驱动机构调整机器人的指向角度，使得在调整机器人的指向角度后，两个距离传感器测得的距离相等，这一步骤具体包括：

根据两个距离传感器的测量距离，得到机器人的调整角度和调整方向；

根据所述调整角度和调整方向控制驱动机构旋转机器人，使得在机器人旋转后，两个距离传感器测得的距离相等。

进一步，所述根据图像控制驱动机构调整机器人的位置，这一步骤具体包括：

识别图像中的显著特征；

根据显著特征在图像中的位置，得到机器人的移动方向；

根据所述移动方向控制驱动机构调整机器人的位置。

进一步，所述根据显著特征在图像中的位置，得到机器人的移动方向，这一步骤具体包括：

以显著特征的像素点的个数作为特征值，建立图像的特征值分布图；

根据特征值分布图中的峰值在图像中的位置，得到机器人的移动方向。

进一步，在所述获取两个距离传感器的测量距离的步骤之前，还包括以下步骤：

判断摄像头的拍摄范围内是否存在显著特征，若是，则执行所述获取两个距离传感器的测量距离的步骤，反之，则控制驱动机构调整机器人的姿态，以使显著特征进入摄像头的拍摄范围内。

进一步，所述控制驱动机构调整机器人的姿态，以使显著特征进入摄像头的拍摄范围内，这一步骤具体为：

控制驱动机构使机器人原地旋转或者根据设定路径移动，以使显著特征进入摄像头的拍摄范围内。

本发明的有益效果是：通过安装在机器人两侧的两个距离传感器所测量的距离来调整机器人与参照物之间的相对角度，其算法相对于现有技术更加简单，使得机器人可以快速地调整自身的指向角度；本发明通过距离传感器来调整机器人与参照物之间的相对角度，并通过摄像头拍摄的图像来调整与参照物之间的相对位置，可以提升机器人的姿态调整速度，提升机器人的巡检效率。

附图说明

图1为本发明一种机器人的模块框图；

图2为本发明的机器人与参照物的第一位置关系的示意图；

图3为本发明的机器人与参照物的第二位置关系的示意图；

图4为本发明的机器人与参照物的第三位置关系的示意图；

图5为本发明一种机器人的辅助定位方法的流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明进行进一步的说明。

参照图1，本实施例公开了一种机器人，包括：

摄像头，用于获取图像，其中主要目的是获取参考物的图像以用于定位。所述摄像头可以用高清摄像头实现。所述摄像头固定安装在机器人上。

距离传感器，用于测量参照物与距离传感器之间的距离；所述距离传感器的数量为两个，且两个距离传感器安装在机器人的左右两侧；所述距离传感器可以是超声波传感器或者激光传感器等能够实现测距的传感器。所述摄像头和距离传感器均朝向机器人的正面安装，优选器，三者的安装角度平行且垂直于机器人的正面。

驱动机构，用于驱动机器人移动；所述驱动机构包括轮子(或者履带)、电机以及驱动电路。所述驱动机构应当具备移动和转向功能。

处理器，用于获取两个距离传感器的测量距离，根据两个距离传感器的测量距离控制驱动机构调整机器人的指向角度，使得在调整机器人的指向角度后，两个距离传感器测得的距离相等；获取摄像头拍摄的图像，根据图像控制驱动机构调整机器人的位置。在本实施例中，可以将摄像头的指向方向作为机器人的指向。也可以将经过机器人中心且朝向机器人正前方的方向定义为机器人的指向。指向角度是一个相对概念，其表达的含义是机器人的朝向。

参照图2，当机器人100与参照物200之间存在相对角度θ时，可以根据第一距离传感器101a测得的距离D、第二距离传感器101b测得的距离d以及第一距离传感器101a和第二距离传感器101b之间的距离a，换算得到机器人100与参照物200之间的相对角度θ。其中相对角度θ可以通过以下方法计算：

根据相似三角形的相关定理，

即

因此，

处理器根据相对角度θ控制驱动机构调整机器人的指向角度，机器人可以绕顺时针旋转或者逆时针原地旋转。参照图3，指向角度经过角度调整后的机器人100与参照物200处于平行的状态，此时D＝d，但是机器人100的中心位置与参照物200的中心位置在横向上存在相对距离s。处理器可以根据摄像头拍摄的图像，分析得到参照物200中心位置上的显著特征201在图像的左侧，因此可以知道机器人100相对于参照物200偏右，因此处理器可以控制驱动机构使机器人100向左移动，直至所述显著特征201位于图像的中心。如图4所示，经过位置调整后机器人100的中心与显著特征201的位置对应。

在现实中，显著特征的位置、距离传感器的位置以及摄像头的位置可以根据实际情况进行调整。例如，摄像头可以不位于机器人的正中心，在计算相对距离时，应当考虑摄像头与机器人中心的偏移量。同样，在一些实施例中显著特征也未必位于参照物的正中心，在计算相对距离时，应当考虑显著特征与参照物正中心之间的偏移量。而对于距离传感器，只要两个距离传感器不是上下设置，则在理论上可以通过三角关系，计算出机器人和参照物之间的相对角度，因此两个距离传感器的高度可以不同。同时，两个距离传感器的安装深度可能不同，因此在计算两个距离传感器所测得的距离时，应当先减去两个距离传感器的深度偏差。

作为优选的实施例，为了简化计算过程，提升计算效率，所述的两个距离传感器的安装高度相同，所述摄像头与两个距离传感器之间的距离均相同。优选地，两个距离传感器的安装深度相同，所述摄像头安装在经过机器人中心的轴线上。

作为优选的实施例，所述距离传感器为超声波传感器。超声波传感器技术成熟，测量精度适合，相对于激光传感器更加便宜，具有较高的性价比。

作为优选的实施例，所述驱动机构包括若干个万向轮和用于驱动所述万向轮的电机。所述电机有多个，包括驱动万向轮转动的电机和调整万向轮方向的电机。采用万向轮使得机器人可以轻松地完成原地旋转和平移等功能。

参照图5，一种机器人的辅助定位方法，包括以下步骤：

S100、获取两个距离传感器的测量距离。

S200、根据两个距离传感器的测量距离控制驱动机构调整机器人的指向角度，使得在调整机器人的指向角度后，两个距离传感器测得的距离相等。

S300、获取摄像头拍摄的图像。

S400、根据图像控制驱动机构调整机器人的位置。

所述测量距离为参照物到距离传感器的距离；所述两个距离传感器安装在机器人的左右两侧。本实施例的方法可以应用于如图1所示的机器人中，也可以应用在具备摄像头和左右两个距离传感器且可以移动的其他机器人中。

作为优选的实施例，所述步骤S200具体包括：

S201、根据两个距离传感器的测量距离，得到机器人的调整角度和调整方向。参照图2，当机器人100与参照物200之间存在相对角度θ时，可以根据第一距离传感器101a测得的距离D、第二距离传感器101b测得的距离d以及第一距离传感器101a和第二距离传感器101b之间的距离a，换算得到机器人100与参照物200之间的相对角度θ。此外，当D＞d时，可以顺时针旋转，当D＜d时，可以逆时针旋转，这样能够减少机器人旋转的角度，提升姿态调整的速度。

S202、根据所述调整角度和调整方向控制驱动机构旋转机器人，使得在机器人旋转后，两个距离传感器测得的距离相等。如图3所示，当机器人100旋转后，机器人100与参照物200之间平行，此时D＝d。

本实施例的算法简单，运算量少，能够提升姿态调整的效率。

作为优选的实施例，所述S400具体包括：

S401、识别图像中的显著特征。所述显著特征可以是特定的颜色和形状，例如以红色作为识别特征，或者通过正方形作为识别特征。

S402、根据显著特征在图像中的位置，得到机器人的移动方向。在本步骤中，可以根据显著特征是否在图像的中心来判断机器人是否需要进行平移，如果显著特征在图像的左侧，说明机器人需要向左移动。如果显著特征在图像的右侧，则说明机器人需要向右移动。如果显著特征在图像的正中心，则说明机器人已经对准参照物了，无需再调整机器人的横向位置了，此时，可以通过向前或者向后平移来调整机器人与参照物之间的距离。

S403、根据所述移动方向控制驱动机构调整机器人的位置。在本步骤执行过程中，需要不断判断显著特征是否已经位于图像的中心，若是，则机器人停止移动，反之，则机器人继续向左或者向右移动。

本实施例的判断逻辑简单，只需要判断显著特征是否位于图像的中心即可获知机器人是否已经调整到位。

作为优选的实施例，为了提升处理器的运算效率，所述步骤S402具体包括：

S4021、以显著特征的像素点的个数作为特征值，建立图像的特征值分布图；

S4022、根据特征值分布图中的峰值在图像中的位置，得到机器人的移动方向。

本实施例利用了显著特征的像素与参照物的像素具有明显区别的特点，来进行特征统计，并根据特征统计的结果来判断显著特征在图像中的位置。采用像素识别的方案相比于其他特征提取的方案运算量更少，能够提升机器人的运算效率。

作为优选的实施例，为了解决在初始状态时参照物的显著特征可能不在机器人的视觉范围内的问题，在步骤S100之前还包括以下步骤：

S500、判断摄像头的拍摄范围内是否存在显著特征，若是，则执行步骤S100，反之，则执行步骤S501。

S501、控制驱动机构调整机器人的姿态，以使显著特征进入摄像头的拍摄范围内。优选地，处理器可以控制驱动机构使机器人原地旋转或者根据设定路径移动。所述设定路径可以是往前、往后、往左或者往右移动一段距离，也可以是往前移动一段距离后再向右移动一段距离。本领域技术人员可以根据实际情况对设定路径进行定义。

对于上述方法实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种机器人，其特征在于：包括：

摄像头，用于获取参照物的图像；

距离传感器，用于测量参照物与距离传感器之间的距离；所述距离传感器的数量为两个，且两个距离传感器安装在机器人的左右两侧；

驱动机构，用于驱动机器人移动；

处理器，用于获取两个距离传感器的测量距离，根据两个距离传感器的测量距离控制驱动机构调整机器人的指向角度，使得在调整机器人的指向角度后，两个距离传感器测得的距离相等；获取摄像头拍摄的图像，根据图像控制驱动机构调整机器人的位置。

2.根据权利要求1所述的一种机器人，其特征在于：所述的两个距离传感器的安装高度相同，所述摄像头与两个距离传感器之间的距离均相同。

3.根据权利要求1所述的一种机器人，其特征在于：所述距离传感器为超声波传感器。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种机器人，其特征在于：所述驱动机构包括若干个万向轮和用于驱动所述万向轮的电机。

5.一种机器人的辅助定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

获取两个距离传感器的测量距离；

根据两个距离传感器的测量距离控制驱动机构调整机器人的指向角度，使得在调整机器人的指向角度后，两个距离传感器测得的距离相等；

获取摄像头拍摄的图像；

根据图像控制驱动机构调整机器人的位置；

所述测量距离为参照物到距离传感器的距离；所述两个距离传感器安装在机器人的左右两侧。

6.根据权利要求5所述的一种机器人的辅助定位方法，其特征在于：所述根据两个距离传感器的测量距离控制驱动机构调整机器人的指向角度，使得在调整机器人的指向角度后，两个距离传感器测得的距离相等，这一步骤具体包括：

根据两个距离传感器的测量距离，得到机器人的调整角度和调整方向；

根据所述调整角度和调整方向控制驱动机构旋转机器人，使得在机器人旋转后，两个距离传感器测得的距离相等。

7.根据权利要求5所述的一种机器人的辅助定位方法，其特征在于：所述根据图像控制驱动机构调整机器人的位置，这一步骤具体包括：

识别图像中的显著特征；

根据显著特征在图像中的位置，得到机器人的移动方向；

根据所述移动方向控制驱动机构调整机器人的位置。

8.根据权利要求7所述的一种机器人的辅助定位方法，其特征在于：所述根据显著特征在图像中的位置，得到机器人的移动方向，这一步骤具体包括：

以显著特征的像素点的个数作为特征值，建立图像的特征值分布图；

根据特征值分布图中的峰值在图像中的位置，得到机器人的移动方向。

9.根据权利要求7或8所述的一种机器人的辅助定位方法，其特征在于：在所述获取两个距离传感器的测量距离的步骤之前，还包括以下步骤：

判断摄像头的拍摄范围内是否存在显著特征，若是，则执行所述获取两个距离传感器的测量距离的步骤，反之，则控制驱动机构调整机器人的姿态，以使显著特征进入摄像头的拍摄范围内。

10.根据权利要求9所述的一种机器人的辅助定位方法，其特征在于：所述控制驱动机构调整机器人的姿态，以使显著特征进入摄像头的拍摄范围内，这一步骤具体为：

控制驱动机构使机器人原地旋转或者根据设定路径移动，以使显著特征进入摄像头的拍摄范围内。

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