CN114152911A - Led光谱分区的机器人室内定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于LED灯光谱分区的室内定位系统，在机器人的后台预先构造模拟空间，以基本图形组合成建筑平面，每个基本图形布置特定波长的LED灯阵列。同时，在建筑平面中安装真实LED灯，安装位置与模拟空间一致，构成完整的定位网络。各定位区的LED灯分别发出不同波长的光编码，这些LED灯的位置已知，机器人识别不同波长的光编码，计算自身相对于各灯具的方位与距离，确定其在建筑平面中的准确位置。本发明可以用于室内移动设备的精确定位，特别适合机器人快速确认自身位置，极大方便机器人在民用领域的使用。

Description

LED光谱分区的机器人室内定位系统

(一)技术领域

本发明是以LED灯的光谱划分定位区的室内定位系统，用于机器人等自走设备在特定空间的精确定位。本发明在天花板安装多个LED灯，每个灯均包含发出特定波长光线的芯片，组成光谱分区的定位网络，由于这些灯的位置是固定的，机器人识别不同LED灯发出的光编码，计算光信号来源与特征，实现精确的分区定位。本发明能自主生成室内地图，特别适合机器人快速确认自身位置。

(二)背景技术

可实现室内定位的技术有无线网络、声波、可见光及地磁场定位。无线网络需要在室内布置多个无线热点，通过读取应答器的ID码和测量信号强度来确定位置，精度不高但成本较低；超声波在室内布置多个接收机，定位器向固定的接收机发射超声波，从而获得定位器与各个接收机的距离，由此确定定位器的位置，精度较高，但需要布置大量硬件；.可见光通过天花板上的LED灯具发出光信号传输ID码，应答器通过识别ID码和测量信号强度来确认位置，定位精度很高；地磁场利用不同空间磁场差异性来定位，建筑的各楼层会分别构建各自独特的地磁场图，事先测量并生成对应的室内地图，该系统需要事先测量和建模，精度较高，但前期投资大。

可以看出，上述定位技术都需要事先布置硬件或生成地图，对于机器人来说，需要在控制系统提前预置室内地图。随着机器人在民用领域的逐步普及，机器人需要适应越来越多的陌生环境，举例来说，家庭机器人必须自我识别不同房间的位置，才能方便家庭使用，设计快速的、自学习的室内定位系统，已经成为迫切的技术需求。

注意到上述问题，本发明提出一种基于LED灯光谱分区的室内定位系统，多个定位区覆盖整个建筑，各定位区的LED灯分别发出不同波长的光编码，机器人识别不同波长的光编码，并计算确定自身的在定位网络中的位置，并发送到服务器显示在室内地图中。本发明很适合移动设备的室内定位，实现机器人对各种房间的快速适应。

(三)发明内容

常规的LED灯室内定位的原理，是在灯具驱动器中加入编码器，用脉宽调制的方法加载到LED的驱动电流中，利用LED芯片作为发射载体，定期发送特定的光信号。当携带定位器的用户进入该灯具照明区域，定位器接收并识别光信号，解析出该灯具发送的ID编码，根据光信号的入射方位、强度等特征，计算出定位器相对灯具的位置，显示在室内地图中。由于灯具在房间的位置是已知的，且光信号方向性极强，在室内呈线性衰减，单灯定位就能达到相当的精度，如果利用多点定位算法，其定位精度可达厘米级。

在开敞的大空间使用上述方法，某个定位器可能识别到过多的光信号，引起位置计算混乱，造成定位数据延迟，工作的可靠性不高。而对于多居室的家庭来说，跨房间的信号没有区分，定位器可能同时收到不同房间的信号，会带来误计算。本发明针对上述问题，提出以不同波长的光线划分定位区的技术方案，每个定位区都有特定波长的主导光信号，某个区内的定位器只识别这一波长的信号，忽略其他波长的信号，由此，多个定位区把互相拼接，快速生成完整的室内地图，且有效提高定位的可靠性。

LED发出的可见光，波长范围是380～780纳米，紫光比红光更短。光线的波长越长，穿透能力越强，红光明显强于紫光。白光LED由红绿蓝三原色的发光体组成，三种色光等比例混合得到白光，其他颜色的光线，都可以通过三原色按比例混合而得。本发明以20-100纳米为间隔，可以把可见光分为3～20个种类，对应的LED芯片分别用于各类建筑平面的定位区划分。

灯具可以是定位专用，只包含光谱模组，发出特定波长的光线，并由编码器驱动，把ID码信号加载到驱动电流中。灯具也可以是普通LED灯，包括筒灯与格栅灯等类型，首先具备照明功能，设有常规照明用的LED芯片，灯具中另外设置光谱模组，用于室内定位。这两种定位灯具都可以定期发出特定波长的ID编码，附近的机器人均可以感知这些光信号。

多个定位灯具组成完整网络，灯具的位置需要根据建筑平面预先设计，以便形成多个定位区，这些定位区共同组成覆盖建筑平面的定位网络。本发明预先在机器人的后台构造建筑平面的模拟空间，后台预置了多个基本图形，包括矩形、三角形与圆形三类，依据房间的尺寸和形状，能够组合成任何形状的建筑平面。

模拟空间分为两类：

一类是形状不规则的公共建筑，均分解为矩形、三角形与圆形三种基本图形，每个基本图形构成一个定位区，每个定位区设计不同波长的定位灯具阵列。一类是多居室的住宅，每个房间都有隔墙明确分开，各房间可以选择不同波长的定位灯具。

真实灯具的安装位置必须与模拟空间保持一致，特定波长的LED灯只能安装在模拟空间确认的那个定位区中，每个定位区只有特定波长的主导光信号，由此把模拟空间与实际空间一一对应，确保机器人自主构造模拟空间，实现自学习定位。

机器人上均安装定位器，包含光谱仪与分析器。光谱仪对应整个可见光频段，能够识别所有可见光的ID编码，并解析出光信号的入射角度、方位及强度。分析器是后台计算机，能够根据上述特征参数，计算出自身相对于一个或多个定位灯具的方位与距离，从而确定该机器人在这个定位区的准确位置。在任何时刻，机器人只位于一个定位区中，只感知该定位区特定波长的光信号，忽略其他光信号，有效避免信号的误接收，显著减少位置计算的难度，大大提高室内定位的可靠性。

基于上述光谱分区的定位是持续进行的，机器人可通过wifi/bluetooth/5G等无线信号，把自身在模拟空间中的位置发送到服务器，显示在室内地图中，用户访问服务器，能够获得机器人的实时位置，便于监控机器人的自主移动。

由此，本发明通过不同波长的定位灯具的分区，为机器人构造了多个定位区组成的模拟空间，模拟空间与真实空间保持一致，每个定位区都可以单独定位，其工作原理与LED光信号定位完全相同，构成自学习的定位系统，极大方便机器人在室内的自主工作。

(四)有益效果

本发明提出一种基于LED灯光谱分区的室内定位系统，在机器人的后台预先构造模拟空间，以基本图形组合成建筑平面，每个基本图形布置特定波长的LED灯阵列。同时，在建筑平面中安装真实LED灯，安装位置与模拟空间一致，构成完整的定位网络。各定位区的LED灯分别发出不同波长的光编码，这些LED灯的位置已知，机器人识别不同波长的光编码，计算自身相对于各灯具的方位与距离，确定其在建筑平面中的准确位置。本发明可以用于室内移动设备的精确定位，特别适合机器人快速确认自身位置，极大方便机器人在民用领域的使用。

(五)附图说明

以下结合附图对本发明加以说明，图1是光谱模组定位灯的示意图，图2是光谱模组与筒灯结合的示意图，图3是光谱划分定位区的拟模空间示意图和实施例，图4是多光谱分区定位的工作原理图和实施例。

具体实施方式

图1说明定位灯的结构，灯具1包括光谱模组2与驱动器3，光谱模组2是LED专用芯片，可发出特定波长的光线，数量不少于1个，驱动器3是编码器，能够把ID码信号加载到驱动电流中，驱动光谱模组2定期发出ID码的光信号。多个灯具1安装到建筑天花板上，构成定位网络。

图2说明光谱模组可以与普通灯具一体化，灯具1包括芯片组与驱动器，芯片组中，照明模组5是LED常规芯片，提供正常的照明功能，与普通灯具相同，光谱模组2是LED专用芯片，可发出特定波长的光线，数量不少于1个。驱动器3与照明电源4分别独立工作，驱动器3是编码器，能够把ID码信号加载到驱动电流中，驱动光谱模组2定期发出ID码的光信号，照明电源4输出恒流直流电压，用于驱动照明模组5。可见，普通灯具可以兼做定位用。

图3说明如何把机器人后台的模拟空间与真实空间对应起来。预先在机器人的后台构造建筑平面的模拟空间，后台预置了多个基本图形，包括矩形、三角形与圆形三类，依据房间的尺寸和形状，能够组合成任何形状的建筑平面，每个基本图形构成一个定位区，每个定位区设计特定波长的灯具1阵列，不同波长的光信号限定出多个定位区6。在模拟空间中，灯具1的间隔依据建筑层高确定，房间越高，灯具数量越少，信号覆盖范围越大，同时，灯具1的位置由操作员用鼠标拖动就位，灯间距自行设定，其最小间距不小于5米，同时，每个灯具都有唯一的ID编码，与真实LED灯发出的ID码一致。

模拟空间的灯具放在设计位置后，操作员在实际建筑中安装真实LED灯，安装位置与模拟空间一致，构成完整的定位网络，须确保不同的定位区安装不同波长的LED灯，各定位区内的LED灯的波长一致，且每个灯具安装在模拟空间中的设计位置上。

图3也是室内工程的实施例。建筑平面由三个基本图形组合而成，其中二个是矩形，一个是半圆形。基本图形选定后，A区选择5×6的阵列，蓝光信号；B区选择2×3的阵列，红光信号，C区选择3×4的阵列，绿光信号。实施例只用了三种光谱就够了，本发明以20～100纳米为间隔，可以把可见光分为3～20个种类，对应的LED芯片分别用于各类建筑平面的定位区划分。

图4说明分区定位的流程，灯具1安装在天花板上，灯间距不小于5米，由此形成定位区6。机器人上安装定位器7，包含光谱仪与分析器，光谱仪对应整个可见光频段，能够识别所有可见光的ID编码，并解析出光信号的入射角度、方位及强度，分析器是后台计算机，能够根据上述特征参数，计算出自身相对于一个或多个定位灯具的方位与距离，从而确定该机器人在这个定位区的准确位置。

图4也是光谱信号定位的实施例，左侧定位区是绿光信号，右侧定位区是红光信号，机器人位于发出绿光编码的灯具1附近，通过计算光信号的特征值，确定机器人与该灯具的方位与距离。各灯具在建筑平面的位置已知，根据机器人与各灯具的方位与距离，可以确定机器人在建筑平面中的准确位置。在任何时刻，机器人只位于一个定位区中，只感知该定位区特定波长的光信号，忽略其他光信号，有效避免信号的误接收，显著减少位置计算的难度，大大提高室内定位的可靠性。

Claims (8)

1.一种基于LED灯光谱分区的室内定位系统，在天花板安装多个LED灯，其特征是：

灯具包括光谱模组与驱动器，光谱模组是LED专用芯片，可发出特定波长的光线，数量不少于1个，驱动器是编码器，能够把ID码信号加载到驱动电流中，驱动光谱模组定期发出ID码的光信号；

预先在机器人的后台构造建筑平面的模拟空间，后台预置了多个基本图形，包括矩形、三角形与圆形三类，依据房间的尺寸和形状，能够组合成任何形状的建筑平面，每个基本图形构成一个定位区，每个定位区设计特定波长的灯具阵列，不同波长的光信号限定出多个定位区；

模拟空间的灯具放在设计位置后，操作员在实际建筑中安装真实LED灯，安装位置与模拟空间一致，构成完整的定位网络，须确保不同的定位区安装不同波长的LED灯，各定位区内的LED灯的波长一致，且每个灯具安装在模拟空间中的设计位置上；

机器人上安装定位器，包含光谱仪与分析器，光谱仪对应整个可见光频段，能够识别所有可见光的ID编码，并解析出光信号的入射角度、方位及强度，分析器是后台计算机，能够根据上述特征参数，计算出自身相对于一个或多个定位灯具的方位与距离，从而确定该机器人在这个定位区的准确位置。

2.根据权利要求1所述的室内定位系统，其特征是光谱模组可以与普通灯具一体化，照明模组是LED常规芯片，与普通灯具相同，光谱模组是LED专用芯片，可发出特定波长的光线，数量不少于1个。

3.根据权利要求1所述的室内定位系统，其特征是在模拟空间中，灯具的间隔依据建筑层高确定，房间越高，灯具数量越少，信号覆盖范围越大。

4.根据权利要求1所述的室内定位系统，其特征是同时，灯具的位置由操作员用鼠标拖动就位，灯间距自行设定，其最小间距不小于5米。

5.根据权利要求1所述的室内定位系统，其特征是同时，每个灯具都有唯一的ID编码，与真实LED灯发出的ID码一致。

6.根据权利要求1所述的室内定位系统，其特征是以20～100纳米为间隔，可以把可见光分为3～20个种类，对应的LED芯片分别用于各类建筑平面的定位区划分。

7.根据权利要求1所述的室内定位系统，其特征是各灯具在建筑平面的位置已知，根据机器人与各灯具的方位与距离，可以确定机器人在建筑平面中的准确位置。

8.根据权利要求1所述的室内定位系统，其特征是在任何时刻，机器人只位于一个定位区中，只感知该定位区的特定波长的光信号，忽略其他光信号。

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