CN116429092A - 一种移动机器人的室内区域定位系统及定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种移动机器人的室内区域定位系统及其定位方法。RFID检测器检测到机器人上的RFID标签后发送全局复位指令，LED矩阵内全部LED节点的本地时钟复位并且区域信号灯开始工作。机器人上的光电接收器检测区域灯信号的频率，查询频率映射表得到当前所处的区域编号，并向对应区域的LED矩阵控制器发布信号控制该组LED工作，网路协调器不断发布同步信号控制线阵CCD传感器曝光和LED闪烁。当机器人上的线阵CCD相机视场中检测到LED时查询该LED的地址映射表，根据LED在世界坐标系和传感器坐标系下的位置解算出两个坐标系之间的变换矩阵即传感器的位置，进而计算出机器人的位置。本发明方法将LED轮回闪烁的范围从全局缩小到局部，减少了LED矩阵每轮的时间，提高了定位的频率。
Description
技术领域
本发明涉及机器人定位领域，具体涉及一种用于移动机器人在室内区域定位的方法与系统。
背景技术
室内定位是指在室内环境中对目标进行定位。它可以应用于室内导航、安保监控、智能家居等领域。传统的室内定位方案主要包括基于无线信号、声纹、摄像头等技术。然而，这些方案在实际应用中存在一些局限性，如精度低、实时性差、易受干扰等问题。因此，开发一种高精度、可靠、实用的室内定位方案一直是一个热门的研究方向。
目前，已有多种室内定位技术被应用于商业场景和个人生活中。常见的室内定位方案包括基于WIFI、蓝牙、声纹、摄像头等技术。其中，基于WIFI的室内定位方案利用WIFI信号强度进行定位，精度较低，仅能达到数米级别；蓝牙定位方案需要在场景内部署大量的蓝牙信标，成本较高；声纹定位方案对环境噪声和用户口音等有一定要求，实际应用面临困难；而基于摄像头的定位方案可以获得较高的精度和覆盖范围，但其存在着隐私保护和安全性问题，且容易受到光照等干扰。
发明内容
针对上述已有技术的问题和不足，本发明提供一种基于区域定位思想的机器人室内定位方法，通过采用CCD传感器进行定位，能够提高定位频率，同时不受室内环境大小的影响。相比于传统的高精度光学定位系统，能够在大场景下实现更高的定位频率，有效地提高了室内定位的精度和可靠性。
本发明采用的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种移动机器人的室内区域定位系统，其特点在于，包括移动机器人本体、网络协调器、设置在室内环境中的LED矩阵以及设置在室内环境入口处的RFID读写器；
在所述移动机器人本体上设有RFID标签，线阵CCD传感器，IMU传感器，机器人控制器和光电接收器；
所述LED矩阵包括LED灯、区域信号灯和LED矩阵控制器，所述LED矩阵控制器置于环境中，每个区域放置一个,每个LED控制器具有唯一的ID；
所述RFID读写器和RFID标签相互协作，用于检测机器人是否进入房间；
所述区域信号灯，用于发送不同频率的光信号；
所述光电接收器，用于接收不同频率的光信号，并根据接收的光信号频率，判断所述移动机器人本体当前所处区域编码；
相应区域的LED矩阵控制器，用于复位范围内全部LED灯的本地时钟并在接收到同步信号后，激活对应的LED灯；
所述网络协调器，用于给线阵CCD传感器和LED矩阵发送同步信号；
所述线阵CCD传感器，用于计算出上方视场中LED的三维坐标；
所述机器人微型计算机，用于根据LED在世界坐标系和传感器坐标系中的坐标计算出机器人的位姿；
所述IMU传感器，用于校准相邻区域相交的重合部分的机器人位姿。
优选的，所述RFID读写器放置在所述移动机器人本体进入室内区域需要经过的地点，所述RFID读写器的感应范围为1m，覆盖室内入口区域。
优选的，所述光电接收器和区域信号灯用于实现区域定位，光电接收器采用光电二极管，区域信号灯彩用LED。
优选的，所述LED矩阵采用的时间地址的结构，矩阵中的每个LED灯都被分配相应的时间地址，通过本地时钟和LED节点上无线芯片的组合实现了单个同步信号同步触发LED节点和线阵CCD传感器。
优选的，所述线阵CCD传感器是布局上呈Y型分布的3个CCD相机，对应的镜头组，控制和数据处理单元组成，空间中某个平面上光点经镜头组折射后在线阵CCD上形成一个像点，三个线阵CCD可以确定三个平面，平面的交点为光电的位置。
另一方面，本发明还提供一种移动机器人的室内区域定位方法，其特点在于，包括如下步骤：
S1.在室内布置多个区域信号灯和RFID读写器
S2.当移动机器人本体进入房间时，RFID读写器由移动机器人本体上的RFID标签触发，向网络协调器发送全局复位指令；
S3.所述网络协调器将该指令广播给全局范围内的LED矩阵控制器，用于激活全局范围内所有的区域信号灯，并将每个区域内LED灯的本地时钟复位；
S4：移动机器人上的光电接受器检测出该区域光信号中的频率，机器人控制器查询频率映射表得到区域编号后向对应区域的LED矩阵控制器发送控制指令,用以激活区域内的LED矩阵，LED矩阵循环点亮其中所有的LED节点；
S5.LED矩阵控制器在每轮循环结束后复位所有LED节点的时钟；网络协调器在给LED节点发送同步消息的同时给线阵CCD发送同步消息控制线阵CCD传感器曝光；
S6.线阵CCD传感器检测到LED光信号，根据空间中三点在两个坐标系中的坐标，求解出两个坐标系之间的转换矩阵即是传感器坐标系的位置，进而得到机器人在世界坐标系中的位姿。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明基于光学传感器的室内定位方法的定位精度为mm级，定位精度高于基于无线，基于视觉的定位方法。
2.通过将每轮LED闪烁范围从全局缩小到了局部，定位频率可以提高数倍。
3.现有的大部分定位技术只能计算三维坐标，本发明提出的定位技术除三维坐标外还能计算机器人方向，可以方便机器人实现更加精细的姿态控制。
附图说明
图1为本申请实施例提供的室内区域定位系统的系统框图
图2为本申请实施例提供的室内LED矩阵布局图；
图3为本申请实施例提供的移动机器人组成示意图
图4为本申请实施例提供的基于区域划分的室内定位方法流程图
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。此处描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
请参照图1，它展示了整个室内区域定位系统的系统框架，整个系统包括RFID检测装置，RFID标签，线阵CCD传感器，光电接收器，IMU传感器，LED矩阵，区域信号灯，网络协调器，移动机器人。
机器人接收区域光信号后，查找频率映射表并向LED矩阵控制器发送控制指令。LED矩阵控制器激活对应区域的LED矩阵并复位矩阵内每个LED节点的本地时钟。小车上的线阵CCD传感器解析出视场中LED在传感器坐标系下的坐标并发送给机器人控制模块，机器人控制模块查询当前LED的世界坐标。机器人获取空间中三对点坐标求解出两个坐标系之间的变换矩阵。
灯频谱范围在1K-1M之间，与LED矩阵的频谱存在明显差异，从而使光电接收器能够精准识别每个频率。本发明中还包括频率映射表，用于将区域信号灯的频率映射到相应的区域编号。
请参照图2，它展示了LED矩阵和区域信号灯在室内空间中的布局。其中LED矩阵是一个N*M大小的LED矩阵。室内空间被划分为若干个区域，并为每个区域编号，区域内全部的LED组成一个LED矩阵。每个区域的几何中心点处放置区域信号灯，该区域信号灯的发射频率在1KHZ到1MHZ之间,每个区域信号灯被分配不同频率。根据每个区域的编号和被分配的频率建立频率映射表。在房间的入口安置RFID检测装置，该装置用于检测移动机器人是否进入该房间，同时用来触发全局范围内的LED组控制器晶振时钟的复位信号。所述LED矩阵控制器接收到控制指令后激活LED矩阵，并复位矩阵中每个LED节点的本地时钟。全局范围内的LED根据室内场景大小被划分为若干个区域，每个区域是一个N*M大小的LED矩阵。每个LED矩阵中包含一个矩阵控制器，控制器用于控制区域信号灯的频率以及开关状态，同时该控制器给矩阵内的LED节点发送同步信号。每个LED节点的本地时钟根据时间地址在对应时间唤醒无线芯片，无线芯片收到同步信号以后点亮LED。其中LED矩阵中的每个LED都有编码，并且提前利用高精度测量装置(如激光跟踪仪)测量出每个LED在世界坐标系下的位置。建立地址映射表将LED编号映射到世界坐标系下的位置。根据三对点在不同坐标系下的坐标求解出两个坐标系之间的转换矩阵，进而求解出机器人的位姿。
请参照图3，图3是移动机器人的组成示意图。其中RFID标签，光电接收器，线阵CCD传感器均安置于机器人主体的上方，其中线阵CCD传感器视场方向朝向正上方，IMU传感器安装在机器人的重心，这个位置可以极大限度的减小因机器人运动而产生的误差。线阵CCD传感器测量视场内LED节点的位置。网络协调器同时给矩阵控制器和线阵CCD传感器发送同步信号，线阵CCD的曝光时间与LED的点亮时间保持同步。
请参照图4，图4简述了整个系统的工作流程，整个系统工作的详细步骤如下：
步骤1：移动机器人进入室内，布置在入口处的RFID检测装置被机器人上的RFID标签触发后向网络协调器发送全局复位指令，网络协调器将该指令广播给全局范围内的LED矩阵控制器。该指令将执行两个操作：激活全局范围内所有的区域信号灯；将每个区域内的LED矩阵控制器的本地时钟复位。
步骤2：移动机器人上的光电接受器检测出该区域光信号中的频率，其中区域信号灯的发射频率在1KHZ以上。机器人控制模块查询频率映射表得到区域编号后向对应区域的LED矩阵控制器发送控制指令,用以激活区域内的LED矩阵，LED矩阵循环点亮其中所有的LED节点。
步骤3：LED矩阵内的每个LED都分配有对应的地址。每个LED节点维护一个本地时钟，本地时钟在每条时间地址的开头唤醒该节点的无线芯片以接受同步消息，在其他时间该节点的无线芯片处于休眠状态延长电量的使用时间。LED矩阵控制器在每轮循环结束后复位所有LED节点的时钟。网络协调器在给LED节点发送同步消息的同时给线阵CCD发送同步消息控制线阵CCD传感器曝光。
步骤4：线阵CCD传感器视场中的LED在传感器中三个线阵CCD上形成三个像点u1，u2，u3。LED在线阵CCD传感器坐标系下的位置为(XS,YS,ZS),(XS,YS,ZS)与像点u之间存在以下关系：
其中l[i][j]是线阵CCD相机Ci投影矩阵Li的参数，投影矩阵Li的定义为：
其中f是线阵CCD相机的焦距，u0是线阵CCD的像素原点坐标，
是线阵CCD相机坐标系C到传感器坐标系S之间的转换矩阵。
由上述公式可求解出LED在传感器系下的位置。每个LED的工作周期为30ms,工作周期内LED的点亮时间为1ms，其他时间保持关闭状态。移动机器人连续采集视场中的三个LED点。根据空间中三点在两个坐标系中的坐标，求解出两个坐标系之间的转换矩阵即是传感器坐标系的位置，由于传感器坐标系和机器人坐标系之间的转换矩阵已知，进而可以得到机器人在世界坐标系中的位姿。
步骤5：由于每个区域信号灯的照射范围不是规则的方形，为了保证能覆盖到全局范围，两个相邻区域的边界会存在部分重合。当小车运动到两个相邻区域的边界时，光电转换器会同时接收到两个区域信号灯的信号。此时机器人控制器将会读取IMU的定位数据，当机器人离开重合区域以后向原区域的LED控制器发送关闭指令。由于重合区域面积比较小，在此期间IMU的累计误差可以忽略，能够提供准确的机器人位姿估计。
最后应当说明的是，以上内容仅用于说明本发明的技术方案，而非对本发明专利保护范围的限制。本领域的普通技术人员可对本发明的技术方案进行简单修改或者等同替换，均不得脱离本发明技术方案的实质和范畴。
Claims (6)
1.一种移动机器人的室内区域定位系统，其特征在于，包括移动机器人本体、网络协调器、设置在室内环境中的LED矩阵以及设置在室内环境入口处的RFID读写器；
在所述移动机器人本体上设有RFID标签，线阵CCD传感器，IMU传感器，机器人控制器和光电接收器；
所述LED矩阵包括LED灯、区域信号灯和LED矩阵控制器，所述LED矩阵控制器置于环境中，每个区域放置一个,每个LED控制器具有唯一的ID；
所述RFID读写器和RFID标签相互协作，用于检测机器人是否进入房间；
所述区域信号灯，用于发送不同频率的光信号；
所述光电接收器，用于接收不同频率的光信号，并根据接收的光信号频率，判断所述移动机器人本体当前所处区域编码；
相应区域的LED矩阵控制器，用于复位范围内全部LED灯的本地时钟并在接收到同步信号后，激活对应的LED灯；
所述网络协调器，用于给线阵CCD传感器和LED矩阵发送同步信号；
所述线阵CCD传感器，用于计算出上方视场中LED的三维坐标；
所述机器人微型计算机，用于根据LED在世界坐标系和传感器坐标系中的坐标计算出机器人的位姿；
所述IMU传感器，用于校准相邻区域相交的重合部分的机器人位姿。
2.根据权利要求1所述的移动机器人的室内区域定位系统，其特征在于，所述RFID读写器放置在所述移动机器人本体进入室内区域需要经过的地点，所述RFID读写器的感应范围为1m，覆盖室内入口区域。
3.根据权利要求1所述的移动机器人的室内区域定位系统，其特征在于，所述光电接收器和区域信号灯用于实现区域定位，光电接收器采用光电二极管，区域信号灯彩用LED。
4.根据权利要求1所述的移动机器人的室内区域定位系统，其特征在于，所述LED矩阵采用的时间地址的结构，矩阵中的每个LED灯都被分配相应的时间地址，通过本地时钟和LED节点上无线芯片的组合实现了单个同步信号同步触发LED节点和线阵CCD传感器。
5.根据权利要求1所述的移动机器人的室内区域定位系统，其特征在于，所述线阵CCD传感器是布局上呈Y型分布的3个CCD相机，对应的镜头组，控制和数据处理单元组成，空间中某个平面上光点经镜头组折射后在线阵CCD上形成一个像点，三个线阵CCD可以确定三个平面，平面的交点为光电的位置。
6.一种移动机器人的室内区域定位方法，其特征在于，包括：
S1.在室内布置多个区域信号灯和RFID读写器
S2.当移动机器人本体进入房间时，RFID读写器由移动机器人本体上的RFID标签触发，向网络协调器发送全局复位指令；
S3.所述网络协调器将该指令广播给全局范围内的LED矩阵控制器，用于激活全局范围内所有的区域信号灯，并将每个区域内LED灯的本地时钟复位；
S4：移动机器人上的光电接受器检测出该区域光信号中的频率，机器人控制器查询频率映射表得到区域编号后向对应区域的LED矩阵控制器发送控制指令,用以激活区域内的LED矩阵，LED矩阵循环点亮其中所有的LED节点；
S5.LED矩阵控制器在每轮循环结束后复位所有LED节点的时钟；网络协调器在给LED节点发送同步消息的同时给线阵CCD发送同步消息控制线阵CCD传感器曝光；
S6.线阵CCD传感器检测到LED光信号，根据空间中三点在两个坐标系中的坐标，求解出两个坐标系之间的转换矩阵即是传感器坐标系的位置，进而得到机器人在世界坐标系中的位姿。
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