CN209230639U - 一种基于激光导航的坐标定位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于激光导航的坐标定位装置，至少包括激光定位装置，所述激光定位装置至少包括具有光标发射器和第一光标检测器的激光雷达和坐标定位模块，所述激光定位装置与所述坐标定位模块通信连接，所述坐标定位模块还与UWB坐标定位模块通信连接，在所述激光定位装置生成的第一位置信息传输至所述坐标定位模块的情况下，用于辅助定位的第二位置信息能够按照由UWB坐标系转化为激光坐标系的方式从所述UWB坐标定位模块传输至所述坐标定位模块，其中，所述用于辅助定位的UWB坐标定位模块至少包括UWB定位标签和UWB基站，所述UWB基站分别与所述UWB定位标签和所述坐标定位模块通信连接，所述UWB基站由设置于支架上的超宽带无线通讯UWB传感器组成。

Description

一种基于激光导航的坐标定位装置

技术领域

本实用新型涉及坐标定位技术领域，尤其涉及一种基于激光导航的坐标定位装置。

背景技术

基于激光导航的坐标定位装置作为移动机器人领域的一个重点研究热点，通常基于地图匹配的方法实现对机器人的定位导航。但是传统的激光导航定位技术具有定位距离较短和定位精度较低等缺点，往往无法达到测量要求。

中国专利(公布号为CN205959070U)公开了一种用于特殊环境的激光导航设备,包括四根布置于导航盲区内且围成一四边形的反光柱以及一激光导航机器人，所述激光导航机器人包括机体以及设置于该机体内的激光测距模块、数据处理控制单元以及用于驱动该机体移动的行走单元。该专利通过设置四根反光柱配合激光测距模块工作，由于激光测距模块在测距过程中可以获取到设备与反射物的距离值、设备与反射物的相对角度及反射率，因而该四根反光柱可以同时在导航盲区中建立坐标系，利用函数比例运算即可获知该激光测距模块所处的机体在导航盲区的实际位置，因而使得激光导航设备在穿梭导航盲区时，可以利用反光柱反射率方式进行系统定位，保证行走不偏离方向。但是该专利至少存在以下缺陷：该专利的定位距离受到激光测距模块的最远测试距离限制，定位距离较短；该专利受实际使用环境影响较大，当使用环境存在较多障碍物而导致激光测距模块无法正常工作时，该专利会出现无法定位等问题；该专利的定位手段较为单一，定位精度较差。因此，本实用新型是克服现有技术的不足提供的一种基于激光导航的坐标定位装置。

实用新型内容

针对现有技术之不足，本实用新型提供了一种基于激光导航的坐标定位装置，至少包括激光定位装置，所述激光定位装置至少包括具有光标发射器和第一光标检测器的激光雷达和坐标定位模块，所述激光定位装置与所述坐标定位模块通信连接，所述坐标定位模块还与UWB坐标定位模块通信连接，在所述激光定位装置生成的第一位置信息传输至所述坐标定位模块的情况下，用于辅助定位的第二位置信息能够按照由UWB坐标系转化为激光坐标系的方式从所述UWB坐标定位模块传输至所述坐标定位模块，其中，所述用于辅助定位的UWB坐标定位模块至少包括UWB定位标签和UWB基站，所述UWB基站分别与所述UWB定位标签和所述坐标定位模块通信连接，所述UWB基站由设置于支架上的超宽带无线通讯UWB传感器组成。

根据一个优选实施方式，所述激光定位装置设置于待测移动装置顶部且相隔设定距离，所述光标发射器按照其出光方向与地面垂直和/或其出光方向与地面水平的方式设置，在所述光标发射器水平于地面发射出光标的情况下，所述第一光标检测器基于所述光标发射器受待测区域环境反射回来的光标生成所述待测移动装置的第一位置信息能够传输至所述坐标定位模块，在所述光标发射器垂直于地面发射出光标且所述光标能够将与地面对应的天花板作为所述光标投射的表面的情况下，设置于所述天花板上的第二光标检测器生成的第一位置信息能够从所述第二光标检测器传输至所述坐标定位模块。

根据一个优选实施方式，在所述第一光标检测器和/或第二光标检测器生成所述待测移动装置的位置信息的情况下，所述坐标定位模块能够基于所述第一位置信息和所述用于辅助定位的UWB坐标定位模块生成的第二位置信息生成第三位置信息。

根据一个优选实施方式，所述UWB坐标定位模块还包括用于建立UWB 坐标定位系统的上位机，所述上位机与所述坐标定位模块通信连接，在所述待测移动装置处于室外且所述激光定位装置无法对所述待测移动装置进行定位和/或定位效果差的情况下，所述UWB坐标定位模块通过将所述UWB 定位标签设置于所述待测移动装置上并根据待测区域环境建立UWB基站，所述上位机按照与所述UWB基站通信连接的方式建立用于测量所述待测移动装置实时位置的UWB坐标定位系统。

根据一个优选实施方式，所述UWB基站由至少三个所述超宽带无线通讯UWB传感器组成，其中一个超宽带无线通讯UWB传感器作为时间源及主传感器，其余超宽带无线通讯UWB传感器作为次传感器，其中，所述至少三个超宽带无线通讯UWB传感器组成方形区域。

根据一个优选实施方式，在所述坐标定位模块通过所述第一光标检测器和/或第二光标检测器采集所述待测移动装置的连续视频信号生成所述待测移动装置的运动方向和速度信息的情况下，所述坐标定位模块基于所述移动装置的所述运动方向、所述速度信息和所述第三位置信息生成用于修正所述待测移动装置移动路径的导航信号。

根据一个优选实施方式，所述至少三个超宽带无线通讯UWB传感器彼此之间按照保证时间同步信号不受影响的方式通过带信号屏蔽的网线实现通信连接。

根据一个优选实施方式，所述坐标定位装置还包括用于探测障碍物的超声探测器，所述超声探测器与所述坐标定位模块通信连接。

根据一个优选实施方式，所述光标发射器发射的光标为光栅、光斑和/ 或条形码中的一种或几种。

根据一个优选实施方式，所述光标发射器为红外激光器，所述第二光标检测器为具有夜视矫正的红外摄像机，在所述红外摄像机具有去除拍摄图像的干扰噪声和畸变矫正功能的情况下，所述红外摄像机能够基于拍摄的光标位置生成与实际空间光标位置呈线性对应的坐标信息。

本实用新型至少具有以下有益技术效果：

(1)针对传统激光导航定位装置存在的定位手段较为单一、定位精度较差等问题，本实用新型通过设置激光定位装置和UWB坐标定位模块，实现了由激光定位装置对待测移动装置进行定位的同时通过UWB坐标定位模块对待测移动装置进行辅助定位，从而提升了定位的精度。并通过坐标定位模块将基于激光雷达采集的连续视频信号分析生成的待测移动装置的运动方向和速度信息通过与第二位置信息结合生成用于修正待测移动装置移动路径的导航信号。

(2)针对传统激光导航定位装置存在的定位距离较短等问题，本实用新型通过设置第二光标检测器通过检测天花板上的光标信息实现了克服该问题，理论上通过设置多个的第二光标检测器可满足极大定位距离的需求。同时，本实用新型通过设置UWB坐标定位模块解决了传统激光定位装置只能应用于室内环境的局限，大大提升了本实用新型的定位范围及使用环境。

(3)针对传统激光导航定位装置存在的当待测区域存在较多障碍物而导致激光导航定位装置无法正常工作的问题，本实用新型通过设置超声探测器及UWB坐标定位装置，实现对障碍物有效的闪避及实时移动定位。同时通过将第二光标检测器设置为检测天花板的光标信息实现极大程度的减少了障碍物带来的定位误差。

附图说明

图1是本实用新型的一种基于激光导航的坐标定位装置的简化模块连接示意图；

图2是本实用新型的UWB坐标定位模块的简化结构连接示意图；和

图3是本实用新型的激光定位装置应用于一种待测移动装置的简化结构连接示意图。

附图标记列表

1：光标发射器 2：第一光标检测器 3：坐标定位模块

4：UWB定位标签 5：UWB基站 6：上位机

7：超声探测器 8：第二光标检测器 51：支架

52：超宽带无线通讯UWB传感器

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如本文所用的词语“模块”描述任一种硬件、软件或软硬件组合，其能够执行与“模块”相关联的功能。

实施例1

如图1所示，一种基于激光导航的坐标定位装置，至少包括激光定位装置。激光定位装置至少包括具有光标发射器1和第一光标检测器2的激光雷达和坐标定位模块3。激光定位装置与坐标定位模块3通信连接，坐标定位模块3还与UWB坐标定位模块通信连接。在激光定位装置生成的第一位置信息传输至坐标定位模块3的情况下，用于辅助定位的第二位置信息能够按照由UWB坐标系转化为激光坐标系的方式从UWB坐标定位模块传输至坐标定位模块3，其中，用于辅助定位的UWB坐标定位模块至少包括UWB 定位标签4和UWB基站5。UWB基站5分别与UWB定位标签4和坐标定位模块3通信连接，UWB基站5由设置于支架51上的超宽带无线通讯UWB 传感器52组成。本实用新型通过设置激光定位装置和UWB坐标定位模块，实现了由激光定位装置对待测移动装置进行定位的同时通过UWB坐标定位模块对待测移动装置进行辅助定位，从而提升了定位的精度。本实用新型通过将第二光标检测器8设置为检测天花板的光标信息有效的避免了累计误差的产生。优选地，第二光标检测器8与坐标定位模块3可以由wifi模块、红外通信模块和/或蓝牙通信模块实现通信连接。优选地，第二位置信息按照由UWB坐标系转化为激光坐标系的方式解决了信息传输时不同坐标系之间位置信息无法参照对比的问题。

根据一个优选实施方式，如图3所示，激光定位装置设置于待测移动装置顶部且相隔设定距离，光标发射器1按照其出光方向与地面垂直和/或其出光方向与地面水平的方式设置。在光标发射器1水平于地面发射出光标的情况下，第一光标检测器2基于光标发射器1受待测区域环境反射回来的光标生成待测移动装置的第一位置信息能够传输至坐标定位模块3。在光标发射器1垂直于地面发射出光标且光标能够将与地面对应的天花板作为光标投射的表面的情况下，设置于天花板上的第二光标检测器8生成的第一位置信息能够从第二光标检测器8传输至坐标定位模块3。优选地，待测移动装置可以是具有移动功能的履带式和/或四驱式移动机器人。优选地，设定距离至少大于2cm并在实际情况允许的情况下设定距离可以尽可能的增大，由于至少两个光标发射器1发射的至少两个光标被用于计算待测移动装置的位置信息及移动方向等信息且第一光标检测器2一定具有系统误差的情况下，设定距离的增大可有效减少系统误差对结果的影响。

根据一个优选实施方式，在第一光标检测器2和/或第二光标检测器8 生成待测移动装置的位置信息的情况下，坐标定位模块3能够基于第一位置信息和用于辅助定位的UWB坐标定位模块生成的第二位置信息生成第三位置信息。优选地，第一位置信息被定义为由第一光标检测器2和/或第二光标检测器8基于光标信息生成的待测移动装置位置信息，第二位置信息被定义为由UWB坐标定位模块生成的用于辅助定位的待测移动装置位置信息，第三位置信息被定义为基于第一位置信息和第二位置信息生成的关于待测移动装置的精度更高的位置信息。

根据一个优选实施方式，如图2所示，UWB坐标定位模块还包括用于建立UWB坐标定位系统的上位机6。上位机6与坐标定位模块3通信连接，在待测移动装置处于室外且激光定位装置无法对待测移动装置进行定位和/ 或定位效果差的情况下，UWB坐标定位模块通过将UWB定位标签4设置于待测移动装置上并根据待测区域环境建立UWB基站5。上位机6按照与 UWB基站5通信连接的方式建立用于测量待测移动装置实时位置的UWB 坐标定位系统。本实用新型通过设置UWB坐标定位模块解决了传统激光定位装置只能应用于室内环境的局限，大大提升了本实用新型的定位范围及使用环境。

根据一个优选实施方式，UWB基站5由至少三个超宽带无线通讯UWB 传感器52组成。其中一个超宽带无线通讯UWB传感器52作为时间源及主传感器，其余超宽带无线通讯UWB传感器52作为次传感器。其中，至少三个超宽带无线通讯UWB传感器52组成方形区域。优选地，超宽带无线通讯UWB传感器52布置高度应高于待测移动装置2m以上，从而最大程度的减少误差。优选地，UWB定位标签4信号被配置为在待测区域内任意位置都可以至少被三个超宽带无线通讯UWB传感器52接收到。优选地，在仅设置一个主传感器的情况下，可保证UWB基站5中的所有超宽带无线通讯UWB传感器52的时间设定与主传感器保持一致，可有效减少因不同超宽带无线通讯传感器52之间因时间差异而造成分析待测移动装置位置信息时产生误差。

根据一个优选实施方式，在坐标定位模块3通过第一光标检测器2和/ 或第二光标检测器8采集待测移动装置的连续视频信号生成待测移动装置的运动方向和速度信息的情况下，坐标定位模块3基于移动装置的运动方向、速度信息和第三位置信息生成用于修正待测移动装置移动路径的导航信号。优选地，坐标定位模块3包括微处理器、单片机、专用集成电路、专用芯片和/或计算服务器中的一种或几种。优选地，坐标定位模块3设置有用于计算导航信号的专用数据处理芯片，例如公开号为CN102818568B的中国专利涉及的一种用于计算导航信号的专用数据处理芯片。

根据一个优选实施方式，至少三个超宽带无线通讯UWB传感器52彼此之间按照保证时间同步信号不受影响的方式通过带信号屏蔽的网线实现通信连接。优选地，超宽带无线通讯UWB传感器52和上位机6通过网线分别与POE交换机接口连接从而建立以太网，进而实现了对待测移动装置的动态定位功能。

根据一个优选实施方式，坐标定位装置还包括用于探测障碍物的超声探测器7，超声探测器7与坐标定位模块3通信连接。超声探测器7用于探测运动路径上的障碍物，超声探测器在待测移动装置行进方向上不断发射超声波，并检测回波信号，通过计算回波信号返回的时间判定前方是否有障碍物，将判定结果发送至坐标定位模块3，坐标定位模块3基于判定结果修正导航信号。优选地，超声探测器7与坐标定位模块3通过wifi模块和/或蓝牙模块实现通信连接。

根据一个优选实施方式，光标发射器1发射的光标为光栅、光斑和/或条形码中的一种或几种。优选地，光标数量可以根据实际定位精度需要适当的增加，光标数量越多定位精度越高。

根据一个优选实施方式，光标发射器1为红外激光器，第二光标检测器 8为具有夜视矫正的红外摄像机。在红外摄像机具有去除拍摄图像的干扰噪声和畸变矫正功能的情况下，红外摄像机能够基于拍摄的光标位置生成与实际空间光标位置呈线性对应的坐标信息。优选地，第二光标检测器8设置有用于处理图像数据的专用数据处理芯片，第二光标检测器8通过测量获得一定图像曝光参数下的红外干扰噪声的标准化图像，并将其与夜间正常拍摄时所获得的图像进行标准化处理后进行差分运算，去除所拍摄图像的干扰噪声。然后将图像反标准化后获得矫正后的高清晰高对比度的景物图像。优选地，光标发射器1可以根据实际定位需要采用其他形式的光源，第一光标检测器2也可相适应的使用可检测该光源的摄像机或其他形式的图像设备。

根据一个优选实施方式，在待测移动装置位于室内移动且所需定位精度较低时，本实用新型通过开启激光定位装置对待测移动装置进行定位，同时将UWB定位模块关闭。在确保了所需定位功能的同时降低了实施人员的工作强度以及实现了节能的效果。

根据一个优选实施方式，在待测移动装置位于室外移动且所需定位精度较高时，本实用新型可以将光标发射器1设置为光标出方向与反光柱轴向垂直。同时在室外待测区域的四周设置至少四根反光柱，即可完成激光定位装置在室外环境下的正常使用。坐标定位模块3通过比对激光定位装置生成的第一位置信息和UWB定位模块生成的第二位置信息即可得到待测移动装置在室外移动时高精度的第三位置信息。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本实用新型公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本实用新型的公开范围并落入本实用新型的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本实用新型说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本实用新型的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于激光导航的坐标定位装置，至少包括激光定位装置，其特征在于，所述激光定位装置至少包括具有光标发射器(1)和第一光标检测器(2)的激光雷达和坐标定位模块(3)，所述激光定位装置与所述坐标定位模块(3)通信连接，所述坐标定位模块(3)还与UWB坐标定位模块通信连接，

在所述激光定位装置生成的第一位置信息传输至所述坐标定位模块(3)的情况下，用于辅助定位的第二位置信息能够按照由UWB坐标系转化为激光坐标系的方式从所述UWB坐标定位模块传输至所述坐标定位模块(3)，其中，

所述用于辅助定位的UWB坐标定位模块至少包括UWB定位标签(4)和UWB基站(5)，所述UWB基站(5)分别与所述UWB定位标签(4)和所述坐标定位模块(3)通信连接，所述UWB基站(5)由设置于支架(51)上的超宽带无线通讯UWB传感器(52)组成。

2.根据权利要求1所述的坐标定位装置，其特征是，所述激光定位装置设置于待测移动装置顶部且相隔设定距离，所述光标发射器(1)按照其出光方向与地面垂直和/或其出光方向与地面水平的方式设置，

在所述光标发射器(1)水平于地面发射出光标的情况下，所述第一光标检测器(2)基于所述光标发射器(1)受待测区域环境反射回来的光标生成所述待测移动装置的第一位置信息能够传输至所述坐标定位模块(3)，在所述光标发射器(1)垂直于地面发射出光标且所述光标能够将与地面对应的天花板作为所述光标投射的表面的情况下，设置于所述天花板上的第二光标检测器(8)生成的第一位置信息能够从所述第二光标检测器(8)传输至所述坐标定位模块(3)。

3.根据权利要求2所述的坐标定位装置，其特征是，在所述第一光标检测器(2)和/或第二光标检测器(8)生成所述待测移动装置的位置信息的情况下，所述坐标定位模块(3)能够基于所述第一位置信息和所述用于辅助定位的UWB坐标定位模块生成的第二位置信息生成第三位置信息。

4.根据权利要求3所述的坐标定位装置，其特征是，所述UWB坐标定位模块还包括用于建立UWB坐标定位系统的上位机(6)，所述上位机(6)与所述坐标定位模块(3)通信连接，

在所述待测移动装置处于室外且所述激光定位装置无法对所述待测移动装置进行定位和/或定位效果差的情况下，所述UWB坐标定位模块通过将所述UWB定位标签(4)设置于所述待测移动装置上并根据待测区域环境建立UWB基站(5)，所述上位机(6)按照与所述UWB基站(5)通信连接的方式建立用于测量所述待测移动装置实时位置的UWB坐标定位系统。

5.根据权利要求4所述的坐标定位装置，其特征是，所述UWB基站(5)由至少三个所述超宽带无线通讯UWB传感器(52)组成，其中一个超宽带无线通讯UWB传感器(52)作为时间源及主传感器，其余超宽带无线通讯UWB传感器(52)作为次传感器，其中，

所述至少三个超宽带无线通讯UWB传感器(52)组成方形区域。

6.根据权利要求5所述的坐标定位装置，其特征是，在所述坐标定位模块(3)通过所述第一光标检测器(2)和/或第二光标检测器(8)采集所述待测移动装置的连续视频信号生成所述待测移动装置的运动方向和速度信息的情况下，所述坐标定位模块(3)基于所述移动装置的所述运动方向、所述速度信息和所述第三位置信息生成用于修正所述待测移动装置移动路径的导航信号。

7.根据权利要求6所述的坐标定位装置，其特征是，所述至少三个超宽带无线通讯UWB传感器(52)彼此之间按照保证时间同步信号不受影响的方式通过带信号屏蔽的网线实现通信连接。

8.根据权利要求7所述的坐标定位装置，其特征是，所述坐标定位装置还包括用于探测障碍物的超声探测器(7)，所述超声探测器(7)与所述坐标定位模块(3)通信连接。

9.根据权利要求8所述的坐标定位装置，其特征是，所述光标发射器(1)发射的光标为光栅、光斑和/或条形码中的一种或几种。

10.根据权利要求9所述的坐标定位装置，其特征是，所述光标发射器(1)为红外激光器，所述第二光标检测器(8)为具有夜视矫正的红外摄像机，

在所述红外摄像机具有去除拍摄图像的干扰噪声和畸变矫正功能的情况下，所述红外摄像机能够基于拍摄的光标位置生成与实际空间光标位置呈线性对应的坐标信息。