TW201318793A - 機器人光學定位系統及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本發明係揭露一種機器人光學定位系統及其定位方，其包含一影像擷取裝置及一定位裝置。影像擷取裝置包含一擷取模組及一第一處理模組。擷取模組於單位時間內擷取機器人於地面上連續移動之動態影像。第一處理模組分析單位時間內之動態影像，以計算出一移動方向、一移動距離或一座標資訊。定位裝置包含一轉換模組及一第二處理模組。轉換模組接收座標資訊，並將座標資訊轉換為座標訊號。第二處理模組將座標訊號轉換為地圖座標，且根據地圖座標及機器人之方位角，計算出機器人之所在位置與目標點間之距離或方位。

Description

機器人光學定位系統及其定位方法

本發明是有關於一種光學定位系統，特別是有關於一種應用於機器人可自動定位，並可克服使用編碼器或輪軸機械造成定位誤差的機器人光學定位系統。

1967年日本科學家森政弘與合田周平提出：「機器人是一種具有移動性、個體性、智能性、通用性、半機械半人性、自動性、奴隸性等7個特徵的柔性機器。」在移動方面，習知的機器人必須擁有額外的定位系統來提供機器人判別方位。

目前，在熱門的競賽機器人比賽中，大部分的場地設計上都佈有許多的圓點、黑線等等記號，這些記號是為了讓機器人能夠分辨自己目前在比賽場地位置的哪個地方，好讓機器人可以做出下一步的判斷。但是近年來比賽漸漸的朝向智慧化發展，記號逐漸的減少，因此，機器人的定位系統必須在比賽場地中不倚靠任何標誌而能清楚的讓機器人知道自己的方位。

目前定位的方式五花八門，最常用便是全球定位系統，其僅需輸入目標點的經緯度座標或地標，系統便可連結到衛星進行定位並提供最短獲最佳路徑。然而，機器人機身可能過小，容易造成定位的精準度不佳，同時，若機器人位於室內便無法接收到全球定位系統的衛星訊號。

另一種機器人定位方式則是使用編碼器(Encoder)，此方式是利用編碼器與輪軸同步，藉由輪軸轉動來偵測編碼器上黑色條紋轉動的次數，即可計算出機器人行走的距離。但是，計算過程中有許多輪軸的機械動作，相對會累積誤差，若未定時校正，一段時間之後自然無法精準定位，導致最後無法完成任務。

以需求來說，設計一個機器人光學定位系統，可簡易地取得位置移動量轉換為座標軸資訊，並與電子地圖相互配合，直接讀出已設定好的電子地圖座標並馬上定位，可降低誤差值，並可於競賽場地中不需倚靠場地上的識別物等輔助條件，可即時的運算出目前位置等功效，已成市場應用上之一個刻不容緩的議題。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種機器人光學定位系統，以解決習知技術之精準度不佳和定位的誤差，使機器人無法聰明且快速的判斷及定位等問題。

根據本發明之目的，提出一種機器人光學定位系統，其包含影像擷取裝置及定位裝置。影像擷取裝置包含擷取模組及第一處理模組，定位裝置包含轉換模組及第二處理模組。擷取模組係於一單位時間內擷取機器人於地面上連續移動之動態影像。第一處理模組係分析單位時間內之動態影像，以計算出移動方向或移動距離，且第一處理模組利用移動方向及移動距離，計算出座標資訊。轉換模組係接收座標資訊，並將座標資訊轉換為座標訊號。第二處理模組係將座標訊號轉換為地圖座標，且根據地圖座標及機器人之方位角，計算出機器人之所在位置與目標點間之距離或方位。

其中，定位裝置更包含感測模組，其係讀取座標訊號及感測機器人之方位角。

其中，感測模組係感測地球之磁場方向，以分析機器人所在之方位角。

其中，機器人光學定位系統更包含一驅動模組，驅動模組係根據機器人之所在位置與目標點間之距離或方位，驅動機器人移動至目標點。

其中，影像擷取裝置更包含一光源模組，光源模組係發射一光源，且光源通過透鏡，於地面上產生反射。

其中，轉換模組設定一固定時脈，以控制座標資訊之接收頻率或轉換頻率。

根據本發明之目的，再提出一種機器人光學定位方法，適用於一機器人光學定位系統，且機器人光學定位系統包含一影像擷取裝置及一定位裝置，機器人光學定位方法包含下列步驟：以影像擷取裝置之擷取模組於單位時間內擷取機器人於地面上連續移動之動態影像；利用影像擷取裝置之第一處理模組分析單位時間內之動態影像，以計算出移動方向或移動距離，並根據移動方向及移動距離計算出座標資訊；利用定位裝置之轉換模組接收座標資訊，以轉換為座標訊號；藉由定位裝置之第二處理模組將座標訊號轉換為地圖座標；以及以第二處理模組分析地圖座標及機器人之方位角，計算出機器人之所在位置與目標點間之距離或方位。

其中，此機器人光學定位方法更包含當轉換模組接收座標資訊以轉換為座標訊號時，利用定位裝置之感測模組讀取座標訊號及感測機器人之方位角。

其中，此機器人光學定位方法更包含利用感測模組感測地球之磁場方向，以分析機器人所在之方位角。

其中，此機器人光學定位方法更包含以驅動模組根據機器人之所在位置與目標點間之距離或方位，驅動機器人移動至目標點。

其中，此機器人光學定位方法更包含利用光源模組發射一光源，且光源通過一透鏡，於地面上產生反射。

其中，此機器人光學定位方法更包含將轉換模組設定固定時脈，以控制座標資訊之接收頻率或轉換頻率。

綜上所述，本發明之機器人光學定位系統及其定位方法可簡易地取得位置移動量轉換為座標軸資訊，並與電子地圖相互配合，直接讀出已設定好的電子地圖座標並馬上定位，可降低誤差值。同時，可於競賽場地中，不需倚靠場地上的識別物等輔助條件，可即時的運算出目前位置。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

以下將參照相關圖式，說明依本發明之機器人光學定位系統之實施例，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。

第1圖為本發明之機器人光學定位系統之第一實施例方塊圖，請參閱第1圖，機器人光學定位系統1包含一影像擷取裝置11及一定位裝置12。影像擷取裝置11可包含光源模組111、擷取模組112及第一處理模組113。光源模組111可發射一光源，光源通過透鏡於地面上產生反射。光源模組111可為發光二極體（Light-Emitting Diode，簡稱LED），但不以此為限。擷取模組112可於單位時間內擷取機器人於地面上連續移動的動態影像。第一處理模組113可分析單位時間內的動態影像，以計算移動方向或移動距離，且第一處理模組113可利用移動方向及移動距離，計算出一座標資訊。第一處理模組113可電性連結擷取模組112，其第一處理模組113可為中央處理器（Central Processing Unit，CPU）或微處理器（Micro-Processing Unit）。

定位裝置12可包含轉換模組121、感測模組122及第二處理模組123。轉換模組121可為單晶片微電腦（Single Chip Microcomputer）、微控制器（Microcontroller，縮寫為μC或MCU），可將中央處理器、記憶體、I/O Port等周邊電路全部整合為一體的晶片。轉換模組121可接收座標資訊，並將座標資訊轉換為座標訊號，或者，轉換模組121可設定一固定時脈，以控制座標資訊的接收頻率或轉換頻率。感測模組122可讀取座標訊號及感測機器人的方位角，又或可感測地球的磁場方向，以分析機器人所在的方位角。第二處理模組123可電性連結轉換模組121及感測模組122，其第二處理模組123可為中央處理器（Central Processing Unit，CPU）或微處理器（Micro-Processing Unit）。第二處理模組123可將座標訊號轉換為一地圖座標，且根據地圖座標及機器人的方位角，可計算出機器人的所在位置與目標點間的距離或方位。

同時，機器人光學定位系統1更包含一驅動模組13，驅動模組13可根據機器人所在位置與目標點間的距離或方位，驅動機器人移動至目標點。

第2圖為本發明之機器人光學定位系統之第二實施例第一示意圖，第3圖為本發明之機器人光學定位系統之第二實施例第二示意圖。在本實施例中，機器人光學定位系統較佳可建立在教育型機器人上，但不以此為限。在目前熱門的機器人比賽中，大部分的場地設計上都有許多的圓點、黑線等等記號，這些記號是為了讓機器人能夠分辨自己目前在比賽場地位置的哪個地方，以便機器人可以做出下一步的判斷。但是，近年來比賽漸漸的朝向智慧化發展，記號逐漸的減少。因此，機器人若能在比賽場地中不倚靠任何標誌而能清楚地判定方位，可使機器人更聰明且快速的判斷及定位。如第2圖所示，可透過本發明之影像擷取裝置的光源模組111來發射光源，其光源通過透鏡21後於地面上產生反射。可利用影像擷取裝置的擷取模組112來擷取機器人在地面上移動時的動態影像，其動態影像為機器人在地面移動時，單位時間內移動的畫面。如第3圖所示，機器人移動時，地面上會設有一些記號，如圓點或黑線，以提供機器人判定位置。在左圖中，A點為機器人原本站立的位置，經過一短暫的時間後，擷取模組擷取到右圖，A點向上移動，也就是說，當時機器人正往圖片下方移動。

第4圖為本發明之機器人光學定位系統之第二實施例第三示意圖。利用本發明之影像擷取裝置可擷取到機器人24移動時的動態影像，因此利用影像擷取裝置之第一處理模組可分析動態影像，以推估出機器人24在地面上的移動量，並可轉換為X軸及Y軸的座標資訊。在本實施例中，影像擷取裝置可與定位裝置電性連結，利用定位裝置的轉換模組設定一固定時脈，來控制座標資訊的接收頻率或轉換頻率。透過轉換模組來接收座標資訊，並將座標資訊轉換為座標訊號。經過座標重組後，感測模組可讀取座標訊號，同時，感測模組可包含一指北針感測器來感測機器人24當前的方位角。因此，第二處理模組可將座標訊號轉換為機器人24所在位置的地圖座標，並根據地圖座標和機器人24的方位角來計算機器人24距離目標點23的距離和方位，以進一步規劃下一步欲移動的路徑和座標點。

如圖所示，較佳可利用樂高積木的可塑性來建造一個移動式的載具，並應用本發明之機器人光學定位系統，於機器人24的底部設置影像擷取裝置，影像擷取裝置之底部必須貼齊地面，才不會使得影像擷取裝置失去作用或者產生座標飄移的現象。必須注意的是，影像擷取裝置之位置較佳可設置在機器人24底部輪軸的中央，可避免機器人24於轉彎時因為旋轉中心沒有對正而造成座標誤差。在影像擷取裝置的背面，可以中心點支撐的結構設計一個360°旋轉的輪子，以防止機器人24在轉彎時產生推擠，而造成影像擷取裝置偏移。在影像擷取裝置的正上方可設置感測模組，為避免干擾而造成誤差過大，感測模組較佳可與任何有電磁感應的裝置保持一定的距離。

附帶一提的是，本發明之機器人光學定位系統可以整合光學滑鼠作為機器人24定位的系統，不同於以往機械式的定位方式，可提高精準度及命中率。換句話說，可將光學滑鼠應用在本發明之影像擷取模組上，而習知的光學滑鼠具有省電模式，經一段時間不移動滑鼠會使發光二極體的光源電壓降低進入休眠待命模式，以達到省電目的。但是，基於機器人24競賽時的精準度，本發明可為全時工作模式，以去除進入省電模式時所造成的誤差。

儘管前述在說明本發明之機器人光學定位系統的過程中，亦已同時說明本發明之機器人光學定位方法的概念，但為求清楚起見，以下仍另繪示流程圖詳細說明。

請參閱第5圖，其係為本發明之機器人光學定位方法之流程圖，如圖所示，本發明之定位方法，其適用於一機器人光學定位系統，該機器人光學定位系統包含一影像擷取裝置以及一定位裝置。本發明之機器人光學定位方法包含下列步驟：

在步驟S11中，以影像擷取裝置之擷取模組於單位時間內擷取機器人於地面上連續移動之動態影像。

在步驟S12中，利用影像擷取裝置之第一處理模組分析單位時間內之動態影像，以計算出移動方向或移動距離，並根據移動方向及移動距離計算出座標資訊。

在步驟S13中，利用定位裝置之轉換模組接收座標資訊，以轉換為座標訊號；

在步驟S14中，利用定位裝置之感測模組讀取座標訊號及感測機器人之方位角。

在步驟S15中，藉由定位裝置之第二處理模組將座標訊號轉換為地圖座標；

在步驟S16中，以第二處理模組分析地圖座標及機器人之方位角，計算出機器人之所在位置與目標點間之距離或方位。

本發明之機器人光學定位方法的詳細說明以及實施方式已於前面敘述本發明之機器人光學定位系統時描述過，在此為了簡略說明便不再敘述。

因此，綜上所述，因依本發明之機器人光學定位系統及其定位方法，其可具有一或多個下述優點：

(1)此發明之機器人光學定位系統及其定位方法可克服習知編碼器（Encoder）輪盤式的機械運算僅單獨計算行走路徑的距離再加以計算的方式，可簡易地取得位置移動量轉換為座標軸資訊，並與電子地圖相互配合，直接讀出已設定好的電子地圖座標並馬上定位，可降低誤差值。

(2)此發明之機器人光學定位系統及其定位方法可於競賽場地中，不需倚靠場地上的識別物等輔助條件，可即時的運算出目前位置。相較於以往的競賽中必須仰賴地面之輔助物品來協助定位，本發明可以自由地在競賽場地中移動。

雖然前述的描述及圖示已揭示本發明之較佳實施例，必須瞭解到各種增添、許多修改和取代可能使用於本發明較佳實施例，而不會脫離如所附申請專利範圍所界定的本發明原理之精神及範圍。熟悉該技藝者將可體會本發明可能使用於很多形式、結構、佈置、比例、材料、元件和組件的修改。

因此，本文於此所揭示的實施例於所有觀點，應被視為用以說明本發明，而非用以限制本發明。本發明的範圍應由後附申請專利範圍所界定，並涵蓋其合法均等物，並不限於先前的描述。

1．．．機器人光學定位系統

11．．．影像擷取裝置

111．．．光源模組

112．．．擷取模組

113．．．第一處理模組

12．．．定位裝置

121．．．轉換模組

122．．．感測模組

123．．．第二處理模組

13．．．驅動模組

21．．．透鏡

22．．．地面

23．．．目標點

24．．．機器人

第1圖　係為本發明之機器人光學定位系統之第一實施例方塊圖；
第2圖　係為本發明之機器人光學定位系統第二實施例之第一示意圖；
第3圖　係為本發明之機器人光學定位系統第二實施例之第二示意圖；
第4圖　係為本發明之機器人光學定位系統第二實施例之第三示意圖；以及
第5圖　係為本發明之機器人光學定位方法之流程圖。

1．．．機器人光學定位系統

11．．．影像擷取裝置

111．．．光源模組

112．．．擷取模組

113．．．第一處理模組

12．．．定位裝置

121．．．轉換模組

122．．．感測模組

123．．．第二處理模組

13．．．驅動模組

Claims (12)

1. 一種機器人光學定位系統，其包含：
   一影像擷取裝置，係包含：
   一擷取模組，係於一單位時間內擷取一機器人於地面上連續移動之一動態影像；以及
   一第一處理模組，係分析該單位時間內之該動態影像，以計算出一移動方向或一移動距離，且該第一處理模組利用該移動方向及該移動距離，計算出一座標資訊；以及
   一定位裝置，係包含：
   一轉換模組，係接收該座標資訊，並將該座標資訊轉換為一座標訊號；以及
   一第二處理模組，係將該座標訊號轉換為一地圖座標，且根據該地圖座標及該機器人之一方位角，計算出該機器人之所在位置與一目標點間之距離或方位。
2. 如申請專利範圍第1項所述之機器人光學定位系統，其中該定位裝置更包含一感測模組，該感測模組係讀取該座標訊號及感測該機器人之該方位角。
3. 如申請專利範圍第2項所述之機器人光學定位系統，其中該感測模組係感測地球之磁場方向，以分析該機器人所在之該方位角。
4. 如申請專利範圍第1項所述之機器人光學定位系統，其中該機器人光學定位系統更包含一驅動模組，該驅動模組係根據該機器人之所在位置與一目標點間之距離或方位，驅動該機器人移動至該目標點。
5. 如申請專利範圍第1項所述之機器人光學定位系統，其中該影像擷取裝置更包含一光源模組，該光源模組係發射一光源，且該光源通過一透鏡，於地面上產生反射。
6. 如申請專利範圍第1項所述之機器人光學定位系統，其中該轉換模組設定一固定時脈，以控制該座標資訊之接收頻率或轉換頻率。
7. 一種機器人光學定位方法，適用於一機器人光學定位系統，且該機器人光學定位系統包含一影像擷取裝置及一定位裝置，該機器人光學定位方法包含下列步驟：
   以該影像擷取裝置之一擷取模組於一單位時間內擷取一機器人於地面上連續移動之一動態影像；
   利用該影像擷取裝置之一第一處理模組分析該單位時間內之該動態影像，以計算出一移動方向或一移動距離，並根據該移動方向及該移動距離計算出一座標資訊；
   利用該定位裝置之一轉換模組接收該座標資訊，以轉換為一座標訊號；
   藉由該定位裝置之一第二處理模組將該座標訊號轉換為一地圖座標；以及
   以該第二處理模組分析該地圖座標及該機器人之一方位角，計算出該機器人之所在位置與一目標點間之距離或方位。
   
8. 如申請專利範圍第7項所述之機器人光學定位方法，其中該定位裝置更包含一感測模組，當該轉換模組接收該座標資訊以轉換為該座標訊號時，更包含下列步驟：
   利用該定位裝置之該感測模組讀取該座標訊號及感測該機器人之一方位角。
9. 如申請專利範圍第8項所述之機器人光學定位方法，其中更包含下列步驟：
   利用該感測模組感測地球之磁場方向，以分析該機器人所在之該方位角。
10. 如申請專利範圍第7項所述之機器人光學定位方法，其中該機器人光學定位系統更包含一驅動模組，該機器人光學定位方法更包含下列步驟：
    以該驅動模組根據該機器人之所在位置與一目標點間之距離或方位，驅動該機器人移動至該目標點。
11. 如申請專利範圍第7項所述之機器人光學定位方法，其中該影像擷取裝置更包含一光源模組，該機器人光學定位方法更包含下列步驟：
    利用該光源模組發射一光源，且該光源通過一透鏡，於地面上產生反射。
12. 如申請專利範圍第7項所述之機器人光學定位方法，其中更包含下列步驟：
    將該轉換模組設定一固定時脈，以控制該座標資訊之接收頻率或轉換頻率。