本發(fā)明涉及機(jī)器人的研究領(lǐng)域，特別涉及一種基于可見光定位導(dǎo)航的室內(nèi)機(jī)器人系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來，全球工業(yè)機(jī)器人銷量大幅增加。同時，服務(wù)型機(jī)器人發(fā)展迅速，應(yīng)用范圍日趨廣泛。國家工業(yè)和信息化部、發(fā)改委、財政部三部委在2016年3月21日聯(lián)合印發(fā)了《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016－2020年)》，強調(diào)大力發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。

面向室內(nèi)應(yīng)用的智能機(jī)器人是其中一個重要發(fā)展方向。但室內(nèi)機(jī)器人目前面臨的最大問題是定位導(dǎo)航問題。假如用金字塔來表示機(jī)器人技術(shù)，那么定位導(dǎo)航作為最底層技術(shù)，正是構(gòu)建整個機(jī)器人的核心關(guān)鍵。常見的定位導(dǎo)航方法中，電磁導(dǎo)航簡單且比較成熟，成本雖低，但鋪設(shè)麻煩；利用WiFi、藍(lán)牙、UWB等進(jìn)行定位，其信號容易衰減，精度差；利用視覺進(jìn)行導(dǎo)航，長距離高像素處理，速度會變慢，實時性不好。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)基于可見光定位導(dǎo)航的室內(nèi)機(jī)器人系統(tǒng)，能夠利用室內(nèi)照明LED燈實現(xiàn)機(jī)器人室內(nèi)定位以及導(dǎo)航行走。

為了到達(dá)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明公開了一種基于可見光定位導(dǎo)航的室內(nèi)機(jī)器人系統(tǒng)，包括用于發(fā)送定位信息的可見光定位發(fā)射單元、用于接收可見光信號進(jìn)行定位和導(dǎo)航的可見光定位接收單元、驅(qū)動機(jī)器人運動的驅(qū)動單元、用于機(jī)器人運動的機(jī)械結(jié)構(gòu)單元、用于監(jiān)測外部環(huán)境的感知單元、用于獲取圖像信息的計算機(jī)視覺單元、機(jī)器人微型計算機(jī)單元、控制顯示面板單元以及電源；

所述的可見光定位發(fā)射單元與日常照明LED燈集成，安裝在室內(nèi)天花板；所述的可見光定位接收單元與機(jī)器人微型計算機(jī)單元直接相連，放置于整套機(jī)器人系統(tǒng)的頂部，朝向正上方；所述的驅(qū)動單元與機(jī)器人微型計算機(jī)單元直接相連；所述的機(jī)械結(jié)構(gòu)單元與驅(qū)動單元相連；所述的計算機(jī)視覺單元與機(jī)器人微型計算機(jī)單元直接相連，安裝于機(jī)器人系統(tǒng)正前方；所述的感知單元與機(jī)器人微型計算機(jī)單元直接相連，安裝在機(jī)器人周邊；所述的控制顯示面板單元與機(jī)器人微型計算機(jī)單元直接相連，安裝在機(jī)器人背部；所述的電源直接供應(yīng)整套機(jī)器人系統(tǒng)的用電；

機(jī)器人微型計算機(jī)單元首先獲取感知單元所有傳感器的值，在控制顯示面板中實時顯示各項參數(shù)，控制機(jī)器人系統(tǒng)在行走運動時躲避障礙，同時獲取計算機(jī)視覺單元采集的圖像/視頻并進(jìn)行分析處理，幫助機(jī)器人系統(tǒng)預(yù)測和規(guī)避行人，機(jī)器人在移動的過程中，通過提取帶編碼信息的可見光信號獲取可見光定位燈具的編號，進(jìn)而得到當(dāng)前的空間坐標(biāo)信息實現(xiàn)室內(nèi)定位與導(dǎo)航。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，可見光定位接收單元的CMOS圖像傳感器在所設(shè)的曝光時間內(nèi)對室內(nèi)可見光定位發(fā)射光源進(jìn)行逐行曝光成像后，通過圖像的二值化處理，應(yīng)包含表示可見光信號光源編號信息的黑白條紋信息，利用圖像處理技術(shù)，定位出圖像的條紋位置后，機(jī)器人微型計算機(jī)單元通過行列的掃描，獲取圖像中條紋的亮暗以及寬度，可以得到一串0/1信號，從而解析出條紋所包含的光源身份識別信息，該信息應(yīng)包含所成像的可見光信號光源的編號信息，根據(jù)所獲取的可見光信號光源的編號信息，機(jī)器人微型計算機(jī)單元訪問所存儲的關(guān)于可見光信號光源分布位置的數(shù)據(jù)庫獲取所對應(yīng)的可見光信號光源的位置信息。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述機(jī)器人微型計算機(jī)單元利用可見光定位接收單元所采集的圖像定位出條紋的位置后，得到兩個不同光源中心在圖像的坐標(biāo)(X_1f,Y_1f)和(X_2f,Y_2f)，根據(jù)已知的可見光信號光源的布局位置，按照以下公式確定室內(nèi)機(jī)器人當(dāng)前位置(X,Y)：

其中，(X₁,Y₁)、(X₂,Y₂)為兩個可見光信號光源的室內(nèi)實際位置坐標(biāo)，(Xmid，Ymid)為圖像中心點坐標(biāo)，(X_1f,Y_1f)、(X_2f,Y_2f)為可見光信號光源在所獲取的圖像上兩個不同位置的中心坐標(biāo)，S₁為兩個可見光信號光源的水平距離，S₂為(X₁,Y₁)和(X₂,Y₂)兩點間的水平距離；

機(jī)器人微型計算機(jī)在獲取機(jī)器人當(dāng)前所在的室內(nèi)空間位置(X,Y)后，將當(dāng)前位置信息進(jìn)行更新存儲并實時導(dǎo)航。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述可見光通信單元包括可見光圖像接收器，用于對安裝在室內(nèi)正上方的可見光信號光源進(jìn)行快速圖像獲取，從中提取帶編碼信息的可見光信號進(jìn)行定位和導(dǎo)航。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述驅(qū)動單元包括電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動裝置，由微型計算機(jī)控制驅(qū)動單元，用于驅(qū)動機(jī)械結(jié)構(gòu)單元從而帶動機(jī)器人系統(tǒng)的運動。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述感知單元包括溫度傳感器、濕度傳感器、PM2.5傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、分貝傳感器、超聲波模塊以及紅外感應(yīng)傳感器，通過各傳感器獲取外界環(huán)境的各項參數(shù)，實現(xiàn)對外部環(huán)境的實時監(jiān)測，其中的超聲波模塊和紅外感應(yīng)傳感器，還用于及時對一定距離內(nèi)的障礙物以及行人進(jìn)行判斷識別，避免機(jī)器人與外界發(fā)生碰撞。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的計算機(jī)視覺單元包括攝像頭，用于對當(dāng)前路徑下的場景進(jìn)行成像，對行人進(jìn)行檢測，幫助機(jī)器人提前規(guī)避障礙或監(jiān)控周圍環(huán)境。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，還包括為機(jī)械人系統(tǒng)供電的電源單元。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果：

1、本發(fā)明實現(xiàn)了一種基于可見光通信定位導(dǎo)航的室內(nèi)服務(wù)型機(jī)器人，能夠按照非固定路線機(jī)動行走并且躲避障礙，不僅能夠部署于酒店、車間、辦公場所或者大型展館等，由于可見光不會產(chǎn)生任何射頻干擾，因此還可以部署在對電磁輻射有較高要求的場所，如醫(yī)院等地方，應(yīng)用場景十分廣闊。

2、本發(fā)明應(yīng)用可見光技術(shù)進(jìn)行定位，具有精度高、實時性好等特點，能夠在機(jī)器人運動的情況下精準(zhǔn)定位等需求。

3、本發(fā)明應(yīng)用可見光技術(shù)進(jìn)行通信，能夠滿足日常照明需求，節(jié)能環(huán)保，而且由于可見光不能穿透建筑墻，相互鄰近封閉單元中VLC信號不會相互干擾，具有通信安全性高，保密性好等特點?；诳梢姽馔ㄐ拍軌蛟谑覂?nèi)借助光源快速傳輸信息，減少了對自身無線通訊設(shè)備的依賴，減少機(jī)器人在無線通訊方面的成本和負(fù)擔(dān)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于可見光定位導(dǎo)航的室內(nèi)機(jī)器人的硬件連接關(guān)系示意圖。

圖2是本發(fā)明基于可見光定位導(dǎo)航的室內(nèi)機(jī)器人所獲取的帶編碼信息的可見光信號的條紋示意圖。

圖3是本發(fā)明的室內(nèi)機(jī)器人在進(jìn)行可見光定位導(dǎo)航的過程中可見光定位發(fā)射光源以及該機(jī)器人的空間位置分布情況示意圖。

圖4是本發(fā)明中的可見光定位接收單元獲取的圖像經(jīng)過圖像處理后的示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例

如圖1所示，本發(fā)明一種基于可見光定位導(dǎo)航的室內(nèi)機(jī)器人，其中，包括用于發(fā)送定位信息的可見光定位發(fā)射單元，用于接收可見光信號進(jìn)行定位和導(dǎo)航的可見光定位接收單元、驅(qū)動機(jī)器人運動的驅(qū)動單元、用于機(jī)器人運動的機(jī)械結(jié)構(gòu)單元、用于監(jiān)測外部環(huán)境的感知單元、用于獲取圖像信息的計算機(jī)視覺單元、機(jī)器人微型計算機(jī)單元、控制顯示面板單元、電源等。

所述的可見光定位發(fā)射單元與日常照明LED燈集成，安裝在室內(nèi)天花板；所述的可見光定位接收單元與機(jī)器人微型計算機(jī)單元直接相連，放置于整套機(jī)器人系統(tǒng)的頂部，朝向正上方；所述的驅(qū)動單元與機(jī)器人微型計算機(jī)單元直接相連；所述的機(jī)械結(jié)構(gòu)單元與驅(qū)動單元相連；所述的計算機(jī)視覺單元與機(jī)器人微型計算機(jī)單元直接相連，安裝于機(jī)器人系統(tǒng)正前方；所述的感知單元與機(jī)器人微型計算機(jī)單元直接相連，安裝在機(jī)器人周邊；所述的控制顯示面板單元與機(jī)器人微型計算機(jī)單元直接相連，安裝在機(jī)器人背部；所述的電源直接供應(yīng)整套機(jī)器人系統(tǒng)的用電。

上述的可見光定位發(fā)射單元，包括用于照明和發(fā)送可見光定位信號的LED燈具單元；所述發(fā)射單元將LED燈具的唯一編號進(jìn)行信號調(diào)制以后，輸出連續(xù)的調(diào)制波形，驅(qū)動LED光源發(fā)光并傳輸信號；LED燈具在安裝后，其安裝位置信息(X,Y)與LED燈具的編號唯一對應(yīng)。上述的可見光定位接收單元主要包括逐行曝光的CMOS圖像傳感器，用于對安裝在室內(nèi)正上方的可見光定位發(fā)射光源以快速成像的方式獲得條紋圖像，從中提取編碼信息和獲取可見光定位燈具的編號信息，進(jìn)而得到當(dāng)前的空間坐標(biāo)信息，從而支持室內(nèi)定位與導(dǎo)航。

上述的驅(qū)動單元主要包括電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動，由微型計算機(jī)控制驅(qū)動單元，用于驅(qū)動機(jī)械結(jié)構(gòu)單元從而帶動機(jī)器人的運動。

上述的機(jī)械結(jié)構(gòu)單元與驅(qū)動單元相連,主要包括機(jī)器人底盤、輪胎、機(jī)械臂等元件。

上述的感知單元包含溫度傳感器，濕度傳感器，PM2.5傳感器，火焰?zhèn)鞲衅?，分貝傳感器，超聲波模塊，紅外感應(yīng)傳感器等，用于獲取外界環(huán)境的各項參數(shù)，實現(xiàn)對外部環(huán)境的實時監(jiān)測，其中的超聲波模塊和紅外感應(yīng)傳感器等，還用于及時對一定距離內(nèi)的障礙物以及行人進(jìn)行判斷識別，避免機(jī)器人與外界發(fā)生碰撞。

上述的計算機(jī)視覺單元主要包含攝像頭，對當(dāng)前路徑下的場景進(jìn)行成像，對行人進(jìn)行檢測，幫助機(jī)器人提前規(guī)避障礙或監(jiān)控周圍環(huán)境。

上述的控制顯示面板單元用于人機(jī)交互，實現(xiàn)對機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行控制，同時實時顯示機(jī)器人系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)信息。

上述的機(jī)器人微型計算機(jī)單元用于獲取感知單元所有傳感器的值，在控制顯示面板中實時顯示各項參數(shù)，控制機(jī)器人在行走運動時躲避障礙，同時獲取計算機(jī)視覺單元采集的圖像/視頻并進(jìn)行分析處理，幫助機(jī)器人更好地預(yù)測和規(guī)避行人。機(jī)器人在移動的過程中，通過可見光定位接收單元對室內(nèi)的可見光定位發(fā)射光源進(jìn)行快速成像獲取后，通過提取帶編碼信息的可見光信號獲取可見光定位燈具的編號，進(jìn)而得到當(dāng)前的空間坐標(biāo)信息實現(xiàn)室內(nèi)定位與導(dǎo)航。

上述的電源用于對整套機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行供電。

本實施例中，上述基于可見光定位導(dǎo)航的實現(xiàn)方法如下：

如圖2，可見光定位接收單元的CMOS圖像傳感器在所設(shè)的曝光時間內(nèi)對室內(nèi)可見光定位發(fā)射光源進(jìn)行逐行曝光成像后，通過圖像的二值化處理，應(yīng)包含表示可見光信號光源編號信息的黑白條紋信息。利用圖像處理技術(shù)，定位出圖像的條紋位置后，機(jī)器人微型計算機(jī)單元通過行列的掃描，獲取圖像中條紋的亮暗以及寬度，可以得到一串0/1信號，從而解析出條紋所包含的光源身份識別信息，該信息應(yīng)包含所成像的可見光信號光源的編號信息。根據(jù)所獲取的可見光信號光源的編號信息，微型計算機(jī)訪問所存儲的關(guān)于可見光信號光源分布位置的數(shù)據(jù)庫獲取所對應(yīng)的可見光信號光源的位置信息。

如圖3和圖4，機(jī)器人微型計算機(jī)單元利用可見光定位接收單元所采集的圖像定位出條紋的位置后，得到兩個不同光源中心在圖像的坐標(biāo)(X_1f,Y_1f)和(X_2f,Y_2f)，根據(jù)已知的可見光信號光源的布局位置，按照以下公式確定室內(nèi)機(jī)器人當(dāng)前位置(X,Y)：

其中，(X₁,Y₁)、(X₂,Y₂)為兩個可見光信號光源的室內(nèi)實際位置坐標(biāo)，(Xmid，Ymid)為圖像中心點坐標(biāo)，(X_1f,Y_1f)、(X_2f,Y_2f)為可見光信號光源在所獲取的圖像上兩個不同位置的中心坐標(biāo)，S₁為兩個可見光信號光源的水平距離，S₂為(X₁,Y₁)和(X₂,Y₂)兩點間的水平距離。

微型計算機(jī)在獲取機(jī)器人當(dāng)前所在的室內(nèi)空間位置(X,Y)后，將當(dāng)前位置信息進(jìn)行更新存儲并實時導(dǎo)航。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。