專利名稱：用于機(jī)器人平臺的壓縮紅外方位測量系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器人感知領(lǐng)域，具體涉及機(jī)器人對人體目標(biāo)的動作發(fā)生的方位信息的感知。
背景技術(shù)：
目標(biāo)定位是人機(jī)交互中重要且富有挑戰(zhàn)性的問題。方位測量以其輕量級、靈活的優(yōu)點(diǎn)在目標(biāo)定位與跟蹤等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。對于人體運(yùn)動目標(biāo)方位測量而言，已有的基于激光，超聲傳感器的方位測量方法無法區(qū)分運(yùn)動人體與障礙物，且所采用的主動式方位測量方法需要不間斷的主動測量才能實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的實(shí)時方位測量，因此存在能量的過度消耗。基于計算機(jī)視覺的方位測量需要利用計算復(fù)雜度高的算法從冗余的海量圖像數(shù)據(jù)中提取方位信息，并且這些算法對光照、背景的變化極為敏感。移動機(jī)器人平臺存在固有的資源限制，因此有必要探索新的適用于移動機(jī)器人平臺的被動式輕量級人體運(yùn)動目標(biāo)方位 測量系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種節(jié)省能量、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、適用范圍廣、能區(qū)分人體運(yùn)動目標(biāo)與一般障礙物的用于機(jī)器人平臺的壓縮紅外方位測量系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種用于機(jī)器人平臺的壓縮紅外方位測量系統(tǒng)，包括測量人體運(yùn)動目標(biāo)的檢測元件和方位測量對照表，所述檢測元件為結(jié)合菲涅耳透鏡的熱釋電紅外傳感器，檢測元件經(jīng)過掩膜處理后對人體運(yùn)動目標(biāo)測量，所述方位測量對照表記錄有檢測元件輸出的電平值與目標(biāo)方位角測量值的一一對應(yīng)關(guān)系，可以將檢測元件輸出的電平值轉(zhuǎn)化為目標(biāo)的方位角。其中所述檢測元件輸出的電平值為高電平和低電平兩種，檢測到人體運(yùn)動目標(biāo)則輸出高電平，未檢測到人體運(yùn)動目標(biāo)則輸出低電平。所述檢測元件有多個。所述多個檢測元件經(jīng)掩膜調(diào)制，將機(jī)器人視場分為可見部分和不可見部分。所述人體運(yùn)動目標(biāo)根據(jù)掩膜設(shè)計的不同可以為一個或多個，但目標(biāo)數(shù)小于或等于檢測元件的數(shù)目。同時，本發(fā)明還提供一種用于機(jī)器人平臺的壓縮紅外方位測量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟
步驟I、根據(jù)方位測量要求，確定結(jié)合菲涅耳透鏡的熱釋電紅外傳感器，即檢測元件的
數(shù)量；
步驟2、根據(jù)待檢測人體運(yùn)動目標(biāo)的數(shù)目設(shè)計掩膜，將機(jī)器人視場分為可見部分和不可見部分；
步驟3、設(shè)計方位測量對照表，將檢測元件輸出的電平值和目標(biāo)的方位角一一對應(yīng)； 步驟4、檢測元件對人體運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行測量，輸出電平值；步驟5、查方位測量對照表，得到目標(biāo)方位角。進(jìn)一步地,所述檢測元件的數(shù)量小于或等于人體運(yùn)動目標(biāo)方位角數(shù)量。進(jìn)一步地，所述檢測元件輸出的電平值為高電平和低電平兩種，檢測到人體運(yùn)動目標(biāo)則輸出高電平，未檢測到人體運(yùn)動目標(biāo)則輸出低電平。進(jìn)一步地，所述方法根據(jù)掩膜設(shè)計的不同可以檢測一個或多個人體運(yùn)動目標(biāo)，但目標(biāo)數(shù)目需小于或等于檢測元件的數(shù)目。進(jìn)一步地，所述掩膜為涂有黑色油漆的不銹鋼或其它可屏蔽人體熱輻射的材料制成。與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果是
1.本發(fā)明可以敏感檢測人體運(yùn)動引起的紅外輻射變化，即可以直接區(qū)分人體 運(yùn)動目標(biāo)與一般障礙物；
2.本發(fā)明中熱釋電紅外傳感器是感知紅外輻射變化的被動檢測元件，其被動感知方式相對于傳統(tǒng)的主動測量方式可以節(jié)省能量；
3.本發(fā)明選用的熱釋電紅外傳感器不受光照條件變化、背景變化的影響，增加了適用范圍；
4.本發(fā)明通過壓縮感知方式提高了感知效率，可利用較少的檢測元件數(shù)目實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動目標(biāo)的方位角測量，即檢測元件數(shù)目可小于目標(biāo)方位角數(shù)目；
5.本發(fā)明通過查表的方式即可實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動目標(biāo)的方位測量，屬于輕量級的方位測量系統(tǒng)，不存在對計算資源的過度索?。?br> 6.本發(fā)明成本低且設(shè)計靈活。


圖I是機(jī)器人視場區(qū)域劃分示意 圖2是熱釋電紅外傳感器掩膜調(diào)制示意 圖3是壓縮紅外方位測量系統(tǒng)示意 圖4是單目標(biāo)方位測量的掩膜設(shè)計示意 圖5是多目標(biāo)方位測量的掩膜設(shè)計示意 其中1，機(jī)器人；2，單區(qū)域；3，雙區(qū)域；4，機(jī)器人視場；5，熱釋電紅外傳感器；6，菲涅耳透鏡；7，掩膜；8，多個熱釋電紅外傳感器；9，多個熱釋電紅外傳感器的頂視圖；10，多個熱釋電紅外傳感器的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式熱釋電傳感器又稱人體紅外傳感器，被廣泛應(yīng)用于防盜報警、來客告知及非接觸開關(guān)等紅外領(lǐng)域。壓電陶瓷類電介質(zhì)在電極化后能保持極化狀態(tài)，稱為自發(fā)極化。自發(fā)極化隨溫度升高而減小，在居里點(diǎn)溫度降為零。因此，當(dāng)這種材料受到紅外輻射而溫度升高時，表面電荷將減少，相當(dāng)于釋放了一部分電荷，故稱為熱釋電。將釋放的電荷經(jīng)放大器可轉(zhuǎn)換為電壓輸出。這就是熱釋電傳感器的工作原理。當(dāng)輻射繼續(xù)作用于熱釋電元件，使其表面電荷達(dá)到平衡時，便不再釋放電荷。本發(fā)明包括測量人體運(yùn)動目標(biāo)的檢測元件和方位測量對照表，所述檢測元件為結(jié)合菲涅耳透鏡的熱釋電紅外傳感器，檢測元件經(jīng)過掩膜處理后測量目標(biāo)，所述方位測量對照表記錄有檢測元件輸出的電平值與目標(biāo)方位角測量值的一一對應(yīng)關(guān)系，將檢測元件輸出的電平值轉(zhuǎn)化為目標(biāo)的方位角。其實(shí)現(xiàn)方法為
步驟I、根據(jù)方位測量要求，確定結(jié)合菲涅耳透鏡的熱釋電紅外傳感器，即檢測元件的
數(shù)量；
步驟2、根據(jù)待檢測目標(biāo)的數(shù)目設(shè)計掩膜，將機(jī)器人視場分為可見部分和不可見部分； 步驟3、設(shè)計方位測量對照表，將檢測元件輸出的電平值和目標(biāo)的方位角一一對應(yīng)； 步驟4、檢測元件測量目標(biāo)方位，輸出電平值；
步驟5、查方位測量對照表，得到目標(biāo)方位角。下面結(jié)合具體測量實(shí)例做詳細(xì)說明。

如圖I所示，對機(jī)器人前方視野平均剖分為I個扇形子視野，用S1-, S7表示對應(yīng)的扇形子視野。設(shè)機(jī)器人的視野角為eF，則每個扇形子視野對應(yīng)的角度為e = eF/7，對應(yīng)子視野的角平分線的方位角為，…，如果目標(biāo)出現(xiàn)在子視野Si內(nèi)，則規(guī)定目標(biāo)的方位角測量為0,。事實(shí)上由于目標(biāo)體積的原因，目標(biāo)可能同時出現(xiàn)在多個相鄰子視野內(nèi)，設(shè)定目標(biāo)最多同時出現(xiàn)在兩個相鄰的子視野siSi+1內(nèi)，此時規(guī)定目標(biāo)的方位角測量為(Cj5i+ Cj5 i+1) /2= ￠,.+ 0 /2。因此目標(biāo)的方位測量轉(zhuǎn)化為目標(biāo)出現(xiàn)在哪個扇形子視野內(nèi)的檢測問題，一旦獲得目標(biāo)所在的扇形子視野，則可以根據(jù)如下公式獲得目標(biāo)的方位角。
^ = I Q
另+P明+1
I I
如圖2所示，壓縮紅外方位測量系統(tǒng)利用結(jié)合菲涅耳透鏡的熱釋電紅外傳感器作為檢測元件。熱釋電紅外傳感器結(jié)合菲涅耳透鏡可以敏感地檢測因人體運(yùn)動而引起的紅外輻射變化，且對環(huán)境變化不敏感。因此熱釋電紅外傳感器可以直接實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動人體的檢測。本發(fā)明考慮檢測元件的二值輸出，即檢測到運(yùn)動的人體即輸出高電平‘1’，否則輸出低電平‘0’(對靜止的人體輸出低電平‘O’)。菲涅耳透鏡的另一個功能是調(diào)制熱釋電紅外傳感器的視場。如圖2所示，根據(jù)圖I對機(jī)器人視場的剖分，對菲涅耳透鏡的視場做同樣的剖分，即將菲涅耳透鏡視場均勻剖分為I個子區(qū)域，與機(jī)器人扇形子視野S1,…，S7對應(yīng)。菲涅耳透鏡的視場調(diào)制功能是通過掩膜實(shí)現(xiàn)的，其中掩膜是一種可以阻擋人體紅外熱輻射傳播的材料，在本發(fā)明中使用涂有黑色油漆的不銹鋼作為制作掩膜的材料，但實(shí)際中亦可靈活選取其它可阻擋人體紅外熱輻射傳播的材料。如果設(shè)計扇形子視野Sj對傳感器不可見，則在菲涅耳透鏡對應(yīng)的子區(qū)域附上掩膜。如果設(shè)計扇形子視野Si對傳感器可見，則菲涅耳透鏡對應(yīng)的子區(qū)域鏤空(無掩膜)。圖2給出了傳感器對扇形子視野Sl，S2, S3, s5, S7不可見時，對應(yīng)掩膜的設(shè)計。經(jīng)由掩膜對視場的調(diào)制，熱釋電紅外傳感器只能對可見的扇形視野內(nèi)的運(yùn)動人體進(jìn)行檢測。如果傳感器輸出為高電平‘I’，則說明必定存在運(yùn)動人體在對其可見的扇形子視野內(nèi)。如圖3所示，壓縮紅外方位測量系統(tǒng)包含J個熱釋電紅外傳感器，其中每個熱釋電紅外傳感器的視場都經(jīng)由掩膜結(jié)合菲涅耳透鏡調(diào)制。通過組合這J個經(jīng)過視場調(diào)制的熱釋電傳感器實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動人體所在扇形子視野的檢測，進(jìn)而根據(jù)測量步驟實(shí)現(xiàn)對人體運(yùn)動目標(biāo)的方位測量。當(dāng)人體運(yùn)動目標(biāo)出現(xiàn)在壓縮紅外方位測量系統(tǒng)(或機(jī)器人)的視場內(nèi)，目標(biāo)運(yùn)動引起的紅外輻射變化必然會觸發(fā)對其可見的熱釋電紅外傳感器。根據(jù)系統(tǒng)中J個熱釋電紅外傳感器的輸出狀態(tài)，我們可以計算出目標(biāo)所在的扇形子視野。因此熱釋電紅外傳感器的視場調(diào)制，即掩膜的設(shè)計決定著是否可以實(shí)現(xiàn)確定目標(biāo)所處的扇形子視野。設(shè)扇形子視野Sj, 1=1,…，I對￠/個傳感器的可見性為Vi=Hvil, vi2,…，ViJ ,其中V"表示第i個扇形子視野Si對第J個傳感器的可見性，如果掩膜遮擋了扇形子視野Si中紅外輻射傳播到第J個傳感器， 則第J個熱釋電紅外傳感器不能檢測到扇形子視野Si中是否存在運(yùn)動目標(biāo)，則v,7=0 ;如果扇形子視野Si未被掩膜遮擋，則熱釋電紅外傳感器可以敏感地檢測扇形子視野8/是否存在運(yùn)動目標(biāo)，則v,7=l。因此掩膜的設(shè)計即為可見性向量V1, -,V7的設(shè)計，使得能夠?qū)崿F(xiàn)由檢測元件的輸出狀態(tài)唯一確定目標(biāo)所在扇形子視野。因?yàn)楫?dāng)運(yùn)動目標(biāo)處于扇形子視野Si中，對扇形子視野Si可見的傳感器(v,7=l)輸出I，而對其不可見的傳感器(v,7=0)輸出0，因此^/個傳感器的輸出與可見性向量Vi相同。當(dāng)運(yùn)動目標(biāo)處于扇形子視野s,.，i=l，…，7時，V個傳感器被觸發(fā)的狀態(tài)即為Vi。由于目標(biāo)體積原因，當(dāng)目標(biāo)處于相鄰2個子視野SiSi+1時候，J個傳感器觸發(fā)狀態(tài)為Vi I vi+1 (‘ I ’表示兩個向量中元素的按位或操作)。為了能根據(jù)傳感器輸出狀態(tài)確定運(yùn)動目標(biāo)所處扇形子視野，則要求目標(biāo)在不同扇形子視野時觸發(fā)傳感器的輸出狀態(tài)唯一，即要求V1,…，V7,V1Iv2,…，Vp1IV7都必須不同。此時根據(jù)傳感器輸出可唯一確定目標(biāo)所在扇形子視野。圖4給出了實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人視野內(nèi)單目標(biāo)方位測量的掩膜設(shè)計(可見性向量設(shè)計)，其中￠/表示壓縮紅外方位測量系統(tǒng)中熱釋電紅外傳感器的數(shù)目。其中縱坐標(biāo)表示對應(yīng)的傳感器序號，橫坐標(biāo)表示對應(yīng)扇形子視野的序號，其中黑色表示存在掩膜遮擋，白色表示不存在掩膜遮擋。實(shí)際設(shè)計中根據(jù)對機(jī)器人扇形子視野的剖分?jǐn)?shù)目7選擇對應(yīng)傳感器的數(shù)目，并根據(jù)圖4設(shè)計相應(yīng)的掩膜即可實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動目標(biāo)方位測量。由于傳感器的輸出與目標(biāo)所在扇形子視野是一一對應(yīng)的，因此可以建立傳感器輸出與目標(biāo)所在扇形子視野的對照表。根據(jù)傳感器的輸出即可查表獲得目標(biāo)所在扇形子視野，進(jìn)而根據(jù)測量步驟獲得目標(biāo)對應(yīng)的方位。需要指出的是，實(shí)現(xiàn)測量方位的數(shù)目可以遠(yuǎn)大于所需要傳感器的數(shù)目。換句話說，壓縮紅外方位測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)利用遠(yuǎn)少于方位數(shù)目的傳感器實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動目標(biāo)的方位測量。假設(shè)機(jī)器的視野角為8 /9，被均勻分剖分為8個子視野S1,…，S8,對應(yīng)的扇形子視野角為n/9.利用四個熱釋電紅外傳感器實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人8個子視野內(nèi)單目標(biāo)方位測量的掩膜設(shè)計，其中掩膜是按照圖4設(shè)計的。由掩膜的設(shè)計，可得到傳感器輸出與目標(biāo)所在扇形子視野以及對應(yīng)方位測量的對應(yīng)表，即表I。因此根據(jù)傳感器的輸出，通過查表I即可知道目標(biāo)所在的扇形子視野，以及對應(yīng)的方位角。顯然利用4個傳感器最多可以實(shí)現(xiàn)對15個方位的測量。表I傳感器輸出與目標(biāo)所在扇形子視野以及方位測量對照表
權(quán)利要求
1.一種用于機(jī)器人平臺的壓縮紅外方位測量系統(tǒng)，包括測量人體運(yùn)動目標(biāo)的檢測元件和方位測量對照表，其特征在于，所述檢測元件為結(jié)合菲涅耳透鏡的熱釋電紅外傳感器，檢測元件經(jīng)過掩膜處理后對人體運(yùn)動目標(biāo)測量，所述方位測量對照表記錄有檢測元件輸出的電平值與目標(biāo)方位角測量值的一一對應(yīng)關(guān)系，可以將檢測元件輸出的電平值轉(zhuǎn)化為目標(biāo)的方位角。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測元件輸出的電平值為高電平和低電平兩種檢測到人體運(yùn)動目標(biāo)則輸出高電平，未檢測到人體運(yùn)動目標(biāo)則輸出低電平。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測元件有多個。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述多個檢測元件經(jīng)掩膜調(diào)制，將機(jī)器人視場分為可見部分和不可見部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述人體運(yùn)動目標(biāo)數(shù)目小于或等于檢測元件的數(shù)目。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任意一項的一種用于機(jī)器人平臺的壓縮紅外方位測量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟I、根據(jù)方位測量要求，確定結(jié)合菲涅耳透鏡的熱釋電紅外傳感器，即檢測元件的數(shù)量； 步驟2、根據(jù)待檢測人體運(yùn)動目標(biāo)的數(shù)目設(shè)計掩膜，將機(jī)器人視場分為可見部分和不可見部分； 步驟3、設(shè)計方位測量對照表，將檢測元件輸出的電平值和目標(biāo)的方位角一一對應(yīng)； 步驟4、檢測元件對人體運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行測量，輸出電平值； 步驟5、查方位測量對照表，得到目標(biāo)方位角。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述熱釋電紅外傳感器的數(shù)量小于或等于目標(biāo)方位角數(shù)量。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述檢測元件輸出的電平值為高電平和低電平兩種，檢測到人體運(yùn)動目標(biāo)則輸出高電平，未檢測到人體運(yùn)動目標(biāo)則輸出低電平。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述人體運(yùn)動目標(biāo)數(shù)目需小于或等于檢測元件的數(shù)目。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述掩膜為涂有黑色油漆的不銹鋼或其它可屏蔽人體熱輻射的材料制成。
全文摘要
本發(fā)明是提供一種節(jié)省能量、結(jié)構(gòu)簡單、適用范圍廣的用于機(jī)器人平臺的壓縮紅外方位測量系統(tǒng)，包括測量人體運(yùn)動目標(biāo)的檢測元件和方位測量對照表，檢測元件為結(jié)合菲涅耳透鏡的熱釋電紅外傳感器，檢測元件經(jīng)過掩膜處理后對人體運(yùn)動目標(biāo)測量，方位測量對照表記錄有檢測元件輸出的電平值與目標(biāo)方位角測量值的一一對應(yīng)關(guān)系，可以將檢測元件輸出的電平值轉(zhuǎn)化為目標(biāo)的方位角。其實(shí)現(xiàn)方法為確定結(jié)合菲涅耳透鏡的熱釋電紅外傳感器的數(shù)量；將機(jī)器人視場分為可見部分和不可見部分；設(shè)計方位測量對照表，將熱釋電紅外傳感器輸出的電平值和目標(biāo)的方位角一一對應(yīng)；檢測元件測量人體運(yùn)動目標(biāo)方位，輸出電平值；查方位測量對照表，得到目標(biāo)方位角。
文檔編號G01C1/00GK102798373SQ20121025287
公開日2012年11月28日 申請日期2012年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月20日
發(fā)明者王國利, 馮國棟, 楊岳彬, 郭雪梅 申請人:中山大學(xué)