专利名称：全天候运行的移动机器人定位系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种全天候运行的移动机器人定位系统，具体涉及一种通过近 红外照明及视觉传感的方式，可在全天候情况下运行的移动机器人定位系统
背景技术：
视觉系统在很多领域都是非常重要的传感手段，诸如在安防、监控、航空 航天、交通等系统中。长期以来，随着科技不断进步，智能设备正在取代人类 完成某些危险、繁重、重复性的工作，诸如智能吸尘器、智能割草机、巡逻机 器人、无人驾驶汽车甚至自动引导车(AGV)等。但是由于此类设备传感条件的 限制无法在变化的环境、气候、光线等条件下适用，所以目前这些设备的应用 仍然受到限制。
目前在智能移动机器人上应用较多的定位技术主要有超声、激光、红外测 距等距离传感器定位、电磁传感定位、卫星定位(GPS)等。
这些定位方法都会受到诸如环境、气候、光照等因素的影响，使用范围受 到限制。超声、激光、红外测距等距离传感器的定位方法受传感器精度影响较 大；电磁传感定位需要在机器人需定位的道路上铺设磁条，工程量巨大，而且 磁条在湿热天气下退磁较快；GPS定位准确，但是不能出现遮挡情况。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种全天候运行的移动机器人 定位系统，可在不同光照、气候以及室内外的任意情况下对移动机器人准确定 位。
为实现这一目的，本发明设计的全天候运行的移动机器人定位系统由近红 外全景照明取景装置及具有特征编码格式的参照物组成，其中，近红外全景照 明取景装置安装在机器人的顶部，若干个具有特征编码格式的参照物分布于机 器人行驶的道路两侧。近红外全景照明取景装置发射近红外光线照射在参照物
上，其反射光线回射到近红外全景照明取景装置的摄像机中成像，通过识别、 提取不同参照物的特征编码信息，运用三角定位原理，确定移动机器人位姿完 成其自定位。
本发明中，所述近红外全景照明取景装置包括近红外全景照明和近红外全景 取景两部分，其中
近红外全景照明部分由照明全景反射器、LED近红外发光源、支撑支架等三
部分组成，其中照明全景反射器为锥面的反射镜面，LED近红外发光源由供电电 源、可发射近红外光的LED阵列及LED控制电路组成。LED阵列发射出的光源经 全景反射器反射之后发散在周围360度的全范围之内，其中必有光线照射到具 有黑白颜色特征编码的参照物上。
近红外全景取景部分利用支架安装于近红外全景照明部分的正下方，由取 景全景反射器、近红外摄像机通过支撑支架固定连接而成。取景全景反射器为 双曲面的反射镜面，在近红外摄像机的镜头上安装滤光片。近红外全景照明部 分发射的光线经具有黑白颜色特征编码的参照物反射后在近红外摄像机中成 像。
本发明中，所述具有特征编码格式的参照物为圆柱形，由反射光材料与不反 射光材料间隔环绕而成，两种材料的间隔排列方式构成黑白特征的编码格式。
本发明的照明及取景均采用全景视觉技术，就是利用镜面反射原理，扩大 视觉系统的视野。在全景视觉系统中，摄像机不是直接观看外界环境，而是正 对一面凸面镜(全景取景器)，远处物体所发出的光线经过镜面反射后集中到摄 像机的镜头，从而在摄像机的传感器上形成图像信息。这样，只用一个摄像机 就可以观察到全景视觉系统周围360度内的整个环境，可以大大减少系统设计 的复杂性和难度，并降低了系统的成本。
由于本发明的照明系统采用近红外光，在视觉系统中摄像机也同样为对红 外光线敏感的摄像机，同时添加了滤波片，滤掉其它波段的光线，这也就消除 了可见光对系统的干扰。
本发明的移动机器人定位系统可在全天候、室内外的情况下运行。
图1为本发明的移动机器人定位系统组成及运行示意图。
图1中，1为近红外全景照明取景装置，2为机器人，3为具有不同编码格
式的参照物，4为机器人行驶道路，5为近红外全景照明部分发射的近红外光线，
6为经具有不同编码格式的参照物反射后的近红外光线。 图2为本发明的红外全景照明取景装置结构示意图。
图2中，7为照明全景反射器，8为上支撑支架，9为近红外LED光源，10 为连接支架，ll为取景全景反射器，12为下支撑支架，13为镜头，14为滤光 片，15为近红外摄像机。
图3为5个具有不同编码格式的参照物平面示意图。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。 本发明设计的全天候运行的移动机器人定位系统由近红外全景照明取景装 置及具有特征编码格式的参照物组成，如图1所示，近红外全景照明取景装置l 安装在机器人2的顶部，以便观察四周情况。若干个具有特征编码格式的参照 物3分布于机器人行驶的道路4两侧。近红外全景照明取景装置1发射的近红 外光线5照射在参照物3上，经参照物3反射后的近红外光线6回射到近红外 全景照明取景装置1的摄像机中成像，通过识别、提取不同参照物3的的特征 编码信息，运用三角定位原理，确定移动机器人位姿，完成机器人自定位。
本发明所述的近红外全景照明取景装置结构如图2所示，包括近红外全景照 明和近红外全景取景两部分，其中
近红外全景照明部分由照明全景反射器7、 LED近红外发光源9、上支撑支 架8等三部分组成，其中照明全景反射器7为锥面的反射镜面，LED近红外发光 源9由供电电源、可发射近红外光的LED阵列及LED控制电路组成。LED阵列发 射出的光源经全景反射器反射之后发散在系统周围360度的全范围之内，其中 必有光线照射到具有黑白颜色特征编码的参照物上。上支撑支架8用于将照明 全景反射器7与LED近红外发光源9固定。
近红外全景取景部分利用连接支架10安装于近红外全景照明部分的正下 方，由取景全景反射器11、近红外摄像机15通过下支撑支架12固定连接而成。 取景全景反射器11为双曲面的反射镜面，在摄像机15的镜头13上安装滤光片 14。近红外全景照明部分发射的光线经具有黑白颜色特征编码的参照物反射后 在近红外摄像机中成像。
本发明中，所述具有特征编码格式的参照物3为圆柱形，由反射光材料与不 反射光材料间隔环绕而成，两种材料的间隔排列方式构成黑白特征的编码格式。 图3给出了 5个具有不同编码格式的参照物平面示意图，其中白色部分为 具有反射作用的荧光材料，黑色部分为吸收、不反射光的材料。参照物的尺寸 根据具体使用范围、距离而定当范围较大、距离较远时，参照物在全景视觉 取景部分成像将变小，此时需使用较大尺寸的参照物；当范围较小、距离较近 时，参照物在全景视觉取景部分成像将变大，此时可使用较小尺寸的参照物。 因此，本发明并未对参照物的尺寸做严格限定。
本发明利用若干个近红外发光二极管(LED)做成的LED阵列作为照明光源， 采用机器人的直流电源为光源供电，由于采用了主动照明的方式，使定位系统 不受天气、光照的影响，在全天候情况下均可运行。本发明将全景取景视觉部 分与全景近红外照明部分固定在一起，并且安装于移动机器人上，具有不同的 黑白颜色特征编码的参照物根据需要分散固定放置在环境的周围，放置的距离 根据具体使用需要而定，放置之后需要对其所放位置进行精确测量，全景近红 外照明部分发射近红外光线照射在参照物上，其反射光线回射到全景视觉取景 部分，在其摄像机中成像，由于摄像机内加入了滤光片，这样只有参照物编码 的白色部分反射的光线才能在摄像机中成像，因此摄像机的成像可以识别出具 有不同编码格式的参照物所在位置，根据三角定位原理，结合之前测量的参照 物摆放位置，便可得到机器人所处位置。
权利要求
1、一种全天候运行的移动机器人定位系统，其特征在于由近红外全景照明取景装置(1)及具有特征编码格式的参照物(3)组成，其中，近红外全景照明取景装置(1)安装在机器人(2)的顶部，若干个具有特征编码格式的参照物(3)分布于机器人行驶的道路(4)两侧；近红外全景照明取景装置(1)发射的近红外光线(5)照射在具有特征编码格式的参照物(3)上，经参照物(3)反射后的近红外光线(6)回射到近红外全景照明取景装置(1)的摄像机中成像，通过识别、提取不同参照物(3)的特征编码信息，运用三角定位原理确定移动机器人位姿，完成机器人自定位。
2、根据权利要求1的全天候运行的移动机器人定位系统，其特征在于所述 近红外全景照明取景装置包括近红外全景照明和近红外全景取景两部分；近红 外全景照明部分由照明全景反射器(7)、 LED近红外发光源(9)通过上支撑支 架(8)固定连接而成，其中照明全景反射器(7)为锥面的反射镜面，LED近红 外发光源(9)由供电电源、可发射近红外光的LED阵列及LED控制电路组成； 近红外全景取景部分利用连接支架(10)安装于近红外全景照明部分的正下方， 由取景全景反射器(11)、近红外摄像机(15)通过下支撑支架(12)固定连接 而成，取景全景反射器(11)为双曲面的反射镜面，在近红外摄像机(15)的 镜头(13)上安装滤光片(14)。
3、根据权利要求1的全天候运行的移动机器人定位系统，其特征在于所述 具有特征编码格式的参照物(3)为圆柱形，由反射光材料与不反射光材料间隔 环绕而成，两种材料的间隔排列方式构成黑白特征的编码格式。
全文摘要
本发明涉及一种全天候运行的移动机器人定位系统，由近红外全景照明取景装置及具有特征编码格式的参照物组成，其中，近红外全景照明取景装置安装在机器人的顶部，若干个具有特征编码格式的参照物分布于机器人行驶的道路两侧；近红外全景照明取景装置发射近红外光线照射在参照物上，其反射光线回射到近红外全景照明取景装置的摄像机中成像，通过识别、提取不同参照物的特征编码信息，运用三角定位原理，确定移动机器人位姿完成其自定位。本发明中近红外光照明、取景均采用全景视觉的原理，可照明、取景360度全方位的范围，可在全天候、室内外的情况下运行。
文档编号G01S17/00GK101354441SQ20081004279
公开日2009年1月28日 申请日期2008年9月11日 优先权日2008年9月11日
发明者王景川, 陈卫东 申请人:上海交通大学