室外割草机器人基于视觉的电子罗盘的制作方法

本发明涉及室外割草机器人基于视觉的电子罗盘，属于移动机器人技术领域。

背景技术：

方向感对于室外割草机器人来说，非常重要，因为在室外复杂多变的环境中，如果缺少方向数据，就无法实现智能化的路径规划以及迅速找到充电座，就像一只无头苍蝇。常规的确定方向的方式是采用惯性导航的方法，比如通过安装在驱动轮上的编码器实时计算割草机器人的位移和转向，这类定位方法最大的弊端就是具有累计误差，即随着工作时间的累计，误差也在不断的累计，最终导致定位数据无效。也可以采用电子罗盘，通过地磁信号来确定方向，这种方式非常容易收到干扰。因此，寻找一种全局性质、不具有累计误差的方向计算方法对于完善割草机人的功能具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足之处，提出室外割草机器人基于视觉的电子罗盘，采用天际线图像匹配的方式确定割草机器人的方向，并进行实时更新，提供随时查询的方向信息。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

室外割草机器人基于视觉的电子罗盘，所述的割草机器人内部设置进行集中控制的处理器，与所述的处理器连接的图像采集模块和惯性导航系统，所述的惯性导航系统用于计算所述的割草机器人的旋转角度θ，所述的处理器设置实时方向估算方法，所述的实时方向估算方法包括以下步骤：

(1)初始化阶段：所述的割草机器人设置在工作场所的中心位置，并原地旋转一周；所述的处理器每隔角度δθ，通过所述的图像采集模块采集工作场景的图像f(x,y)，所述的处理器搜索图像中心线上的天际点(m/2,yi)，即天空与地面或者地面建筑、植物的交界点，然后写入方向数组a[i]=yi，其中m为图像f(x,y)在x方向上的最大值；

(2)角度更新阶段：每隔固定时间，所述的处理器通过所述的图像采集模块采集工作场景的图像f(x,y)，提取整个图像的天际点y`=h(x)，取其中α/δθ个数据组成采样数组b[j]={h(0)，h(⌊m·δθ/α⌋)，h(⌊2·m·δθ/α⌋，h(⌊3·m·δθ/α⌋……}，其中，α为所述的图像采集模块视角，⌊⌋为向下取整；对采样数组b[j]与方向数组a[i]中的一段数据计算相似度，如果a[k]开始的一段数据，与采样数据b[j]相似度最大，则所述的割草机器人的方向为β=k﹒δθ+α/2；

(3)角度使用阶段：所述的处理器直接读取角度β获取所述的割草机器人的方向。

所述的天际点的计算方法为：

如果y>yi，满足f(x,y)>t1，其中t1为判断天空的亮度阈值；并且f(x,yi)-f(x,yi-1)>t2，则点(x,yi)为天际点，其中t2为天空到地面或者建筑物、植物的亮度梯度阈值。

实施本发明的积极效果是：1、基于图像采集及处理的工作方式，成本低，算法简单；2、具有全局性质、没有累计误差的定位方式。

附图说明

图1是实时方向估算方法的流程图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步说明：

参照图1，室外割草机器人基于视觉的电子罗盘，所述的割草机器人内部设置进行集中控制的处理器，与所述的处理器连接的图像采集模块和惯性导航系统，所述的图像采集模块负责进行所述的割草机器人工作场景的图像采集，其光轴与地面平行，可以兼顾天空和地面的成像，所述的惯性导航系统用于计算所述的割草机器人的旋转角度θ，设置为安装在驱动轮上的编码器，实时计算割所述的草机器人的位移和转向。

所述的处理器设置实时方向估算方法，所述的实时方向估算方法包括以下步骤：

(1)初始化阶段：所述的割草机器人设置在工作场所的中心位置，并原地旋转一周；所述的处理器每隔角度δθ，通过所述的图像采集模块采集工作场景的图像f(x,y)，所述的处理器搜索图像中心线上的天际点(m/2,yi)，即天空与地面或者地面建筑、植物的交界点，然后写入方向数组a[i]=yi，其中m为图像f(x,y)在x方向上的最大值；

初始化阶段是所述的割草机器人原地旋转，是建立跟角度相关的图像数据的过程。所述的惯性导航系统在短时间内，累计误差还是可以信赖的。所述的割草机器人的工作环境是复杂多变的，并且特征也是多变，不具有稳定性。但是，天空与地面或者地面建筑植物的交界点具有不变性，可作为所述的割草机器人判别方向的依据。

天际点的计算方法为：

如果y>yi，满足f(x,y)>t1，其中t1为判断天空的亮度阈值；并且f(x,yi)-f(x,yi-1)>t2，则点(x,yi)为天际点，其中t2为天空到地面或者建筑物、植物的亮度梯度阈值。

(2)角度更新阶段：每隔固定时间，所述的处理器通过所述的图像采集模块采集工作场景的图像f(x,y)，提取整个图像的天际点y`=h(x)，取其中α/δθ个数据组成采样数组b[j]={h(0)，h(⌊m·δθ/α⌋)，h(⌊2·m·δθ/α⌋，h(⌊3·m·δθ/α⌋……}，其中，α为所述的图像采集模块视角，⌊⌋为向下取整；对采样数组b[j]与方向数组a[i]中的一段数据计算相似度，如果a[k]开始的一段数据，与采样数据b[j]相似度最大，则所述的割草机器人的方向为β=k﹒δθ+α/2；

在角度更新阶段，每隔固定时间，所述的处理器进行图像采集，并提取整幅图像的天际点，并选取跟所述的割草机器人方向对应的天际点组成采样数组b[j]，可用于估算所述的割草机器人的方向β。具体方法是将采样数组b[j]与方向数组a[i]中的数据进行匹配，得到数据相似度最大一段，就可以判断出所述的割草机器人的方向。相似度可采用数据差分的绝对值之和最小的方法。

(3)角度使用阶段：所述的处理器直接读取角度β获取所述的割草机器人的方向。

所述的割草机器人在工作过程中就可以向普通电子罗盘一样访问角度β得到所述的割草机器人的方向。

技术特征：

1.室外割草机器人基于视觉的电子罗盘，所述的割草机器人内部设置进行集中控制的处理器，与所述的处理器连接的图像采集模块和惯性导航系统，所述的惯性导航系统用于计算所述的割草机器人的旋转角度θ，其特征在于：所述的处理器设置实时方向估算方法，所述的实时方向估算方法包括以下步骤：

(1)初始化阶段：所述的割草机器人设置在工作场所的中心位置，并原地旋转一周；所述的处理器每隔角度δθ，通过所述的图像采集模块采集工作场景的图像f(x,y)，所述的处理器搜索图像中心线上的天际点(m/2,yi)，即天空与地面或者地面建筑、植物的交界点，然后写入方向数组a[i]=yi，其中m为图像f(x,y)在x方向上的最大值；

(2)角度更新阶段：每隔固定时间，所述的处理器通过所述的图像采集模块采集工作场景的图像f(x,y)，提取整个图像的天际点y`=h(x)，取其中α/δθ个数据组成采样数组b[j]={h(0)，h(⌊m·δθ/α⌋)，h(⌊2·m·δθ/α⌋，h(⌊3·m·δθ/α⌋……}，其中，α为所述的图像采集模块视角，⌊⌋为向下取整；对采样数组b[j]与方向数组a[i]中的一段数据计算相似度，如果a[k]开始的一段数据，与采样数据b[j]相似度最大，则所述的割草机器人的方向为β=k﹒δθ+α/2；

(3)角度使用阶段：所述的处理器直接读取角度β获取所述的割草机器人的方向。

2.根据权利要求1所述的室外割草机器人基于视觉的电子罗盘，其特征是：所述的天际点的计算方法为：如果y>yi，满足f(x,y)>t1，其中t1为判断天空的亮度阈值；并且f(x,yi)-f(x,yi-1)>t2，则点(x,yi)为天际点，其中t2为天空到地面或者建筑物、植物的亮度梯度阈值。

技术总结
本发明公开了室外割草机器人基于视觉的电子罗盘，割草机器人内部设置处理器，图像采集模块和惯性导航系统，惯性导航系统用于计算割草机器人的旋转角度θ，处理器设置实时方向估算方法，包括步骤：(1)初始化阶段：割草机器人设置在工作场所的中心位置，并原地旋转一周；处理器每隔角度Δθ，采集图像f(x,y)，搜索图像中心线上的天际点(M/2,yi)，然后写入方向数组A[i]=yi；(2)角度更新阶段：每隔固定时间，采集图像f(x,y)，提取天际点y`=h(x)，取其中α/Δθ个数据组成采样数组B[j]；采样数组B[j]与方向数组A[i]进行匹配，计算方向β；(3)角度使用阶段：直接读取角度β得到割草机器人的方向。

技术研发人员：刘瑜
受保护的技术使用者：杭州晶一智能科技有限公司
技术研发日：2019.12.04
技术公布日：2020.05.01