专利名称：可重构微型移动机器人集群定位跟踪系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机器人技术领域的系统，具体是一种可重构微型移动机器人 集群定位跟踪系统。
背景技术：
随着MEMS以及机器人技术的不断发展，人们想到了将两种技术结合，从而产生了 微机器人。在实际日常生产中，微机器人工厂也已经投入到了使用当中，在精密加工以及电 子加工行业中起到了无法替代的作用。为了让微型移动机器人适应更复杂环境的协调作业 要求，提出了可重构移动微机器人这一技术。为了能让可重构微型移动机器人技术能够更 好地开展，人们需要搭建一个定位系统，能让微机器人在实际生产作业中的协调工作，并且 通过定位系统从中提取出微机器人的相关位置信息。可重构微型移动机器人集群定位跟踪 系统正是为了解决这个问题而提出。经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号为=200410059618. 1，该技术提供 了一种基于扫描移动机器人上的条形码从而对机器人的进行定位的系统。但该定位系统需 要在机器人身上以及实验平台上粘贴条码标签。由于条码标签本身条码比较密集，粘贴与 微机器人身上难以识别，因此不适合在微型机器人定位系统中应用。又经检索发现，中国专利申请号为=200710168718. 1，该技术提供了一种由设置平 台、设置于设置平台上的传感器子系统、数据处理子系统与电压转换模块构成的机器人自 主定位系统，但该系统只适用于在煤矿、隧道等地下环境工作的机器人。由于微型移动机器 人体积微小要求机械结构尽可能的简洁，因此不适合搭载传感器子系统，因此该系统也不 适合可重构微型移动机器人。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种可重构微型移动机器人集 群定位跟踪系统。本发明通过图像处理方法对机器人标记进行识别，利用速度预估方法，实 现微型移动机器人集群的高精度定位与跟踪。本发明是通过以下技术方案实现的本发明包括图像采集处理模块、标记识别模块、运动跟踪定位模块和外部监控模 块，其中图像采集处理模块分别与标记识别模块和运动跟踪定位模块相连传输黑白二值 化图像信息，标记识别模块与运动跟踪定位模块相连传输机器人标号信息和机器人初始扫 描区域信息，运动跟踪定位模块与外部监控模块相连传输机器人的速度信息和位置位姿信 息，标记识别模块与外部监控模块相连传输机器人的标号信息。所述的图像采集处理模块，包括摄像头、图像采集卡、图像滤波子模块、灰度阈值 自适应选择子模块和图像二值化子模块，其中摄像头与图像采集卡相连传输采集的图像 信息，图像采集卡与图像滤波子模块相连传输机器人全局场景像信息，图像滤波子模块与 灰度阈值自适应选择子模块相连传输滤波后的图像信息，灰度阈值自适应选择子模块与图像二值化子模块相连传输最佳灰度阈值信息，图像二值化子模块分别与标记识别模块和运 动跟踪定位模块相连传输黑白二值化图像信息。所述的标记识别模块，包括标记矩阵比较子模块、标记周长比较子模块、标记黑 白比值比较子模块、加权求和子模块和标号子模块，其中标记矩阵比较子模块的输入端与 图像采集处理模块相连传输黑白二值化图像信息，标记矩阵比较子模块的输出端与加权求 和子模块相连传输黑白二值化图像和模板标记的矩值比较信息，标记周长比较子模块的输 入端与图像采集处理模块相连传输黑白二值化图像信息，标记周长比较子模块的输出端与 加权求和子模块相连传输黑白二值化图像和模板的周长差值信息，标记黑白比值比较子模 块的输入端与图像采集处理模块相连传输黑白二值化图像信息，标记黑白比值比较子模块 的输出端与加权求和子模块相连传输黑白二值化图像和模板的黑白像素点比值的差值信 息，加权求和子模块与运动跟踪定位模块相连传输机器人初始扫描区域信息，加权求和子 模块与标号子模块相连传输机器人扫描区域信息，标号子模块与运动跟踪定位模块相连传 输机器人标号信息，，标号子模块与外部监控模块相连传输机器人标号信息。所述的运动跟踪定位模块包括位置预估子模块、全局场景开窗扫描子模块和位 姿判断子模块，其中位置预估子模块与图像采集处理模块相连传黑白二值化图像信息，位 置预估子模块与标记识别模块相连传输机器人标号信息和机器人初始扫描区域信息，位置 预估子模块与外部监控模块相连传输机器人的速度信息，位置预估子模块与全局场景开窗 扫描子模块相连传输预估的机器人位置信息，全局场景开窗扫描子模块与位姿判断子模块 相连传输机器人预估位置所在区域的像素信息，全局场景开窗扫描模块与外部监控模块相 连传输机器人预估位置所在区域的机器人中心位置信息，位姿判断子模块与外部监控模块 相连传输机器人当前的夹角信息。所述的全局场景开窗扫描子模块包括开窗扫描单元、统计黑白像素比值单元、判 定单元、计算中心位置单元和输出单元，其中开窗扫描单元与位置预估子模块相连传输预 估的机器人位置信息，开窗扫描单元与统计黑白像素比值单元相连传输黑白像素信息，统 计黑白像素比值单元与判定单元相连传输黑白像素比值信息，判定单元与计算中心位置单 元相连传输该预估区域有机器人出现的信息，计算中心位置单元与外部监控模块相连传输 机器人预估位置所在区域的机器人中心位置信息，计算中心位置单元与位姿判断子模块相 连传输机器人预估位置所在区域的像素信息，判定单元与输出单元相连传输该预估区域无 机器人出现的信息，输出单元与外部监控模块相连传输该预估区域无机器人出现的信息。所述的位姿判断子模块包括=Hough变化单元和夹角提取单元，其中=Hough变化 单元与全局场景开窗扫描子模块相连传输机器人预估位置所在区域的像素信息，Hough变 化单元与夹角提取单元相连传输Hough变化后的像素信息，夹角提取单元与外部监控模块 相连传输机器人当前的夹角信息。所述的夹角信息是机器人与设定的坐标的夹角信息。与现有技术相比，本发明的有益效果是本发明结合可重构微型移动机器人的特 点，采用基于图像采集以及处理的方法设计了整合识别、定位、跟踪于一体的可重构微型移 动机器人集群定位跟踪系统，并且根据机器人速度信息预估出机器人将要出现的区域，从 而减小定位系统的扫描工作量，降低了系统周期，大幅提高了系统的实时性，使得实时跟踪 系统更为快捷，精确，可靠性更高，该发明还适用于其他类似地通过对标记检测的实验场景中。
图1是本发明的系统组成连接示意图。图2是图像采集处理模块的组成连接示意图。图3是标记识别模块的组成连接示意图。图4是运动跟踪定位模块的组成连接示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的系统进一步描述本实施例在以本发明技术方案为前提 下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述 的实施例。实施例如图1所示，本实施例包括图像采集处理模块、标记识别模块、运动跟踪定位模 块和外部监控模块，其中图像采集处理模块分别与标记识别模块和运动跟踪定位模块相 连传输黑白二值化图像信息，标记识别模块与运动跟踪定位模块相连传输机器人标号信息 和机器人初始扫描区域信息，运动跟踪定位模块与外部监控模块相连传输机器人的速度信 息和位置位姿信息，标记识别模块与外部监控模块相连传输机器人的标号信息。如图2所示，所述的图像采集处理模块，包括摄像头、图像采集卡、图像滤波子模 块、灰度阈值自适应选择子模块和图像二值化子模块，其中摄像头与图像采集卡相连传输 采集的图像信息，图像采集卡与图像滤波子模块相连传输机器人全局场景像信息，图像滤 波子模块与灰度阈值自适应选择子模块相连传输滤波后的图像信息，灰度阈值自适应选择 子模块与图像二值化子模块相连传输最佳灰度阈值信息，图像二值化子模块分别与标记识 别模块和运动跟踪定位模块相连传输黑白二值化图像信息。所述的摄像头是CXD摄像头。所述的图像滤波子模块是采用高斯模板进行平滑和滤波。本实施例通过将高斯矩 阵和该子模块的输入图像像素进行卷积，从而达到滤波的效果。如图3所示，所述的标记识别模块，包括标记矩阵比较子模块、标记周长比较子 模块、标记黑白比值比较子模块、加权求和子模块和标号子模块，其中标记矩阵比较子模 块的输入端与图像采集处理模块相连传输黑白二值化图像信息，标记矩阵比较子模块的输 出端与加权求和子模块相连传输黑白二值化图像和模板标记的矩值比较信息，标记周长比 较子模块的输入端与图像采集处理模块相连传输黑白二值化图像信息，标记周长比较子模 块的输出端与加权求和子模块相连传输黑白二值化图像和模板的周长差值信息，标记黑白 比值比较子模块的输入端与图像采集处理模块相连传输黑白二值化图像信息，标记黑白比 值比较子模块的输出端与加权求和子模块相连传输黑白二值化图像和模板的黑白像素点 比值的差值信息，加权求和子模块与运动跟踪定位模块相连传输机器人初始扫描区域信 息，加权求和子模块与标号子模块相连传输机器人扫描区域信息，标号子模块与运动跟踪 定位模块相连传输机器人标号信息，，标号子模块与外部监控模块相连传输机器人标号信息。
如图4所示，所述的运动跟踪定位模块包括位置预估子模块、全局场景开窗扫描 子模块和位姿判断子模块，其中位置预估子模块与图像采集处理模块相连传黑白二值化 图像信息，位置预估子模块与标记识别模块相连传输机器人标号信息和机器人初始扫描区 域信息，位置预估子模块与外部监控模块相连传输机器人的速度信息，位置预估子模块与 全局场景开窗扫描子模块相连传输预估的机器人位置信息，全局场景开窗扫描子模块与位 姿判断子模块相连传输机器人预估位置所在区域的像素信息，全局场景开窗扫描模块与外 部监控模块相连传输机器人预估位置所在区域的机器人中心位置信息或者是该预估区域 无机器人出现的信息，位姿判断子模块与外部监控模块相连传输机器人当前的夹角信息。所述的全局场景开窗扫描子模块包括开窗扫描单元、统计黑白像素比值单元、判 定单元、计算中心位置单元和输出单元，其中开窗扫描单元与位置预估子模块相连传输预 估的机器人位置信息，开窗扫描单元与统计黑白像素比值单元相连传输黑白像素信息，统 计黑白像素比值单元与判定单元相连传输黑白像素比值信息，判定单元与计算中心位置单 元相连传输该预估区域有机器人出现的信息，计算中心位置单元与外部监控模块相连传输 机器人预估位置所在区域的机器人中心位置信息，计算中心位置单元与位姿判断子模块相 连传输机器人预估位置所在区域的像素信息，判定单元与输出单元相连传输该预估区域无 机器人出现的信息，输出单元与外部监控模块相连传输该预估区域无机器人出现的信息。所述的位姿判断子模块包括=Hough变化单元和夹角提取单元，其中=Hough变化 单元与全局场景开窗扫描子模块相连传输机器人预估位置所在区域的像素信息，Hough变 化单元与夹角提取单元相连传输Hough变化后的像素信息，夹角提取单元与外部监控模块 相连传输机器人当前的夹角信息。所述的夹角信息是机器人与设定的坐标的夹角信息。所述的外部监控模块包括速度检测子模块和显示子模块，其中速度检测子模 块与运动跟踪定位模块相连传输传输机器人的速度信息，显示子模块分别与位姿判断子模 块相连传输机器人当前的夹角信息，显示子模块与输出单元相连传输该预估区域无机器人 出现的信息，显示子模块与计算中心位置单元相连传输机器人预估位置所在区域的机器人 中心位置信息，本实施例的工作过程当可重构微机器人集群进入到本实施例系统后，最先动作 的是图像采集处理模块图像采集处理模块通过CXD摄像头捕获全局场景图像，并且通过 图像采集卡传送到图像滤波子模块中，然后将经过滤波的图像送入灰度阈值自适应选择子 模块。本实施例中灰度阈值自适应选择子模块采用的是加权选择，然后利用加权后的灰度 直方图进行加窗处理，将大于灰度阈值的像素点设置为255，其它像素点设置为O。再将处 理完的图像送入标记识别模块进行机器人识别。当标记识别模块接收到图像采集处理模块 传输过来的图像信息后开始动作，并在这个模块中完成对机器人集群的逐一识别。其中标 记矩值比较子模块利用几何矩对扫描区域的图像以及模板标记进行统计计算，分别得出两 者矩值，并且对两矩值进行比较。标记周长比较子模块通过对扫描区域图像中的黑色区域 的周长进行计算并且同模板中的黑色区域周长进行比较。标记黑白比值比较子模块通过对 扫描区域图像像素点信息的统计计算出黑白像素点比值并且同模板黑白像素比值进行比 较。标记矩值比较子模块、标记周长比较子模块、和标记黑白比值比较子模块都与加权求和 子模块相连并将各自的比较结果送入加权求和子模块，加权求和子模块给这3个结果分别加以权值，准确地得出扫描区域的图像与模板的相似度，从而对机器人进行识别，并且对机 器人进行标号，并且将机器人初始区域以及机器人标号信息送入到运动跟踪定位模块，等 待跟踪定位的开始。当运动跟踪定位模块接收到机器人序号后，初始化机器人初始扫描区 域，并且启动位置预估子模块。在位置预估子模块中，根据机器人给定尺寸以及实际占用图 像像素点个数，换算出像素点与实际尺寸的转换比值。并且利用这一比值折算出以每秒经 过像素点的速度值，从而确定机器人即将出现的区域位置，并将机器人预估位置所在区域 的位置信息传送至全局场景开窗扫描子模块。在全局场景开窗扫描子模块中完成对机器人 是否若在预判位置进行判断并给出相应的返回值，并将预判成功的机器人中心位置输出到 系统外部监控模块中，并且将开窗场景信息送入至位姿判断子模块中。在位姿判断子模块 中通过Hough变换计算出机器人当前的位姿，并输出到外部监控模块。
本实施例通过各模块间相互配合，信息数据的相互传递，完成对可重构微型移动 机器人的定位与跟踪，并且将相关的位姿信息，位置坐标等通过特定的模块输出到外部监 控模块中，完成了对可重构微型移动机器人的定位与跟踪。
权利要求
一种可重构微型移动机器人集群定位跟踪系统，其特征在于，包括图像采集处理模块、标记识别模块、运动跟踪定位模块和外部监控模块，其中图像采集处理模块分别与标记识别模块和运动跟踪定位模块相连传输黑白二值化图像信息，标记识别模块与运动跟踪定位模块相连传输机器人标号信息和机器人初始扫描区域信息，运动跟踪定位模块与外部监控模块相连传输机器人的速度信息和位置位姿信息，标记识别模块与外部监控模块相连传输机器人的标号信息。
2.根据权利要求1所述的可重构微型移动机器人集群定位跟踪系统，其特征是，所述 的图像采集处理模块，包括摄像头、图像采集卡、图像滤波子模块、灰度阈值自适应选择子 模块和图像二值化子模块，其中摄像头与图像采集卡相连传输采集的图像信息，图像采集 卡与图像滤波子模块相连传输机器人全局场景像信息，图像滤波子模块与灰度阈值自适应 选择子模块相连传输滤波后的图像信息，灰度阈值自适应选择子模块与图像二值化子模块 相连传输最佳灰度阈值信息，图像二值化子模块分别与标记识别模块和运动跟踪定位模块 相连传输黑白二值化图像信息。
3.根据权利要求1所述的可重构微型移动机器人集群定位跟踪系统，其特征是，所述 的标记识别模块，包括标记矩阵比较子模块、标记周长比较子模块、标记黑白比值比较子 模块、加权求和子模块和标号子模块，其中标记矩阵比较子模块的输入端与图像采集处理 模块相连传输黑白二值化图像信息，标记矩阵比较子模块的输出端与加权求和子模块相连 传输黑白二值化图像和模板标记的矩值比较信息，标记周长比较子模块的输入端与图像采 集处理模块相连传输黑白二值化图像信息，标记周长比较子模块的输出端与加权求和子模 块相连传输黑白二值化图像和模板的周长差值信息，标记黑白比值比较子模块的输入端与 图像采集处理模块相连传输黑白二值化图像信息，标记黑白比值比较子模块的输出端与加 权求和子模块相连传输黑白二值化图像和模板的黑白像素点比值的差值信息，加权求和子 模块与运动跟踪定位模块相连传输机器人初始扫描区域信息，加权求和子模块与标号子模 块相连传输机器人扫描区域信息，标号子模块与运动跟踪定位模块相连传输机器人标号信 息，标号子模块与外部监控模块相连传输机器人标号信息。
4.根据权利要求1所述的可重构微型移动机器人集群定位跟踪系统，其特征是，所述 的运动跟踪定位模块包括位置预估子模块、全局场景开窗扫描子模块和位姿判断子模块， 其中位置预估子模块与图像采集处理模块相连传黑白二值化图像信息，位置预估子模块 与标记识别模块相连传输机器人标号信息和机器人初始扫描区域信息，位置预估子模块与 外部监控模块相连传输机器人的速度信息，位置预估子模块与全局场景开窗扫描子模块相 连传输预估的机器人位置信息，全局场景开窗扫描子模块与位姿判断子模块相连传输机器 人预估位置所在区域的像素信息，全局场景开窗扫描模块与外部监控模块相连传输机器人 预估位置所在区域的机器人中心位置信息，位姿判断子模块与外部监控模块相连传输机器 人当前的夹角信息。
5.根据权利要求4所述的可重构微型移动机器人集群定位跟踪系统，其特征是，所述 的全局场景开窗扫描子模块包括开窗扫描单元、统计黑白像素比值单元、判定单元、计算 中心位置单元和输出单元，其中开窗扫描单元与位置预估子模块相连传输预估的机器人 位置信息，开窗扫描单元与统计黑白像素比值单元相连传输黑白像素信息，统计黑白像素 比值单元与判定单元相连传输黑白像素比值信息，判定单元与计算中心位置单元相连传输该预估区域有机器人出现的信息，计算中心位置单元与外部监控模块相连传输机器人预估 位置所在区域的机器人中心位置信息，计算中心位置单元与位姿判断子模块相连传输机器 人预估位置所在区域的像素信息，判定单元与输出单元相连传输该预估区域无机器人出现 的信息，输出单元与外部监控模块相连传输该预估区域无机器人出现的信息。
6.根据权利要求4所述的可重构微型移动机器人集群定位跟踪系统，其特征是，所述 的位姿判断子模块包括=Hough变化单元和夹角提取单元，其中=Hough变化单元与全局场 景开窗扫描子模块相连传输机器人预估位置所在区域的像素信息，Hough变化单元与夹角 提取单元相连传输Hough变化后的像素信息，夹角提取单元与外部监控模块相连传输机器 人当前的夹角信息。
全文摘要
一种机器人技术领域的可重构微型移动机器人集群定位跟踪系统，包括图像采集处理模块、标记识别模块、运动跟踪定位模块和外部监控模块，其中所述的图像采集处理模块，包括摄像头、图像采集卡、图像滤波子模块、灰度阈值自适应选择子模块和图像二值化子模块，所述的标记识别模块，包括标记矩阵比较子模块、标记周长比较子模块、标记黑白比值比较子模块、加权求和子模块和标号子模块，所述的运动跟踪定位模块包括位置预估子模块、全局场景开窗扫描子模块和位姿判断子模块。本发明减小了定位系统的扫描工作量，降低了系统周期，大幅提高了系统的实时性，使得实时跟踪系统更为快捷，精确，可靠性更高，同时实现识别、定位和跟踪。
文档编号G06T7/20GK101893894SQ201010214879
公开日2010年11月24日 申请日期2010年6月30日 优先权日2010年6月30日
发明者李振波, 沈慧, 陈佳品 申请人:上海交通大学