基于可见光定位导航的室内机器人的制作方法

本实用新型涉及机器人的研究领域，特别涉及一种基于可见光定位导航的室内机器人。

背景技术：

近年来，全球工业机器人销量大幅增加。同时，服务型机器人发展迅速，应用范围日趋广泛。国家工业和信息化部、发改委、财政部三部委在2016年3月21日联合印发了《机器人产业发展规划(2016－2020年)》，强调大力发展机器人产业。

面向室内应用的智能机器人是其中一个重要发展方向。但室内机器人目前面临的最大问题是定位导航问题。假如用金字塔来表示机器人技术，那么定位导航作为最底层技术，正是构建整个机器人的核心关键。常见的定位导航方法中，电磁导航简单且比较成熟，成本虽低，但铺设麻烦；利用WiFi、蓝牙、UWB等射频技术进行定位，其信号容易衰减，精度差；利用视觉技术进行导航，计算量高且定位速度慢，实时性差。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于可见光定位导航的室内机器人，能够利用室内照明LED灯实现机器人室内定位以及导航行走。

为了到达上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型的一种基于可见光定位导航的室内机器人，包括用于发送定位信息的可见光定位发射单元、用于接收可见光信号进行定位和导航的可见光定位接收单元、驱动机器人运动的驱动单元、用于机器人运动的机械结构单元、用于监测外部环境的感知单元、用于获取图像信息的计算机视觉单元、机器人微型计算机单元、控制显示面板单元以及电源；

所述的可见光定位发射单元与日常照明LED灯集成，安装在室内天花板；所述的可见光定位接收单元与机器人微型计算机单元直接相连，放置于整套机器人系统的顶部，朝向正上方；所述的驱动单元与机器人微型计算机单元直接相连；所述的机械结构单元与驱动单元相连；所述的计算机视觉单元与机器人微型计算机单元直接相连，安装于机器人系统正前方；所述的感知单元与机器人微型计算机单元直接相连，安装在机器人周边；所述的控制显示面板单元与机器人微型计算机单元直接相连，安装在机器人背部；所述的电源直接供应整套机器人系统的用电。

作为优选的技术方案，所述可见光定位发射单元包括开关键控信号调制单元、用于驱动LED进行照明和可见光通信的LED电路驱动单元、以及用于照明和发送可见光定位信号的LED灯具单元；所述开关键控信号调制单元与LED驱动电路连接，所述LED驱动电路集成在LED灯具单元上。

作为优选的技术方案，所述LED灯具单元包括多个LED灯具，每个LED灯具对应唯一编号，LED灯具单元安装好之后，每个LED灯具的位置信息与该LED的编号唯一对应。

作为优选的技术方案，所述的可见光定位接收单元包括CMOS图像传感接收器，用于对安装在室内正上方的可见光定位发射信号光源成像以获得当前的空间坐标信息，从中提取带编号信息的可见光信号进行定位和导航。

作为优选的技术方案，所述的驱动单元包括电机和电机驱动，由机器人微型计算机单元控制驱动单元，从而驱动机械结构单元从而带动机器人的运动。

作为优选的技术方案，所述机械结构单元包括机器人底盘、轮胎以及机械臂。

作为优选的技术方案，所述感知单元包括温度传感器、湿度传感器、PM2.5传感器、火焰传感器、分贝传感器、超声波模块、以及红外感应传感器，用于获取外界环境的各项参数，实现对外部环境的实时监测。

作为优选的技术方案，所述计算机视觉单元包括摄像头，对当前路径下的场景进行成像，对环境障碍物进行检测，帮助机器人规避障碍或监控周围环境。

作为优选的技术方案，所述控制显示面板单元采用触控式的人机交互界面。

作为优选的技术方案，所述机器人微型计算机单元采用卡片式嵌入式计算机，所述卡片式嵌入式计算机包括树莓派、BeagleBone Black、以及香蕉派计算机。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本实用新型实现了一种基于可见光定位导航的室内机器人，能够利用室内照明LED灯实现机器人室内定位以及导航行走，能够部署于酒店、车间、办公场所或者大型展馆等。由于可见光信号对电磁免疫，既不会产生射频干扰也不受射频干扰，因此还可以部署在对电磁辐射有严格限制的场景，如医院、精密电子环境等地方，应用场景十分广阔。

2、本实用新型应用可见光技术进行定位，对比其他基于射频技术的室内定位技术，具有精度高、定位速度快、算法复杂度低、实时性好等特点，能够满足在机器人运动的情况下实时精准定位和导航等需求。

附图说明

图1是本实用新型基于可见光定位导航的室内机器人的模块连接关系示意图。

图2是本实用新型中可见光定位发射单元模块连接图；

图3是本实用新型中可见光定位发射单元集成OOK信号调制单元与LED电路驱动单元的LED恒流调制驱动电路原理图；

图4是本实用新型中可见光定位接收单元对带编号信息的可见光信号进行逐行曝光成像所获取的条纹图像示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实用新型公开了一种基于可见光定位导航的室内机器人，其中，包括用于发送定位信息的可见光定位发射单元、用于接收可见光信号进行定位和导航的可见光定位接收单元、驱动机器人运动的驱动单元、用于机器人运动的机械结构单元、用于监测外部环境的感知单元、用于获取图像信息的计算机视觉单元、机器人微型计算机单元、控制显示面板单元、以及电源等。

所述的可见光定位发射单元与日常照明LED灯集成，安装在室内天花板；所述的可见光定位接收单元与机器人微型计算机单元直接相连，放置于整套机器人系统的顶部，朝向正上方；所述的驱动单元与机器人微型计算机单元直接相连；所述的机械结构单元与驱动单元相连；所述的计算机视觉单元与机器人微型计算机单元直接相连，安装于机器人系统正前方；所述的感知单元与机器人微型计算机单元直接相连，安装在机器人周边；所述的控制显示面板单元与机器人微型计算机单元直接相连，安装在机器人背部；所述的电源直接供应整套机器人系统的用电。

如图2所示为本实用新型中所述的可见光定位发射单元，包括开关键控(OOK)信号调制单元、用于驱动LED进行照明和可见光通信的LED电路驱动单元、以及用于照明和发送可见光定位信号的LED灯具单元；所述发射单元将LED灯具的唯一编号进行信号调制以后，输出连续的调制波形，驱动LED光源发光并传输信号；LED灯具在安装后，其安装位置信息(X,Y)与LED灯具的编号唯一对应。

如图3所示为本实用新型可见光通信装置中集成了OOK信号调制单元与LED电路驱动单元的LED恒流调制驱动电路，其作用是根据输入的比特信息DIM控制LED灯的开和关，从而驱动LED灯具进行照明和发射可见光通信信号。本实施例中，采用具有高调光比的LED恒流驱动芯片PT4115，其输入电压范围从8伏到30伏，输出电流可通过外置的电流采样电阻设置，最大驱动电流可达1.2安培，并具有5％的输出电流精度。PT4115芯片采用高端电流采样设置LED平均电流，并通过DIM引脚可以接受模拟调光和宽范围的PWM调光，最大PWM调光频率可达50KHz。PT4115芯片内置功率开关，当DIM的电压低于0.3伏时，功率开关关断，LED熄灭，PT4115芯片进入极低工作电流的待机状态，因此OOK信号调制单元输出的调制信号从DIM脚输入即可驱动LED灯具单元实现照明并发出调制过的可见光定位信号。

上述的可见光定位接收单元主要包括逐行曝光CMOS图像传感器，用于对安装在室内正上方的可见光定位发射光源以快速成像的方式获得条纹图像，从中获得可见光定位灯具的编号并进一步得到当前的空间坐标信息，从而支持室内定位与导航。

上述的驱动单元主要包括电机和电机驱动，由机器人微型计算机控制驱动单元，用于驱动机械结构单元从而带动机器人的运动。

上述的机械结构单元与驱动单元相连,主要包括机器人底盘、轮胎、机械臂等元件。

上述的感知单元包含温度传感器，湿度传感器，PM2.5传感器，火焰传感器，分贝传感器，超声波模块，红外感应传感器等，用于获取外界环境的各项参数，实现对外部环境的实时监测，其中的超声波模块和红外感应传感器等，还用于及时对一定距离内的障碍物以及行人进行判断识别，避免机器人与外界发生碰撞。

上述的计算机视觉单元主要包含摄像头，对当前路径下的场景进行成像，对行人进行检测，帮助机器人规避障碍或监控周围环境。

上述的控制显示面板单元用于人机交互，实现对机器人系统进行控制，同时实时显示机器人系统当前状态信息。

上述的机器人微型计算机单元用于获取感知单元所有传感器的值，在控制显示面板中实时显示各项参数，控制机器人在行走运动时躲避障碍，同时获取计算机视觉单元采集的图像/视频并进行分析处理，帮助机器人更好地预测和规避环境障碍物。

上述的电源用于对整套机器人系统进行供电。

本实施例中，上述基于可见光定位导航的实现方法如下：

所述可见光定位接收单元的CMOS图像传感器是一种感光像素逐行曝光的成像器件，其工作原理上具有卷帘快门效应，即不同行像素的曝光成像在时间上有先后次序。由于携带了定位信息的可见光信号是经过OOK调制的信号，光信号强度在时间上对应于信息比特也按序变化，即可见光定位发射单元的照明LED灯具将对应于信息比特依次亮/灭交替。如图4所示，采用具有卷帘快门效应的CMOS图像传感器对可见光定位发射单元的照明LED灯具进行逐行曝光成像，就可以获得与信息比特0/1对应的暗/明(黑/白)条纹图像；判断条纹的黑/白可以得到一串0/1信号，从而解析出条纹所包含的光源身份识别信息，该信息应包含所成像的可见光定位LED灯具编号信息。根据所获取的可见光信号光源的编号信息，机器人微型计算机查询所存储的“编号-位置”对应关系即可获得当前所处室内位置信息。

机器人微型计算机在获取机器人当前所在的室内空间位置(X,Y)后，将当前位置信息进行更新存储并实时导航。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。