本发明属于机器人室内定位导航技术领域，具体涉及一种利用红外吊灯和摄像头测量机器人位置的方法以及一种利用红外吊灯和摄像头测量机器人位置的系统。
背景技术：
机器人在室内工作通常需要较为准确的朝向以及位置信息，用以支撑完成所规划的任务。
室内移动机器人的导航定位方法较多，大致可分为以下几种：
第一种为室内基站/节点定位法，即利用多个通讯节点、基站或者特定标签到机器人的间距以及卡尔曼滤波算子估算出机器人在室内的位置。例如成都电子科技大学周亮等人，以信号强度估算多个信号节点到机器人距离，采用模仿gps的坐标求解方法实现机器人定位，并采用衰减卡尔曼滤波器个提高定位结果精度。
第二种为系统监控法，即搭建监控系统或者感知网络，利用多个摄像头搭建感知网络，观测和计算机器人当前的位置和姿态。
第三种为地标提示法，即在地面或者墙体设定磁条、色带、色块、磁钉、二维码甚至rfid地标，为机器人提供朝向或者位置信息，帮助其进行朝向或者位置修正，这一类方法宜与同imu惯导信息及码盘相结合，在机器人无法捕获地标的情况下，进行航迹推算。
此外还有一种方法为slam方法，即机器人自定位同环境探测同步进行，利用摄像头、激光雷达传感器等设备探测作业环境信息，同时提炼出关键地标数据用于实现机器人实时位置求解，另外随着探测范围不断扩大，扩展出全局地图。
在上述几种方案中，如果能够保证机器人进行准确行走则需要布置大量的用于进行定位的硬件设备，其不仅造成感官系统布局困难，还会受布置场所结构形态的影响(例如机器人行走的地面轮廓非常复杂)，则会进一步增加机械人行走的困难程度。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种易于部署和操作的、用于进行室内移动机器人朝向和位置测量的方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种利用红外吊灯和摄像头测量机器人位置的方法，包括：
步骤一、将红外吊灯吊装在屋顶上，通过所述红外吊灯对地面进行红外照明，同时在屋顶上散布红外光斑；
步骤二、将红外摄像头设置于机器人的头部、用以捕捉所述红外吊灯的图像以及屋顶散布的所述红外光斑的图像，同时获取所述红外吊灯到所述红外摄像头所处平面的垂直距离作为高度信息；
步骤三、将所述机器人置于所述红外吊灯的正下方、并指定所述机器人的初始朝向和位置，利用所述机器人的头部所设置的所述红外摄像头捕捉所述红外吊灯及所述红外摄像头视野内的所述红外光斑的图像；
步骤四、所述机器人先移动一小段距离、并确保所述红外摄像头视野内的所述红外吊灯一直处于所述红外摄像头的视野中，结合所述高度信息、基于所述机器人的室内平面移动(即二维矢量)约束及所述红外摄像头的仿射变换原理进行计算获得所述机器人的朝向和位置变化，同时计算出所述红外摄像头视野中捕获的所述红外光斑的高度信息和坐标值；
步骤五、在步骤四的基础上，所述机器人开始全面自主移动，直到所述红外摄像头视野内的所述红外吊灯离开所述红外摄像头视野，在所述机器人移动过程期间所述红外摄像头不断捕获新的所述红外光斑图像，同时利用已经计算出的被捕获的所述红外光斑的高度信息和位置坐标，计算所述机器人朝向和位置的变化，同时计算新捕获的所述红外光斑的高度信息，用于在所述机器人的后续移动过程中持续计算出所述机器人的位置和朝向。
优选地，在所述步骤四中，获得所述机器人的朝向和位置变化的具体算法如下：首先结合所述红外摄像头垂直方向上安装姿态，根据仿射变换几何原理，有
式中ip(up，vp)为所述机器人上方某一点p在所述红外摄像头视野中的像素坐标，其中，u0为成像中心横坐标、v0为成像中心纵坐标、k为放大系数，hp表示点p的高度信息即点p到所述红外摄像头平面的垂直距离，(cxp,cyp)表示所述红外摄像头的中心到点p的射线在所述红外摄像头平面中的投影矢量，所述投影矢量由以下公式计算而出
其中(x,y)表示当前时刻机器人及其所述红外摄像头的位置坐标，θ表示所述机器人及所述红外摄像头的朝向；
在初始时刻，所述机器人位置被初始为(x0，y0)，朝向被初始设置为θ0，吊灯底部到所述红外摄像头平面的距离为hd；
在所述红外摄像头的视野中，在视野范围内获得的所述红外吊灯图像的中心像素坐标为(ud，vd)，所捕获的所述红外光斑的中心像素坐标为g1(ug1,vg1)；
在所述机器人移动后，在所述红外摄像头的视野中所述红外吊灯中心像素坐标变化为
结合上述计算公式和变量定义,可计算出所述机器人的平面位移矢量为(x1-x0,y1-y0)为；
变形后可得：
其中
继而可以计算出所述机器人移动后的位置为(x1，y1)；
继而可计算出所述红外光斑gi到摄像头平面的垂直高度距离的为：
优选地，在所述步骤五中，计算新捕获的所述红外光斑的高度信息是指：
结合已知的所述红外光斑的高度信息及前一时刻所述机器人的位置朝向及位置信息，采用步骤四中记载的计算方法，结合已计算出的所述红外光斑点高度信息，更新计算所述机器人移动后的位置朝向信息；
同时，计算出新捕获的光斑的高度的信息，用以完成所述机器人后续朝向及位置的计算。
本发明还提供了一种利用红外吊灯和摄像头测量机器人位置的系统，该系统包括：
红外吊灯，于所述红外吊灯的外侧设置有灯罩，所述灯罩上开设有光斑孔，所述光斑孔开设有多个，由所述红外吊灯发出的红外光线穿过所述灯罩上的光斑孔形成有红外光斑图层；
红外摄像头，所述红外摄像头设置到机器人上用于对所述红外光斑图层的图像进行捕捉；
控制处理器，所述控制处理器与所述红外摄像头信号连接、用于对所述红外摄像头捕捉到的红外光斑图像进行计算处理。
优选地，本发明还包括有灯架，所述红外吊灯通过万向接头设置于所述灯架上。
优选地，所述光斑孔均匀布于所述的灯罩上。
本发明方法以红外摄像头为主要传感器，通过观测红外吊灯及其投影到穹顶中的光斑，基于机器视觉测量室内移动机器人朝向和位置。本发明所需系统结构简洁，适用于面向不规则穹顶和大尺度室内空间，可较为方便的解决机场航站楼、商城、图书馆、博物馆等大型室内情景中机器人的自定位导航需求。本发明具有的有益效果在于：只需要一个红外摄像头及红外光斑发射器，所需系统搭建方便，易于后期维护，同时能够实现室内移动机器人朝向和位置测量。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1为本发明在利用红外吊灯及红外摄像头测量室内机器人朝向和位置的方法对机器人进行控制时的瞬时画面示意图。
附图标记说明：
红外摄像头1、机器人2、红外吊灯3、红外光斑4。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。此外，用语“上游”和“下游”指的是构件在流体通路中的相对位置。例如，如果流体从构件a流向构件b，则构件a在构件b的上游。相反，如果构件b接收来自构件a的流体流，则构件b在构件a的下游。
请参考图1，图1为本发明在利用红外吊灯及红外摄像头测量室内机器人朝向和位置的方法对机器人进行控制时的瞬时画面示意图。
本发明提供了利用红外吊灯和摄像头测量机器人位置的方法，在该方法中，首先将红外摄像头1垂直安装于机器人2的上方，将红外吊灯3安装于室内天花板上，红外吊灯3的底部向地面散发出柔和的红外光线，同时将一系列红外光斑4照射在弧形天花板上。
在本发明中，红外光斑4的散布方式如下：在红外吊灯3的灯罩上设置若干小孔，其内部红外灯光经过这些小孔之后，投射在屋顶上即可形成红外光斑4。捕捉一个红外光斑即可实现机器人2的定位，捕获到多个红外光斑则采用相同方式计算。
红外摄像头1的内部参数分别为u0(成像中心横坐标)、v0(成像中心纵坐标)、k(放大系数)；红外摄像头1所处平面到红外吊灯3底部的高度距离(垂直距离)为hd。
在初始时刻，将机器人2设置于红外吊灯3的正下方，将机器人2初始位置设定为(x0，y0)，初始朝向设定为θ0；在初始时刻红外摄像头1的视野中，红外吊灯3的底部像素坐标为(ud，vd)，捕捉到屋顶上的一个红外光斑4并设定其像素坐标为(ug1，vg1)。机器人2移动一小段距离之后，红外吊灯3底部的像素坐标变化为
其中
继而可以计算出机器人2移动后的位置为(x1，y1)；
基于可以计算出斑点g1到红外摄象头1的垂直高度距离hg1＝
随后机器人2开始在室内全面自主移动，其红外摄像头1不断捕获新的红外光斑的图像，利用已经计算出的红外光斑的高度信息，不断更新计算机器人2的朝向和位置信息，并计算新捕获的红外光斑4的高度信息，其具体计算过程如下：在某次移动的前一时刻，机器人2的位置坐标为(xi，yi)，朝向为θi，且已计算出的红外光斑gj到红外摄像头1所在平面的高度距离为hgj，其在红外摄像头1视野中的像素坐标为igj(ugj，vgj)，一新捕获的红外光斑gj+1的像素位置为igj+1(ugj+1，vgj+1)；移动后一时刻红外光斑gj在红外摄像头1的视野中的像素坐标变化为
其中
移动后机器人2的位置(xi+1，yi+1)通过以下公式计算：
机器人2在移动过程中不断借助上述公式更新计算，得出机器人移动后最新的朝向和位置坐标，另外不断捕获新的红外光斑并计算出其高度信息，从而可在后续移动过程中持续实现出机器人2的自身定位。
在本实施例中，其中机器人2采用电动堆高车agv机器人；红外摄像头2采用巴斯勒工业相机aca640-90gm配装850nm窄带红外滤光无畸变工业镜头构成；红外吊灯3采用基于led圆形平面灯和红外光斑发射管而集成出的红外实验吊灯。
基于上述的测量方法，本发明还提供了一种利用红外吊灯和摄像头测量机器人位置的系统，该系统包括：
1、用于发射红外光线的红外吊灯
于红外吊灯3的外侧设置有灯罩，灯罩上开设有光斑孔，光斑孔开设有多个，由红外吊灯3发出的红外光线穿过灯罩上的光斑孔形成有红外光斑图层。
在红外吊灯3固定设置到建筑室内房顶时，为了便于对红外吊灯3进行位置微调，本发明还设置有灯架，灯架采用不锈钢或者铝型材制成，灯架通过膨胀螺丝固定到建筑上，然后，红外吊灯3通过万向接头设置于灯架上。这样，灯架作为安装基础，红外吊灯3通过万向接头设置到灯架上，红外吊灯3可以在万向接头的作用下进行角度调整。
具体地，光斑孔均布于的灯罩上。
2、能够对红外光斑以及红外吊灯位置进行捕捉的红外摄像头
红外摄像头1设置到机器人2上用于对红外光斑图层的图像进行捕捉。
3、具有信号处理、数据分析以及控制指令生成的控制处理器
控制处理器与红外摄像头1信号连接、用于对红外摄像头1捕捉到的红外光斑图像进行计算处理。
在上述结构设计中，由红外吊灯3在建筑屋顶形成红外光斑，然后将红外摄像头1安装到机器人2上，并使得红外摄像头1朝上设置从而利用红外摄像头1捕捉屋顶的红外光斑。红外摄像头1与控制处理器信号连接，控制处理器能够根据本发明提供的利用红外吊灯3和摄像头测量机器人2位置的方法对红外摄像头1获取的红外光斑位置信号进行数据处理，从而生成控制指令控制机器人2运行。
以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。