基于视觉的移动机器人编队的协同定位系统的制作方法

本实用新型涉及移动机器人的定位技术领域，具体涉及一种基于视觉的移动机器人编队的协同定位系统。

背景技术：

自二十世纪下半叶以来，移动机器人的研究便得到了快速的发展，并在国防、生产、工业、服务、个人消费等领域中得到了广泛的应用，其重要性与发展前景毋庸赘述。其中，自主定位是移动机器人的一个最基本的要求，也是诸如视觉导航、路径规划、目标围捕等更高级功能的基础，同时也是移动机器人拥有“智能”的必要条件。但是，现阶段机器人自主定位的研究往往集中于单个机器人上。而在某些应用背景下，单个机器人在感知范围、计算能力、处理能力、抗干扰能力等方面有一定的缺陷，自主定位精度往往不会很高。与单个机器人相比，由多机器人组成的机器人编队拥有更多的感知单元，可以提高感知范围；此外，信息量的增加可以使机器人编队获得更高的定位精度；多变的拓扑结构使得机器人编队可以执行更复杂的算法，同时分布式并行计算可以使系统拥有更强的计算能力；另外，编队中的机器人通过相互协调，可以为任务的完成提供冗余，从而拥有更出色的抗干扰能力。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了克服现阶段单个机器人自主定位的不足，为后续移动机器人的发展打下基础，提出了一种基于视觉的移动机器人编队的协同定位系统，该系统的移动机器人以视觉信息为基础，融合了多种传感信息与通信模块，在最高运动速度达到1m/s的情况下，能够实现在室内环境下5cm级的定位精度。

本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于视觉的移动机器人编队的协同定位系统，所述的协同定位系统包括：一个基站、三个人工路标、四个移动机器人和一个非合作目标机器人，上述基站、人工路标、移动机器人和非合作目标机器人都配备有无线模块，用于进行相互的无线通信；

其中，所述的基站用于给机器人编队发送控制指令以及接收机器人返回的状态及定位信息；所述的人工路标由特定颜色的LED组成，用于建立笛卡尔坐标系；所述的非合作目标机器人装有特定颜色的LED，用于移动机器人对其进行识别；四个所述的移动机器人按功能划分如下：两个移动机器人作为自主定位机器人，两个移动机器人作为目标跟踪机器人，其中，每个所述的移动机器人各配有两个相机，其中前置相机用于识别与锁定相邻的移动机器人上的LED，并且测量与相邻移动机器人的相对距离与相对角度，后置相机用于用于识别与锁定人工路标或非合作目标机器人，并且测量与锁定人工路标或非合作目标机器人的相对角度。

进一步地，每个所述的移动机器人由驱动层、感知层、控制层组成，其中，所述的驱动层由轮子、直流电机、直流电机驱动器、绝对值编码器组成，用于驱动移动机器人的运动；所述的感知层包括前置视觉云台、后置视觉云台、激光测距传感器、姿态模块，用于获取机器人运动信息与环境信息，；所述的控制层包括工控机、K60单片机，其中工控机作为主控制器，用于获取相机图像信息以及实现协同定位功能，K60单片机作为从控制器，用于对视觉云台进行控制，使其锁定并跟踪非合作目标机器人。

进一步地，每个所述的移动机器人的顶端都装有特定颜色的LED，作为机器人身份的标识。

进一步地，所述的移动机器人的前置视觉云台为单自由度。

进一步地，所述的自主定位机器人的后置视觉云台为单自由度，所述的目标跟踪机器人的后置视觉云台为二自由度。

进一步地，每个所述的移动机器人与基站通过分时间片的方式进行无线通信，实现控制指令、位姿信息、运动信息、传感信息的交互。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)本实用新型设计并制作了四个结构简单、功能强大的移动机器人，能够实现对特定目标的识别、跟踪与锁定；

2)本实用新型设计并制作一套针对机器人编队的协同定位系统，在最高运动速度达到1m/s的情况下，机器人能够实现在室内环境下5cm级的定位精度；

3)本系统的开放性允许诸如目标跟踪、目标围捕、地图构建、环境搜索等复杂功能的后续添加。

附图说明

图1是本实用新型公开的基于视觉的移动机器人编队的协同定位系统中移动机器人的结构图；

图2是本实用新型公开的基于视觉的移动机器人编队的协同定位系统的结构图；

图3是本实用新型公开的基于视觉的移动机器人编队的协同定位系统的控制周期与通信周期的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

本实用新型公开了一种基于视觉的移动机器人编队的协同定位系统，该系统包括一个基站、三个人工路标(下文统一简称为路标)、四个移动机器人(按功能划分可分为两个自主定位机器人与两个目标跟踪机器人，下文统一简称为机器人)与一个非合作目标机器人(下文统一简称为目标)。其中，基站是一台运行特定应用程序的计算机，用于给机器人编队发送控制指令以及接收机器人返回的状态及定位信息；路标主要由特定颜色的LED组成，其主要作用是建立笛卡尔坐标系；目标简单来说就是一辆遥控车，可以进行自由的运动。目标上装有特定颜色的LED，方便机器人对其进行识别。

从结构来看，每个机器人都可以分为驱动层、感知层、控制层。驱动层主要由轮子、直流电机、直流电机驱动器、绝对值编码器等组成，用于驱动机器人的运动；感知层主要由两个视觉云台(前置视觉云台跟踪路标或目标、后置视觉云台互相跟踪)、激光测距传感器(装配在前置视觉云台上，随相机一起运动)、姿态模块等组成，用于获取机器人运动信息与环境信息；控制层主要由工控机、K60单片机组成。工控机作为主控制器，用于获取相机图像信息以及运行协同定位算法。K60单片机作为从控制器，用于对视觉云台进行控制，使其锁定并跟踪目标。此外，每个机器人的顶端都装有特定颜色的LED，作为机器人身份的标识。自主定位机器人与目标跟踪机器人结构的区别仅在于后置视觉云台(自主定位机器人配有单自由度的视觉云台，目标跟踪机器人配有二自由度的视觉云台)。

除此之外，基站、人工路标以及每个机器人都配备了无线模块，用于进行相互的无线通信。

本系统运行时主要包括两个阶段：初始定位阶段与运动定位阶段。在初始定位阶段，由基站发送信号控制三个路标轮流点亮，此时每个机器人的后置相机对点亮的路标进行锁定，并得到相对偏航角；此外，每个机器人的前置相机进行相互锁定，得到机器人之间的相对偏航角与相对距离。然后构建非线性最小二乘问题，并使用高斯牛顿法求解，得到各个机器人的初始全局坐标。初始定位阶段结束。

在运动定位阶段，只有一个作为坐标原点的路标固定点亮。两个自主定位机器人的前置相机互相锁定，后置相机锁定人工路标；两个目标跟踪机器人的前置相机锁定邻近的自主定位机器人，后置相机锁定非合作目标。在基站发送开始运动指令后，四个机器人开始运动。在初始定位的基础上，机器人通过分时间片交互各自的位姿信息、运动信息以及传感信息，然后通过扩展卡尔曼滤波(EKF)算法对自己、其它机器人以及非合作目标进行定位。

在图1中可以看到，从硬件模块的角度，机器人由工控机、运动模块、前置视觉云台模块、后置视觉云台模块以及无线通信模块组成。其中，工控机作为主控制器，主要用于获取相机图像信息、机器人姿态信息、运行协同定位算法以及与基站通信；运动模块由K60单片机、直流电机驱动器、直流电机与光电编码器组成。K60单片机通过串口接收工控机发送的指令，控制轮子以指定的速度运行，然后返回轮子的速度给工控机；类似地，前、后置视觉云台模块由K60单片机、步进电机驱动器、步进电机、绝对值编码器以及相机组成。K60单片机通过串口接收工控机发送的指令，控制视觉云台使得相机跟踪并锁定特定目标，然后返回云台与相机的状态给工控机。

图2是机器人编队协同定位的系统结构图。可以看到，整个系统由基站、路标、目标以及四个机器人F1、F2、F3和F4组成(按功能区分，F1、F2是自主定位机器人，F3、F4是目标跟踪机器人)。其中，除了图1所述的各个模块以外，每个机器人上还装有作为身份标识的LED。图中，基站运行上位机软件，通过无线模块向四个机器人下发控制指令，同时接收四个机器人返回的定位信息，在软件上显示出来。四个机器人的前置视觉云台模块可以识别与锁定相邻的机器人上的LED，并且测量与相邻机器人的相对距离与相对角度；后置视觉云台模块可以识别与锁定路标或目标，并且测量与路标或目标的相对角度。以F1为例详细说明，F1前置视觉云台模块的相机识别F2的LED，步进电机带动前置视觉云台旋转，使得相机跟踪并锁定F2。然后，前置视觉云台模块上的激光测距传感器与绝对值编码器测量与F2之间的相对距离与相对角度。同样地，后置视觉云台模块的相机识别路标，步进电机带动后置视觉云台旋转，使得相机跟踪并锁定路标。然后，后置视觉云台模块上的绝对值编码器测量与路标之间的相对角度。类似地，F2的前置视觉云台模块锁定与测量F1，后置视觉云台模块锁定与测量路标；F3的前置视觉云台模块锁定与测量F1，F4的前置视觉云台模块锁定与测量F2，它们的后置视觉云台模块则锁定与测量目标。除此之外，机器人还可从运动模块获取运动信息，从姿态模块获取姿态信息。综合上述观测、运动、姿态等信息，可以实现四个机器人以及目标的协同定位。

图3是系统控制周期与通信周期的示意图。本系统中的机器人F1、F2、F3和F4的控制周期都是36ms。在控制周期内，机器人需要完成采集图像、处理图像、滤波定位、路径规划、运动控制等工作。另外，由于机器人与基站都是采用广播式的无线通信，假如不对系统的通信周期进行时间规划，将会造成通信信息的碰撞与丢失，引起系统混乱与失效。因此，本系统对通信周期采用划分时间片的方式进行管理。具体而言，在每个通信周期的起始，基站先广播发送控制指令，分配给基站的通信时间是24ms；接收到基站广播的信息后，F1马上广播发送自身的状态、位姿与观测等信息，F2、F3和F4则分别等待30ms、60ms、90ms后再发送。这意味着分配给每个机器人的时间片都是30ms。而且在机器人各自的时间片内，只有该机器人在广播发送数据，从而避免了广播式无线通信造成的信息碰撞与丢失。除此之外，机器人的4个控制周期刚好等于1个完整的通信周期，实现了控制周期与通信周期的对齐。

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。