基於光電滑鼠傳感器位移檢測的機器人室內地圖創建方法與流程
2023-04-29 06:21:26
本發明屬於室內定位技術領域，特別是一種基於光電滑鼠傳感器位移檢測的機器人室內地圖創建方法。
背景技術：
隨著室內定位技術的多年發展，專家學者提出了許多室內定位技術解決方案，這些室內定位技術從總體上可歸納為幾類：即gnss技術(如偽衛星等)，無線定位技術(無線通信信號、射頻無線標籤、超聲波、光跟蹤、無線傳感器定位技術等)，其它定位技術(計算機視覺、航位推算等)，以及gnss和無線定位組合的定位技術(a-gps或a-gnss)。位移檢測技術經過多年發展已經相當成熟，各種位移傳感器紛紛出現，但低成本的位移傳感器結構簡單，精確度不高，線性度低，而高成本的位移傳感器雖然性能優異，但製作工藝難度大，難以普及。所以開發一款低成本、高性能的位移傳感器具有很高的現實意義。而用於光電滑鼠的位移傳感器由於滑鼠的大規模的生產，價格很低，經過數十年的技術發展，其精度得到極大提高。因此，利用光電滑鼠的位移傳感器來測位移具有測量精確度高、線性度好、測量範圍大、成本低的優點。
技術實現要素：
針對現有技術存在的缺陷或不足，本發明旨在於提出一種基於光電滑鼠傳感器位移檢測的機器人室內地圖創建方法，該方法利用低成本的位移傳感器實現高精度的位移測量，進一步實現使用機器人創建精確的室內地圖。
為實現上述發明目的，本發明的基於光電滑鼠傳感器位移檢測的機器人室內地圖創建方法，包括以下步驟：
1)將光電滑鼠傳感器安裝在機器人底盤底部，將光電滑鼠傳感器的坐標系統與機器人所在的地面坐標系統通過映射來完成對應關係；
2)將光電滑鼠傳感器坐標系統映射到地面坐標系；
3)對室內環境進行二維空間建模，把室內環境地圖用二維數組表示，利用超聲波，紅外傳感器或攝像頭對障礙物和牆壁進行檢測，並對環境中的障礙物實行矩形化建模，而後應用矩形化模型中的關鍵點將環境分解成矩形塊，矩形塊中每個格點可以用(x，y)來表示，x表示格點所在的列數，y表示格點所在的行數；
4)機器人從初始位置經過一系列的位置，並且在每一個位置獲得傳感器對環境的感知信息，機器人處理這些傳感器數據，從而確定移動機器人的位置，並且同時創建環境地圖。
進一步的，所述步驟2)中，將光電滑鼠的坐標系統映射到地面坐標系，包括以下步驟：
21)原點映射：
(x0,y0)＝(x0,y0)
其中(x0，y0)為地面原點坐標，可設為充電座所在方位；
22)目標點映射：
其中，i＝1,2……，n,橫向下界≤xi≤橫向上界，縱向下界≤yi≤縱向上界；
23)基本單位映射：在平面坐標方式下，光電傳感器到地面距離映射
δxi/x方向比例因子μ＝δxi
δyi/y方向比例因子μ＝δyi
(i＝1,2……，n)。
改變光電傳感器到地面距離的比例因子μ影響地面坐標靈敏度。
進一步的，所述步驟4)中創建環境地圖的步驟如下：
41)機器人位於坐標原點；初始化光電滑鼠位移傳感器，獲取初始坐標(x0，y0)；
42)機器人利用避障傳感器沿牆運動，獲得最新坐標(xi，yi)；
43)判斷xi-x(i-1)是否大於0,如果是，機器人向右運動，如果否，機器人向左運動；機器人橫向位移為(xi-x(i-1))*k+xm*k；判斷yi-y(i-1)是否大於0,如果是，機器人向前運動，如果否，機器人向後運動；機器人橫向位移為(yi-y(i-1))*k+ym*k；
44)重複步驟43)，直至室內s形遍歷完畢，室內地圖創建完畢。
本發明的基於光電滑鼠傳感器位移檢測的機器人室內地圖創建方法，機器人在運動過程中，利用位於底盤的光電滑鼠的位移傳感器來測位移，並利用相關地圖模型和集成算法，創建室內環境地圖，具有測量精確度高、線性度好、測量範圍大、成本低的優點。
附圖說明
圖1為本發明提出的基於光電滑鼠位移傳感器的機器人系統模塊示意圖；
圖2為本發明提出的滑鼠光電傳感器內部結構示意圖；
圖3為本發明提出的滑鼠光電傳感器內部模塊示意圖；
圖4為本發明提出的二維空間建模示意圖；
圖5為本發明提出的機器人室內s形移動尋跡示意圖；
圖6為本發明提出的室內地圖創建流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖，對本發明提出的基於光電滑鼠傳感器位移檢測的機器人室內地圖創建方法進行詳細說明。
光電滑鼠傳感器內部模塊如圖3所示。光電滑鼠傳感器在工作時，如圖2所示，通過內部的發光二極體，光源2照亮滑鼠底部表面3，底部表面3反射的一部分光線經光學透鏡1傳到cmos感光晶片上。cmos感光晶片是由數百個光電轉換器件組成的矩陣，影像在cmos上轉換為矩陣電信號，傳輸到信號處理系統dsp晶片，dsp晶片將此影像信號作為樣本幀與存儲的上一採樣周期的影像(參考幀)進行比較，如果某一採樣點在先後兩個影像中的位置移動為一個整像素點，就發出縱、橫兩方向位移信號到控制系統，否則繼續進行下一周期採樣。機器人運動控制系統系統對dsp晶片發來的信號進行處理輸出，從而得出機器人的運動方向，速度和距離。並且機器人根據在運動過程中獲取的傳感器數據，利用相關地圖模型和集成算法，創建室內環境地圖。
機器人室內移動尋跡的方法如圖5所示，機器人利用超聲波或紅外傳感器測得牆壁或障礙物所在，採用逆時針逼近牆壁或障礙物的行走方法，期間在同一豎直方向做s形移動尋跡，且相鄰兩條豎直路徑的間隔不大於機器人的底盤寬度，即採用小的s形豎直移動的方法逆時針繞牆壁或其它障礙物行走，從而完成對室內每個房間和角落的尋跡。
本發明的基於光電滑鼠傳感器位移檢測的機器人室內地圖創建方法，包括以下步驟：
1)將光電滑鼠傳感器安裝在機器人底盤底部；將光電滑鼠傳感器的坐標系統與機器人所在的地面坐標系統通過映射來完成對應關係；二者坐標均使用平面直角坐標系。滑鼠傳感器坐標系統在平面上任意取一點作為原點，以相對原點偏移量計算目標點的坐標值，然後以相對該目標點的偏移量計算下一新目標點的坐標值，滑鼠傳感器坐標系統中基本單位為米基。以此類推。使用平面直角坐標系，橫向代表x方向，縱向代表y方向。
2)將光電滑鼠傳感器的坐標系統映射到地面坐標系。
3)對室內環境進行二維空間建模，把室內環境地圖用二維數組表示，利用超聲波，紅外傳感器或攝像頭對障礙物和牆壁進行檢測，並對環境中的障礙物實行矩形化建模，而後應用矩形化模型中的關鍵點將環境分解成矩形塊，矩形塊中每個格點可以用(x，y)來表示，x表示格點所在的列數，y表示格點所在的行數；如圖4所示，左下角格點(1，1)，右上角格點(30，20)。其中，含有障礙物的格點標註為1，不含有障礙物的格點標註為0。可以看到，該環境中存在兩個障礙物。首先，找到每個障礙物x值最小的格點，如果x值最小的格點不止一個，則找出這些點中y值最小的格點，標記為m(x1，y1)，而後找出每個障礙物中x值最大的格點，如果x值最大的格點不止一個，則找出這些點中y值最大的格點，記為n(x2，y2)。這樣每個障礙物以其m，n點為對角線虛擬成為一個矩形障礙，如圖4中加粗方格線。
4)機器人從初始位置經過一系列的位置，並且在每一個位置獲得傳感器對環境的感知信息，機器人處理這些傳感器數據，從而確定移動機器人的位置，並且同時創建環境地圖。機器人控制系統模塊組成如圖1所示。
所述步驟2)中，將光電滑鼠傳感器的坐標系統映射到地面坐標系，包括以下步驟：
21)原點映射：
(x0,y0)＝(x0,y0)
其中(x0，y0)為地面原點坐標，可設為充電座所在方位；
22)目標點映射：
其中，i＝1,2……，n,橫向下界≤xi≤橫向上界，縱向下界≤yi≤縱向上界；
23)基本單位映射：在平面坐標方式下，光電傳感器到地面距離映射
δxi/x方向比例因子μ＝δxi
δyi/y方向比例因子μ＝δyi
(i＝1,2……，n)。
改變光電傳感器到地面距離的比例因子μ影響地面坐標靈敏度。
如圖6所示，所述步驟4)中創建環境地圖的步驟如下：
41)機器人位於坐標原點；初始化光電滑鼠位移傳感器，獲取初始坐標(x0，y0)；
42)機器人利用避障傳感器沿牆運動，獲得最新坐標(xi，yi)；
43)判斷xi-x(i-1)是否大於0,如果是，機器人向右運動，如果否，機器人向左運動；機器人橫向位移為(xi-x(i-1))*k+xm*k；判斷yi-y(i-1)是否大於0,如果是，機器人向前運動，如果否，機器人向後運動；機器人橫向位移為(yi-y(i-1))*k+ym*k；
44)重複步驟43)，直至室內s形遍歷完畢，室內地圖創建完畢。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾。因此，本發明的保護範圍當視權利要求書所界定者為準。