一種局部定位系統及方法
2023-06-11 11:24:41 1
專利名稱：一種局部定位系統及方法
技術領域：
本發明涉及計算機視覺自動導航應用領域，尤其涉及機器人或自動車輛等作業機 械的一種局部定位系統及方法。
背景技術：
近年來，機械自動化、智能化和機器人研究是世界上研究的熱點，機械自動化作業 及其機器人的發展是未來工業技術發展方向；定位是實現機械自動移動和實現機器人自動 作業的基礎性難題，是完成其他任務的前提；世界各國採用不同的方法進行了大量研究，比 如雷達定位、雷射測距定位、DR傳感器、機器視覺等，但這些技術都存在一定的約束和技術 不足，未能實用化。世界上除GPS外，沒有商業化的定位系統；GPS自動導航是使用最多的 方法，其中實時動態差分法(real-time kinematic, RTK)GPS的精度達到了釐米級；由於價 格較高且GPS的精度取決於作業位置，GPS在應用中也存在一定的限制。比如在農田或室 內自動化作業時，由於樹林、山脈、屋頂等障礙物阻礙微波傳送，使精度明顯下降；且GPS根 本不能保證在溫室大棚和其他室內環境使用。全方位視覺傳感器是一種新型的視覺傳感器，它具有單個視點、每張圖像能提供 周圍360度範圍內的信息，並且圖像不會隨傳感器的旋轉改變性質，有利於減少車輪滑移 和震動的部分負面影響；而且價格便宜，被廣泛應用在機器人領域。在機器人定位方向也得 到了應用，一般是在作業環境中人工設置特徵標識或利用自然標識，通過圖像匹配來實現 拓撲定位，但該定位系統計算過程複雜、運行時間長，實用性較差。而全方位視覺傳感器除 圖像信息豐富外，還具有另一特點在獲取全方位圖像時，空間物體相對於傳感器的方位角 是固定不變的；發明專利一種自動導航定位裝置及方法(申請號200910044412. 4，公開 號10166091 利用全方位視覺傳感器成像原理和特點發明了一種專利，該發明在人工標 識布置的作業區內，將全方位視覺傳感器、作業車輛裝配在一起，求出全方位視覺傳感器投 影中心位置，即求出了作業車的定位位置。該發明成功地運用了計算機圖像處理技術、傳感 器技術和新型視覺傳感器的特點發明了一種自動導航定位裝置；定位系統除應用於自動導 航之外，還可以用於位置跟蹤、飛彈發射、農業中用於產量圖繪製、精細，但該發明局限於運 用於自動導航定位，將全方位視覺傳感器、作業車輛裝配在一起，容易出現使用視覺傳感器 普遍存在的缺陷，圖像易受車輛振動影響造成模糊，影響定位精度，這樣就要求傳感器的防 震性能特別好，效果也不一定很好。本發明在這種技術背景下發明了一種局部定位系統及 方法。
發明內容
本發明的目的是針對作業的車輛、機器人，尤其是作業環境比較固定，田間、溫室、 廠房等，以及GPS技術不能使用的區域，利用全方位視覺傳感器和計算機視覺圖像處理技 術完善開發的一種局部定位系統及方法，該發明可代替GPS在一些特殊場合進行定位，精 度高、運行速度快、使用範圍廣、實用性強、價格便宜。
本發明的技術解決方案如下一種局部定位系統，四個用於與周圍環境區別的有色標識分別通過支柱固定在作 業區外圍的四個點上，四個點分別對應一個矩形的4個角點；全方位視覺傳感器攝像裝置 通過支柱固定在作業區中央，全方位視覺傳感器攝像裝置與計算機通信連接；在作業車上 設置有色標識；計算機上設有基於全方位視覺傳感器攝像裝置獲取的圖像識別出作業車標 識所在位置坐標的圖像處理及計算單元。有色標識的顏色一般採用紅色或藍色，或紅色與藍色分塊組合顏色。所述全方位視覺傳感器攝像裝置包括曲型鏡面、中心針、USB攝像機、USB線接口、 調焦螺紋、鏡頭、下蓋、透明外罩和上蓋；曲型鏡面與上蓋粘合在一起；上蓋以螺紋方式旋 緊在透明外罩上；下蓋的下方連接USB攝像機鏡頭；透明外罩套裝在曲型鏡面上；中心針通 過螺紋與上蓋連接，中心針穿過並緊密粘合在曲型鏡面的中心；USB攝像機的鏡頭獲取的 信號經USB接口輸出，並通過USB線輸出到計算機。一種局部定位方法，採用前述的局部定位系統，具體定位方法為步驟1:圖像獲取步驟；全方位視覺傳感器攝像裝置實時拍攝四個有色標識的全方位圖像，並將該全方位 圖像傳送到計算機中；步驟2 圖像處理及計算步驟；定義圖像坐標，圖像左上角為原點(0，0)，單位為像素；基於提取特徵顏色量的閾 值和最大距離值S獲取有色標識位置坐標並存儲，當有色標識特徵點提取少於或多於4個， 則返回步驟2的開始，再次調節提取特徵顏色量的閾值和最大距離值S，重新進行前述的圖 像分析直到得到4個有色標識在圖像中的準確位置點；步驟3 基於4個有色標識和作業車方位角的定位計算步驟；步驟A 實時圖像獲取步驟；在已獲得4個有色標識在圖像中的準確位置點的基礎上，全方位視覺傳感器攝像 裝置實時拍攝作業車標識在作業區的圖像即含有作業車標識的圖像，並將該含有作業車標 識的圖像傳送到計算機中；步驟B 在計算機中，採用步驟2相同的方法獲取作業車標識在該含有作業車標識 的圖像中的位置點並儲存；步驟C:計算步驟；根據求出並儲存的4個有色標識在圖像中的4個位置點和作業車標識在圖像中的 位置點，計算出四個有色標識中的每相鄰兩個有色標識和作業車圖像標識在含有作業車標 識的圖像中的方位角Θ1 θ 4，四個有色標識形成的矩形長為a、寬為b;每相鄰兩個紅色 標識和對應的方位角形成一條弧線，總共形成4條弧線，每2條弧相交得到1個交點，共得 到 4 個交點 Il 14，交點 Il 14 的坐標分別為(xILyll), (xI2,yI2), (xI3,yI3), (xI4, yI4)，如下[0020
權利要求
1.一種局部定位系統，其特徵在於，四個用於與周圍環境區別的有色標識分別通過支 柱固定在作業區外圍的四個點上，四個點分別對應一個矩形的4個角點；全方位視覺傳感 器攝像裝置通過支柱固定在作業區中央，全方位視覺傳感器攝像裝置與計算機通信連接； 在作業車上設置有色標識；計算機上設有基於全方位視覺傳感器攝像裝置獲取的圖像識別 出作業車標識所在位置坐標的圖像處理及計算單元。
2.根據權利要求1所述的局部定位系統，其特徵在於，所述全方位視覺傳感器攝像裝 置包括曲型鏡面、中心針、USB攝像機、USB線接口、調焦螺紋、鏡頭、下蓋、透明外罩和上蓋； 曲型鏡面與上蓋粘合在一起；上蓋以螺紋方式旋緊在透明外罩上；下蓋的下方連接USB攝 像機鏡頭；透明外罩套裝在曲型鏡面上；中心針通過螺紋與上蓋連接，中心針穿過並緊密 粘合在曲型鏡面的中心；USB攝像機的鏡頭獲取的信號經USB接口輸出，並通過USB線輸出 到計算機。
3.一種局部定位方法，其特徵在於，採用權利要求1或2所述的局部定位系統，具體定 位方法為步驟1:圖像獲取步驟；全方位視覺傳感器攝像裝置實時拍攝四個有色標識的全方位圖像，並將該全方位圖像 傳送到計算機中；步驟2 圖像處理及計算步驟；定義圖像坐標，圖像左上角為原點(0，0)，單位為像素；基於提取特徵顏色量的閾值和 最大距離值S獲取有色標識位置坐標並存儲，當有色標識特徵點提取少於或多於4個，則返 回步驟2的開始，再次調節提取特徵顏色量的閾值和最大距離值S，重新進行前述的圖像分 析直到得到4個有色標識在圖像中的準確位置點；步驟3 基於4個有色標識和作業車方位角的定位計算步驟；步驟A 實時圖像獲取步驟；在已獲得4個有色標識在圖像中的準確位置點的基礎上，全方位視覺傳感器攝像裝置 實時拍攝作業車標識在作業區的圖像即含有作業車標識的圖像，並將該含有作業車標識的 圖像傳送到計算機中；步驟B:在計算機中，採用步驟2相同的方法獲取作業車標識在該含有作業車標識的圖 像中的位置點並儲存；步驟C:計算步驟；根據求出並儲存的4個有色標識在圖像中的4個位置點和作業車標識在圖像中的位 置點，計算出四個有色標識中的每相鄰兩個有色標識和作業車圖像標識在含有作業車標識 的圖像中的方位角Θ1 θ 4，四個有色標識形成的矩形長為a、寬為b;每相鄰兩個紅色標 識和對應的方位角形成一條弧線，總共形成4條弧線，每2條弧相交得到1個交點，共得到 4 個交點 Il 14，交點 Il 14 的坐標分別為(xll，yll), (xI2，yI2), (xI3，yI3), (xI4， yI4)，如下
4.根據權利要求3所述的局部定位方法，其特徵在於，步驟2所述的獲取有色標識位置 坐標的過程為根據標識顏色分別對紅色標識、藍色標識和紅色與藍色分塊組合標識三種 情況分別處理如下A 紅色標識處理；利用r = R-(B+G)/2-|B-G|對圖像像素的紅色亮度進行計算，並程序循環計算出圖像 像素的紅色強度中最大值為rmax，儲存在內存中；式中，R、G、B分別為紅色、綠色和藍色的 亮度；r為提取的紅色像素亮度；根據、=[r.-Nj，在計算機中，設定提取紅色標識特徵顏色量的閾值tl ；逐行對圖像 進行掃描，從圖像提取出滿足紅色像素亮度r大於tl的所有的像素定義為紅色特徵像素； 其中，rmax 圖像中像素的紅色強度最大值；tl 提取紅色標識特徵顏色量的閾值；m為測 試常數，10 < Nl < 50 ；設置最大距離值S，計算所有已提取出的紅色像素間歐幾裡得距離，掃描全部的紅色特 徵像素點，形成一個或多個紅色特徵像素點區域，紅色特徵像素點區域的形成方法如下當 某兩個紅色特徵像素間歐幾裡得距離小於最大距離值S，表示該兩個紅色特徵像素在同一 個紅色特徵像素點區域；單個特徵區像素的計算；提取特徵區像素點的橫坐標和縱坐標，第i個像素的圖像坐 標定義為Rix和Riy ；並統計出該特徵像素點區域的像素總量為nl ；利用下式計算該特徵像素點區域所有像素的坐標平均值，即求出特徵像素點區域的重 心，重心的橫坐標和縱坐標分別定義為&和ft·；坐標OCrJr)對應紅色標識在圖像中的位置點。
全文摘要
本發明公開了一種局部定位系統及方法，該系統的結構為四個用於與周圍環境區別的有色標識分別通過支柱固定在作業區外圍的四個點上，四個點分別對應一個矩形的4個角點；全方位視覺傳感器攝像裝置通過支柱固定在作業區中央，全方位視覺傳感器攝像裝置與計算機通信連接；在作業車上設置有色標識；計算機上設有基於全方位視覺傳感器攝像裝置獲取的圖像識別出作業車標識所在位置坐標的圖像處理及計算單元。該方法包括圖像獲取步驟、圖像處理及計算步驟、基於4個有色標識和作業車方位角的定位計算步驟。該發明可代替或補償GPS在一些特殊場合進行定位，精度高、運行速度快、使用範圍廣、實用性強、價格便宜。
文檔編號H04N5/225GK102129679SQ20101056871
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月2日 優先權日2010年12月2日
發明者吳彬, 吳畏, 戴思慧, 李旭, 李明, 潘景富, 翁偉, 芋生憲司, 許永偉, 首道, 黃日英 申請人:湖南農業大學