一種無線測距全向圖像組合定位系統的製作方法

2023-11-10 06:23:22 3

專利名稱：一種無線測距全向圖像組合定位系統的製作方法
技術領域：
本發明為一種無線測距全向圖像組合定位系統和方法，屬於圖像定 位技術和無線通訊定位技術領域。用於星球表面探測機器人、數位化戰 場無人作戰平臺的定位和導航等領域。
背景技術：
目前廣泛使用的一類移動機器人定位技術是GPS，它採用若干顆定 位衛星發射定位信號，用戶設備接收衛星發射的無線電波，並根據傳輸 時間確定距離，然後計算出位置。該技術的有效性依賴於在任一時間可 用的GPS衛星的幾何構型以及所接收的功率。和美國GPS—樣，俄羅 斯的衛星定位導航系統GLONASS和中國的北鬥衛星定位導航系統都 可以用來實現定位。另一類移動機器人定位技術是基於無線通訊基站， 通過三角測量原理，測量來自不同無線基站(如蜂窩站點)信號到達的 時間差。三角測量需要來自幾個基站的信息，該技術依賴與基站的數目 和基站的幾何構型。在許多應用場合，上述兩類系統不能提供服務，比 如，在遙遠的星球表面執行探測任務的星球機器人、戰爭時期的軍用移 動機器人、GPS非覆蓋區域中的移動機器人等，都無法得到現有衛星定 位導航服務。另外，上述兩類定位系統技術也很難滿足多移動機器人協 同作業的高精度定位要求。因此，需要發明不依賴於衛星定位導航系統 和無線通訊基站的高精度定位系統和方法。
美國Stanford大學提出一種不依賴於衛星定位導航系統的定位技 術，稱為"準衛星"(pseudo-satellite)定位導航技術。該技術主要用 於星球探測移動機器人定位和導航，基本原理類似地球衛星定位導航系 統的工作原理，將無線收發裝置布置在星球表面上，通過三角測量原理 確定移動機器人的位置。這種技術需要複雜的定位算法，並且至少需要三個分布在不同位置的收發裝置才能確定移動機器人的位置。
基於無線傳感器網絡(WSN)建立的定位和導航技術也是一類不依 賴衛星定位導航系統和無線通訊基站的定位系統和方法。這種技術通過 在監控區域布置大量的無線傳感器節點，來確定移動機器人在監控區域 的位置，並實現定位與導航任務。使用無線傳感器網絡實現移動機器人 定位的方法有兩種， 一種是測量無線傳感器網絡各個節點之間的距離來
定位，另一種是基於RFID (Radio Frequency Identification)標籤技
術(即電子標籤技術)來定位。
本發明基於全向成像裝置實時獲取周圍360°場景圖像的特性，在 全向圖像中準確檢測移動節點在場景中相對於固定節點的方位，採用一 對無線收發器組成的無線測距裝置，測量移動節點與固定節點之間的距 離，實現移動節點在場景中的完全自主定位。

發明內容
本發明的目的是第一提供一種無線測距全向圖像組合定位系統， 不依賴於GPS、無線蜂窩基站，使用一對無線收發器和一個全向成像裝 置，實現移動機器人完全自主的精確定位和導航；第二通過全向圖像實 現整個區域的實時視頻監控，包括移動機器人的狀態、多移動機器人之 間的位置關係、人機互動操作界面等；第三通過全向圖像信息、成像裝 置系統參數、移動機器人在場景中的一些位置坐標，計算整個監控區域 的網格化坐標，為移動機器人路徑規劃和任務規劃提供數位化地圖。
本發明的目的是通過下述技術方案實現的
本發明的系統由固定節點和移動節點組成。固定節點包括全向成像 裝置和無線收發器，並裝在固定支架上。固定支架的作用是固定全向成 像裝置和無線收發器，根據需要適當調整成像裝置和無線收發器的高度 和姿態，以便更好地獲取周圍場景圖像和更好地實現無線通訊與測量， 全向成像裝置的攝像機光軸可以與星球表面垂直。移動節點包含移動機 器人、無線收發器和合作光源。
本發明的一種無線測距全向圖像組合定位方法是
(1) 全向成像裝置實時獲取周圍360。的場景全向圖像，以全向圖 像中心為極點，建立極坐標系，移動節點在圖像中的位置用極坐標(P，
e)表示，如圖3所示。極徑P通過固定節點上的無線收發器和移動節
點上的無線收發器組成的無線測距裝置來測量，極角e通過全向圖像來 測量。移動節點位於全向圖像中，極角e就是移動機器人在全向圖像中 的位置與全向圖像中心形成的方位角。
(2) 全向成像裝置可以實時獲取周圍場景360。的全向圖像，將全
向圖像傳輸到中央控制站，可以實時監視以固定節點為中心的一定距離 範圍內的場景狀態，監視場景中移動機器人運動狀態、移動機器人與場 景的作用狀態、多移動機器人之間的位置關係等。
(3) 移動機器人在全向成像裝置視場中，繞固定節點運動一圈，
同時記錄運動軌跡坐標(P ， e)，通過運動軌跡坐標(P ， e)和定位系統 參數，計算整個場景圖像各個像素點對應的極坐標，實現全場景數位化。 將場景全向圖像網格化，計算各個網格對應的極坐標，生成網格化場景亮
度圖像或彩色圖像，如圖5所示。
(4) 移動機器人在複雜的場景中，因此不容易從全向圖像中準確 檢測出移動機器人。在移動機器人上安裝一種合作光源，合作光源在全 向圖像中有著非常明顯的亮度變化；另外，合作光源可以由固定節點進 行遠距離無線控制發光，有效提高檢測的魯棒性和可靠性。
(5) 在平坦區域中，全向成像裝置中心軸與地表面或星球表面垂 直，則全向圖像是均勻線性的。實際上，在安放固定節點時，很難做到 中心軸垂直地表面，此時各個方向的圖像解析度是不同的。根據移動機 器人的運動軌跡坐標、移動機器人自身的裡程計參數、成像系統參數等 對全向圖像實現校正處理，使得全向圖像各向解析度均勻。
(6) 對網格化場景圖像進行分析，對場景中的各種有價值的目標進 行標註，包括巖石、沙坑、河溝等。根據移動機器人或數位化士兵的工 作任務，在標註的網格化場景圖像上進行路徑規劃和任務規劃。
(7) 在場景中，許多任務需要多個機器人共同完成，比如，跨越
河溝、維修受損機器人、搭建實驗平臺等。多個機器人集結到某一區域， 進行協同作業、協同操作、接力傳遞等，都需要在網格化場景圖像上標 明行動路徑、合作地點、機器人兵力分布等，如圖6所示。
(8)每一個定位系統的控制範圍是有限的，如果機器人的活動區 域要擴大，則可以採用多個定位系統級聯，即一個定位系統控制區域(或 可視區域)與另一個定位系統控制區域之間有一定重疊，在重疊區域進 行控制交接，使得控制區域得到成倍擴大，擴大了系統可視化和監控範
圍，擴大了移動機器人的工作範圍。圖7是三個固定節點級聯組成一個 大的監控區域。級聯繫統可以採用睡眠機制，當固定節點控制區域內沒 有監控任務時，就處於睡眠狀態，可以節約能耗。
本發明的優點在於
(1) 定位系統實現簡單。僅採用全向圖像傳感器和一對無線收發 器就可實現移動機器人的完全自主定位和導航，不依賴衛星導航系統、 無線基站、多傳感器網絡等複雜系統。
(2) 實時全向視頻監控。本發明在實現定位、導航、規劃的同時， 能夠通過全景視頻實時監控場景，監視移動機器人的工作狀態、運動狀 態及其與場景其他目標之間的關係，建立全場景的態勢圖，實現合理的 調度。
(3) 高精度定位與導航。本發明定位精度可以小於l米，集成移 動機器人上的立體視覺、慣性導航、裡程計等多傳感信息，定位精度能 達到釐米級。
(4) 定位系統級聯靈活、容易。將多個定位系統級聯，使得控制 區域得到成倍擴大，擴大了系統可視化和監控範圍，擴大了移動機器人 的工作範圍。


圖l一本發明系統組成圖2—全向圖像實例；
圖3—圖2所示全向圖像展開圖4一全向圖像示意圖5—場景極坐標網絡化圖6—兩個移動機器人在全向圖像中的位置關係；
圖7—多個系統級聯示意圖中l一固定節點，2—移動節點，3—全向成像裝置，4一無線發 射/接收裝置，5—支架，6—移動機器人，7—合作光源，8—星球表面， 9一全向成像裝置垂直視場張角，IO—全向成像裝置成像盲角。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。 實施例
本發明的系統是由固定節點1和移動節點2組成。固定節點1由全 向成像裝置3和無線收發器4組成，並裝在支架5上。支架5的作用是 固定全向成像裝置3和無線收發器4。可根據需要適當調整成像裝置3 和無線收發器4的高度和姿態，以便更好地獲取周圍場景圖像和更好地 實現無線通訊與測量，如圖1所示。通常全向成像裝置3的攝像機光軸 與星球表面8垂直。
全向成像裝置3實時獲取周圍場景360。全向圖像，全向成像裝置3 垂直視場角9 一般在90°左右，朝向星球表面的成像盲區10在30°左右， 如果成像支架5高3米，則盲區10為直徑不到2米的圓斑，對於工作 在幾十米到上百米的區域，是可以接受這一盲區，圖2是一個實驗室全 向圖像，全向成像裝置放置在實驗室中央，距地面3米高，圖像中心黑 色圓斑是盲區；圖3是該全向圖像的展開圖像，是從圖像下半部中線展 開的。展開圖像類似普通攝像機在實驗室中央環繞360。拍攝一系列圖 像，並將圖像拼接起來後的全景圖像。
為了可靠準確的檢測全向圖像中的移動機器人6的位置，在移動機 器人6上裝有合作光源7。合作光源7的發光頻率峰值不同於太陽發光 頻率峰值。合作光源7可以和成像裝置形成應答控制方式。
以全向圖像的中心為極點，建立極坐標系，其中極軸可以預先根據 系配置確定，也可以根據環境標誌或星光圖確定。圖4是一種極坐標設 置圖，極坐標中心為全向圖像中央的盲圓斑中心。
移動機器人6上的合作光源7在全向圖像中表現為十分顯著的光
斑，檢測出光斑，並計算光斑中心。定義光斑中心為移動機器人6在全
向圖像中的位置。光斑中心在極坐標系中的極角為移動機器人的方位角。
安裝在移動機器人6上的無線收發器4和固定節點1上的無線收發 器4組成無線測距裝置，測量移動機器人6與固定節點1之間的距離， 這樣就得到了移動機器人6在極坐標中的坐標。
本發明的一個重要特徵是使用全向成像裝置3，該裝置由視頻攝像 機和曲面鏡頭組成，全向成像裝置己經是商品化的產品。由於有視頻攝 像機，因此，全向成像裝置3能以視頻速度獲取整個場景圖像或視頻圖 像(類似圖2)，將該圖像傳輸到中央站控制站，並進行校正展開處理 和解析度增強處理(類似圖3)，實現場景的實時監控。
定位系統具體工作過程如下
固定節點1和移動節點2可以人工布置在控制區域，如警戒區域、 防禦區等人員可以到達的區域，布置的固定節點1的個數和移動節點2 的個數可以根據具體任務確定。對於人員難以到達的地方，通過發射方 式布散，如遠距離作戰區域、星球探測區域等。
在遠距離中央控制站的控制下，固定節點1調整全向成像裝置3 和無線收發器4的高度和姿態，並啟動全向成像裝置3獲取場景全向圖 像，根據全向圖像，微調全向成像裝置3，使其工作在最佳狀態。在全 向圖像上建立極坐標系，極點為全向圖像盲區的中心點，極軸是預先設 定的方位或根據星光方向確定。啟動移動機器人6和合作光源7開始工 作，全向成像裝置3獲取合作光源7的圖像，確定合作光源7在全向圖 像中的位置，也就是移動機器人6在圖像中的位置，該位置與極軸的夾 角，即為極角e 。啟動固定節點1和移動節點2上的無線收發器4工作， 通過一對無線收發器4測量固定節點1和移動節點2的距離，即為極徑P。將全向圖像網格化，移動機器人6在場景中遍歷運動，得到每一個 網格中心的極坐標，形成網格化場景圖像；也可以圍繞固定節點l運動 一周，得到運動軌跡上所有點的極坐標(P ，e)，然後根據極坐標(P， e )和定位系統參數計算出每一個網格中心的極坐標。
在網格化場景全景圖像上，中央控制站根據場景的態勢和預定任 務，確定移動機器人6行走路徑；移動機器人6也可以根據預定任務和
場景的態勢進行路徑規劃和任務規劃。全向成像裝置3獲取場景視頻， 並傳送到中央控制站；移動機器人6在場景中的任何運動和行為，都可 以通過全向視頻圖像進行監控。對於星球探測來講，得到的圖像或視頻 要延遲幾十秒到幾十分鐘。
當移動機器人6運動範圍超出固定節點1的監控範圍時，此時啟動 相鄰的固定節點1開始接應。相鄰固定節點1的控制範圍和上一個固定 節點1控制範圍有一定重疊，交接過程在重疊區進行。交接信息由上一 個固定節點l發出，也可以由移動機器人6發出，類似於航空雷達測控
權利要求
1.一種無線測距全向圖像組合定位系統，由固定節點(1)和移動節點(2)組成，其特徵在於固定節點(1)包括全向成像裝置(3)和無線收發器(4)，並裝在支架(5)上；其高度和姿態可根據需要適當調整，以便更好地獲取周圍場景圖像和更好地實現無線通訊與測量；全向成像裝置的攝像機光軸可以與星球表面垂直；移動節點(2)包含移動機器人(6)、無線收發器(4)和合作光源(7)。
2. —種無線測距全向圖像組合定位方法，其特徵在於① 全向成像裝置(3)實時獲取周圍360。的場景全向圖像，以全向 圖像中心為極點，建立極坐標系，移動節點2在圖像中的位置用極坐標 (P， e)表示，極徑P通過固定節點(1)上的無線收發器(4)和移動 節點(2)上的無線收發器(4)組成的一對無線測距裝置測量，極角e 通過全向圖像來測量；② 移動節點(2)繞固定節點(1)運動一圈，測量運動軌跡上每一 點的極坐標；將場景全向圖像網格化，根據運動軌跡坐標和定位系統參 數，計算各個網格對應的極坐標，生成網格化場景圖像；③ 全向成像裝置(3)實時獲取周圍360°場景全向圖像，將圖像傳 輸到中央站或指定地點，實現場景圖像監控或場景實時視頻監控。④ 當定位系統的控制範圍擴大時，可以採用多個定位系統級聯，將 多個固定節點(1)放置在場景中不同的位置，其中各個固定節點(1) 的全向場景圖像和測距範圍相互重疊，組成級聯定位系統，擴大定位系 統的監控範圍和移動機器人的工作範圍。
全文摘要
本發明為一種無線測距全向圖像組合定位系統，屬於圖像定位技術和無線通訊定位技術領域。該系統由固定節點和移動節點組成。固定節點包括全向成像裝置、無線收發器和固定支架，移動節點包括移動機器人、無線收發器和合作光源。固定節點上的全向成像裝置實時獲取周圍360°場景的全向圖像，以全向圖像中心為極點，建立極坐標系。移動機器人在全向圖像中的位置用極坐標(ρ，θ)表示，極徑ρ通過移動節點上的無線收發器和固定節點上的無線收發器組成的無線測距系統來測量，極角θ通過全向圖像來測量。本發明用於移動機器人的完全自主定位和導航，用於場景中多個移動機器人協同作業的相對定位和，並能完成場景實時監控、場景數位化和可視化等任務。
文檔編號G01S5/14GK101196561SQ20071030427
公開日2008年6月11日 申請日期2007年12月26日 優先權日2007年12月26日
發明者賈雲得 申請人:北京理工大學