CN101196561B - 一种无线测距全向图像组合定位*** - Google Patents

Abstract

本发明为一种无线测距全向图像组合定位***，属于图像定位技术和无线通讯定位技术领域。该***由固定节点和移动节点组成。固定节点包括全向成像装置、无线收发器和固定支架，移动节点包括移动机器人、无线收发器和合作光源。固定节点上的全向成像装置实时获取周围360°场景的全向图像，以全向图像中心为极点，建立极坐标系。移动机器人在全向图像中的位置用极坐标(ρ，θ)表示，极径ρ通过移动节点上的无线收发器和固定节点上的无线收发器组成的无线测距***来测量，极角θ通过全向图像来测量。本发明用于移动机器人的完全自主定位和导航，用于场景中多个移动机器人协同作业的相对定位和，并能完成场景实时监控、场景数字化和可视化等任务。

Description

一种无线测距全向图像组合定位***

技术领域

本发明为一种无线测距全向图像组合定位***和方法，属于图像定位技术和无线通讯定位技术领域。用于星球表面探测机器人、数字化战场无人作战平台的定位和导航等领域。

背景技术

目前广泛使用的一类移动机器人定位技术是GPS，它采用若干颗定位卫星发射定位信号，用户设备接收卫星发射的无线电波，并根据传输时间确定距离，然后计算出位置。该技术的有效性依赖于在任一时间可用的GPS卫星的几何构型以及所接收的功率。和美国GPS一样，俄罗斯的卫星定位导航***GLONASS和中国的北斗卫星定位导航***都可以用来实现定位。另一类移动机器人定位技术是基于无线通讯基站，通过三角测量原理，测量来自不同无线基站(如蜂窝站点)信号到达的时间差。三角测量需要来自几个基站的信息，该技术依赖与基站的数目和基站的几何构型。在许多应用场合，上述两类***不能提供服务，比如，在遥远的星球表面执行探测任务的星球机器人、战争时期的军用移动机器人、GPS非覆盖区域中的移动机器人等，都无法得到现有卫星定位导航服务。另外，上述两类定位***技术也很难满足多移动机器人协同作业的高精度定位要求。因此，需要发明不依赖于卫星定位导航***和无线通讯基站的高精度定位***和方法。

美国Stanford大学提出一种不依赖于卫星定位导航***的定位技术，称为“准卫星”(pseudo-satellite)定位导航技术。该技术主要用于星球探测移动机器人定位和导航，基本原理类似地球卫星定位导航***的工作原理，将无线收发装置布置在星球表面上，通过三角测量原理确定移动机器人的位置。这种技术需要复杂的定位算法，并且至少需要三个分布在不同位置的收发装置才能确定移动机器人的位置。

基于无线传感器网络(WSN)建立的定位和导航技术也是一类不依赖卫星定位导航***和无线通讯基站的定位***和方法。这种技术通过在监控区域布置大量的无线传感器节点，来确定移动机器人在监控区域的位置，并实现定位与导航任务。使用无线传感器网络实现移动机器人定位的方法有两种，一种是测量无线传感器网络各个节点之间的距离来定位，另一种是基于RFID(Radio Frequency Identification)标签技术(即电子标签技术)来定位。

本发明基于全向成像装置实时获取周围360°场景图像的特性，在全向图像中准确检测移动节点在场景中相对于固定节点的方位，采用一对无线收发器组成的无线测距装置，测量移动节点与固定节点之间的距离，实现移动节点在场景中的完全自主定位。

发明内容

本发明的目的是：第一提供一种无线测距全向图像组合定位***，不依赖于GPS、无线蜂窝基站，使用一对无线收发器和一个全向成像装置，实现移动机器人完全自主的精确定位和导航；第二通过全向图像实现整个区域的实时视频监控，包括移动机器人的状态、多移动机器人之间的位置关系、人机交互操作界面等；第三通过全向图像信息、成像装置***参数、移动机器人在场景中的一些位置坐标，计算整个监控区域的网格化坐标，为移动机器人路径规划和任务规划提供数字化地图。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明的***由固定节点和移动节点组成。固定节点包括全向成像装置和无线收发器，并装在固定支架上。固定支架的作用是固定全向成像装置和无线收发器，根据需要适当调整成像装置和无线收发器的高度和姿态，以便更好地获取周围场景图像和更好地实现无线通讯与测量，全向成像装置的摄像机光轴可以与星球表面垂直。移动节点包含移动机器人、无线收发器和合作光源。

本发明的一种无线测距全向图像组合定位方法是：

(1)全向成像装置实时获取周围360°的场景全向图像，以全向图像中心为极点，建立极坐标系，移动节点在图像中的位置用极坐标(ρ，θ)表示，如图3所示。极径ρ通过固定节点上的无线收发器和移动节点上的无线收发器组成的无线测距装置来测量，极角θ通过全向图像来测量。移动节点位于全向图像中，极角θ就是移动机器人在全向图像中的位置与全向图像中心形成的方位角。

(2)全向成像装置可以实时获取周围场景360°的全向图像，将全向图像传输到中央控制站，可以实时监视以固定节点为中心的一定距离范围内的场景状态，监视场景中移动机器人运动状态、移动机器人与场景的作用状态、多移动机器人之间的位置关系等。

(3)移动机器人在全向成像装置视场中，绕固定节点运动一圈，同时记录运动轨迹坐标(ρ，θ)，通过运动轨迹坐标(ρ，θ)和定位***参数，计算整个场景图像各个像素点对应的极坐标，实现全场景数字化。将场景全向图像网格化，计算各个网格对应的极坐标，生成网格化场景亮度图像或彩色图像，如图5所示。

(4)移动机器人在复杂的场景中，因此不容易从全向图像中准确检测出移动机器人。在移动机器人上安装一种合作光源，合作光源在全向图像中有着非常明显的亮度变化；另外，合作光源可以由固定节点进行远距离无线控制发光，有效提高检测的鲁棒性和可靠性。

(5)在平坦区域中，全向成像装置中心轴与地表面或星球表面垂直，则全向图像是均匀线性的。实际上，在安放固定节点时，很难做到中心轴垂直地表面，此时各个方向的图像分辨率是不同的。根据移动机器人的运动轨迹坐标、移动机器人自身的里程计参数、成像***参数等对全向图像实现校正处理，使得全向图像各向分辨率均匀。

(6)对网格化场景图像进行分析，对场景中的各种有价值的目标进行标注，包括岩石、沙坑、河沟等。根据移动机器人或数字化士兵的工作任务，在标注的网格化场景图像上进行路径规划和任务规划。

(7)在场景中，许多任务需要多个机器人共同完成，比如，跨越河沟、维修受损机器人、搭建实验平台等。多个机器人集结到某一区域，进行协同作业、协同操作、接力传递等，都需要在网格化场景图像上标明行动路径、合作地点、机器人兵力分布等，如图6所示。

(8)每一个定位***的控制范围是有限的，如果机器人的活动区域要扩大，则可以采用多个定位***级联，即一个定位***控制区域(或可视区域)与另一个定位***控制区域之间有一定重叠，在重叠区域进行控制交接，使得控制区域得到成倍扩大，扩大了***可视化和监控范围，扩大了移动机器人的工作范围。图7是三个固定节点级联组成一个大的监控区域。级联***可以采用睡眠机制，当固定节点控制区域内没有监控任务时，就处于睡眠状态，可以节约能耗。

本发明的优点在于：

(1)定位***实现简单。仅采用全向图像传感器和一对无线收发器就可实现移动机器人的完全自主定位和导航，不依赖卫星导航***、无线基站、多传感器网络等复杂***。

(2)实时全向视频监控。本发明在实现定位、导航、规划的同时，能够通过全景视频实时监控场景，监视移动机器人的工作状态、运动状态及其与场景其他目标之间的关系，建立全场景的态势图，实现合理的调度。

(3)高精度定位与导航。本发明定位精度可以小于1米，集成移动机器人上的立体视觉、惯性导航、里程计等多传感信息，定位精度能达到厘米级。

(4)定位***级联灵活、容易。将多个定位***级联，使得控制区域得到成倍扩大，扩大了***可视化和监控范围，扩大了移动机器人的工作范围。

附图说明

图1-本发明***组成图；

图2-全向图像实例；

图3-图2所示全向图像展开图；

图4-全向图像示意图；

图5-场景极坐标网络化图；

图6-两个移动机器人在全向图像中的位置关系；

图7-多个***级联示意图；

图中：1-固定节点，2-移动节点，3-全向成像装置，4-无线发射/接收装置，5-支架，6-移动机器人，7-合作光源，8-星球表面，9-全向成像装置垂直视场张角，10-全向成像装置成像盲角。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

本发明的***是由固定节点1和移动节点2组成。固定节点1由全向成像装置3和无线收发器4组成，并装在支架5上。支架5的作用是固定全向成像装置3和无线收发器4。可根据需要适当调整成像装置3和无线收发器4的高度和姿态，以便更好地获取周围场景图像和更好地实现无线通讯与测量，如图1所示。通常全向成像装置3的摄像机光轴与星球表面8垂直。

全向成像装置3实时获取周围场景360°全向图像，全向成像装置3垂直视场角9一般在90°左右，朝向星球表面的成像盲区10在30°左右，如果成像支架5高3米，则盲区10为直径不到2米的圆斑，对于工作在几十米到上百米的区域，是可以接受这一盲区，图2是一个实验室全向图像，全向成像装置放置在实验室中央，距地面3米高，图像中心黑色圆斑是盲区；图3是该全向图像的展开图像，是从图像下半部中线展开的。展开图像类似普通摄像机在实验室中央环绕360°拍摄一系列图像，并将图像拼接起来后的全景图像。

为了可靠准确的检测全向图像中的移动机器人6的位置，在移动机器人6上装有合作光源7。合作光源7的发光频率峰值不同于太阳发光频率峰值。合作光源7可以和成像装置形成应答控制方式。

以全向图像的中心为极点，建立极坐标系，其中极轴可以预先根据系配置确定，也可以根据环境标志或星光图确定。图4是一种极坐标设置图，极坐标中心为全向图像中央的盲圆斑中心。

移动机器人6上的合作光源7在全向图像中表现为十分显著的光斑，检测出光斑，并计算光斑中心。定义光斑中心为移动机器人6在全向图像中的位置。光斑中心在极坐标系中的极角为移动机器人的方位角。

安装在移动机器人6上的无线收发器4和固定节点1上的无线收发器4组成无线测距装置，测量移动机器人6与固定节点1之间的距离，这样就得到了移动机器人6在极坐标中的坐标。

本发明的一个重要特征是使用全向成像装置3，该装置由视频摄像机和曲面镜头组成，全向成像装置已经是商品化的产品。由于有视频摄像机，因此，全向成像装置3能以视频速度获取整个场景图像或视频图像(类似图2)，将该图像传输到中央站控制站，并进行校正展开处理和分辨率增强处理(类似图3)，实现场景的实时监控。

定位***具体工作过程如下：

固定节点1和移动节点2可以人工布置在控制区域，如警戒区域、防御区等人员可以到达的区域，布置的固定节点1的个数和移动节点2的个数可以根据具体任务确定。对于人员难以到达的地方，通过发射方式布散，如远距离作战区域、星球探测区域等。

在远距离中央控制站的控制下，固定节点1调整全向成像装置3和无线收发器4的高度和姿态，并启动全向成像装置3获取场景全向图像，根据全向图像，微调全向成像装置3，使其工作在最佳状态。在全向图像上建立极坐标系，极点为全向图像盲区的中心点，极轴是预先设定的方位或根据星光方向确定。启动移动机器人6和合作光源7开始工作，全向成像装置3获取合作光源7的图像，确定合作光源7在全向图像中的位置，也就是移动机器人6在图像中的位置，该位置与极轴的夹角，即为极角θ。启动固定节点1和移动节点2上的无线收发器4工作，通过一对无线收发器4测量固定节点1和移动节点2的距离，即为极径ρ。将全向图像网格化，移动机器人6在场景中遍历运动，得到每一个网格中心的极坐标，形成网格化场景图像；也可以围绕固定节点1运动一周，得到运动轨迹上所有点的极坐标(ρ，θ)，然后根据极坐标(ρ，θ)和定位***参数计算出每一个网格中心的极坐标。

在网格化场景全景图像上，中央控制站根据场景的态势和预定任务，确定移动机器人6行走路径；移动机器人6也可以根据预定任务和场景的态势进行路径规划和任务规划。全向成像装置3获取场景视频，并传送到中央控制站；移动机器人6在场景中的任何运动和行为，都可以通过全向视频图像进行监控。对于星球探测来讲，得到的图像或视频要延迟几十秒到几十分钟。

当移动机器人6运动范围超出固定节点1的监控范围时，此时启动相邻的固定节点1开始接应。相邻固定节点1的控制范围和上一个固定节点1控制范围有一定重叠，交接过程在重叠区进行。交接信息由上一个固定节点1发出，也可以由移动机器人6发出，类似于航空雷达测控机制。

Claims (2)

1.一种无线测距全向图像组合定位***，由固定节点(1)和移动节点(2)组成，其特征在于：固定节点(1)包括全向成像装置(3)和无线收发器(4)，并装在支架(5)上；其高度和姿态可根据需要适当调整，以便更好地获取周围场景图像和更好地实现无线通讯与测量；全向成像装置的摄像机光轴与星球表面垂直；移动节点(2)包含移动机器人(6)、无线收发器(4)和合作光源(7)。

2.一种无线测距全向图像组合定位方法，其特征在于：

①全向成像装置(3)实时获取周围360°的场景全向图像，以全向图像中心为极点，建立极坐标系，移动节点(2)在图像中的位置用极坐标(ρ，θ)表示，极径ρ通过固定节点(1)上的无线收发器(4)和移动节点(2)上的无线收发器(4)组成的一对无线测距装置测量，极角θ通过全向图像来测量；

②移动节点(2)绕固定节点(1)运动一圈，测量运动轨迹上每一点的极坐标；将场景全向图像网格化，根据运动轨迹坐标和定位***参数，计算各个网格对应的极坐标，生成网格化场景图像；

③全向成像装置(3)实时获取周围360°场景全向图像，将图像传输到中央站或指定地点，实现场景图像监控或场景实时视频监控；

④当定位***的控制范围扩大时，采用多个定位***级联，将多个固定节点(1)放置在场景中不同的位置，其中各个固定节点(1)的全向场景图像和测距范围相互重叠，组成级联定位***，扩大定位***的监控范围和移动机器人的工作范围。

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