CN104197926A - 一种采用主动视觉方式的机器人导航装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种移动机器人导航装置，该装置主要包括双目图像传感器模块、扫描激光线投射模块、三路可调光源模块、控制电路模块。该装置基于双目主动视觉，可用于狭窄非结构化空间的移动机器人自主避障导航任务。本装置的所有设备的电源和控制信号都由控制电路模块控制，简单高效。该移动机器人导航装置体积小、重量轻、基于主动视觉，特别适合在狭窄非结构化空间机器人导航任务中使用。该装置能够获取较高密度的三维重建点云，采用双目视觉定位精度高。此外，该装置具有结构稳定、控制简单高效的优点。

Description

一种采用主动视觉方式的机器人导航装置

技术领域

本发明涉及一种机器人导航装置，特别涉及一种用于狭窄非结构化空间的基于主动视觉的机器人导航装置基于主动视觉的机器人导航装置。

背景技术

通常，自主导航作为移动机器人领域的核心研究内容之一，是实现机器人智能化、实用化的一项关键技术。在众多导航方式中，双目视觉导航最能接近人类双眼视觉，通过视觉传感器获取环境信息并进一步得到空间深度信息具有信息丰富、非接触、适用领域广泛的优势，在移动机器人领域越来越受到人们重视。

视觉导航依赖于对环境特征所对应的视觉图像中特征点的提取、匹配，因狭窄非结构空间中自然特征存在光照变化、遮挡、纹理特征不明显等原因，基于自然特征的被动视觉导航能够获得的特征点较稀疏，可靠性不高。主动视觉方式利用投射装置作为辅助向目标物投射具有一定形态光模板，具有重建精度高、受控性强的特点。现有的主动视觉装置主要依赖投影仪向目标物投射点阵列、散斑、线结构光、面结构光等光模板，存在投影装置体积大，重量重的缺点，无法适用于狭窄空间移动机器人导航任务中。

因此，需要一种能有效地解决上述问题，即能够用于狭窄非结构化空间的基于主动视觉的机器人导航装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双目主动视觉的小型导航装置，该装置能够投射扫描激光线作为人工特征辅助双目视觉***进行特征提取、匹配、三维重建等任务，实现移动机器人在未知狭窄非结构空间中自主导航。该装置具有体积小、重量轻、安装简单，受控性强、三维重建点云密集的特点。

优选地，

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1a示意性地示出了根据本发明的能够用于狭窄非结构化空间的基于主动视觉的机器人导航装置的结构示意图。

图1b示意性地示出了根据本发明一个实施例的扫描激光线投射模块中减速箱的结构图。

图2示意性示出本发明的机器人导航装置的双目视觉传感器模块的结构示意图。

图3a示意性示出本发明的扫描激光线投射模块的整体结构示意图。

图3b示意性示出本发明的扫描激光线投射模块的电机和减速箱内部的具体结构示意图。

图3c示意性示出本发明的扫描激光线投射模块的电机、减速箱以及绝对编码器的具体结构示意图。

图3d示意性出了本发明的绝对编码器工作原理示意图。

图4示意性示出本发明的扫描激光线投射模块的减速箱凹形轨道的局部结构放大示意图。

图5示意性示出本发明的机器人导航装置的激光器卡的结构示意图。

图6a示意性示出本发明的机器人导航装置的扫描激光线投射模块的俯视结构示意图。

图6b示意性示出微型可调线形激光器中心线与减速箱中心线的夹角β的计算方法示意图。

图7示意性示出本发明的机器人导航装置的可调照明光源模块的结构示意图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

图1a示意性地示出了根据本发明的能够用于狭窄非结构化空间的基于主动视觉的机器人导航装置100的结构示意图。根据本发明的一种狭窄非结构化空间基于主动视觉的双目机器人导航装置100包括用于感测图像的双目图像传感器模块、用于通过发射激光成像的扫描激光线投射模块、用于投射照明光源用的可调光源模块、以及控制电路模块。

具体地，如图1a所示，根据本发明的机器人导航装置100通过位于导航装置一侧的法兰盘1050作为连接件，安装在机器人对应的法兰盘(图1中未示出)上。支架1060通过螺栓安装在所述法兰盘1050上，起支撑上述基于主动视觉的机器人导航装置100的作用。优选地，所述机器人导航装置100的整体尺寸不超过90×90×100mm³。

所述双目机器人导航装置100包括双目图像传感器模块用于通过传感器感测机器人所处的位置，具体地，通过感测机器人行进方向上的特定成像从而判断机器人所在的位置。根据本发明的一个实施例，所述双目图像传感器模块包括2台高精度微型机头分离式工业相机以及连接二者的相机支撑架。2台高精度微型机头分离式工业相机分别为第一高精度微型机头分离式工业相机1011和第二高精度微型机头分离式工业相机1012。优选地，所述第一高精度微型机头分离式工业相机1011和第二高精度微型机头分离式工业相机1012的性能参数选择为完全相同，其成像元件的轴向轴线设置为彼此平行。所述2台相机各自安装在相机支撑架1070上，所述相机支撑架1070安装在所述支架1060上。所述2台相机能实时采集环境图像并将图像信息传送给处理***。

所述双目机器人导航装置100还包括扫描激光线投射模块，用于向所述机器人行进的方向上投射激光从而成像，以便由上述双目图像传感器模块进行感测。根据本发明的一个实施例，所述扫描激光线投射模块位于第一高精度微型机头分离式工业相机1011和第二高精度微型机头分离式工业相机1012底部和之间，包括电机1021、减速箱1022、绝对编码器1023(参见图1b)、直角棱镜1024及棱镜卡具1025、微型半导体激光器1026(投射线型激光)及激光器卡具1027。减速箱1022安装在所述支架1060上，电机1021安装在所述减速箱1022上，作为动力源。上述电机1021作为动力输出装置，其电机轴以一定角速度作正向、反向旋转运动。所述减速箱1022的输入轴为上述电机1021的输出轴。

优选地，本实施例中的电机1021可采用步进电机或伺服电机，能够控制电机轴的转动速度和转动方向。本装置的电机通过电机驱动器来驱动，并通过单片机或运动控制板卡来控制电机轴的运动。

图1b示意性地示出了根据本发明一个实施例的扫描激光线投射模块中减速箱的结构图。如图1b所示，所述减速箱1022的输出轴3070一端安装有绝对编码器1023，另一端穿过第一高精度微型机头分离式工业相机1011和第二高精度微型机头分离式工业相机1012之间在其上方安装有棱镜卡具1025，上述直角棱镜1024以过盈配合的方式安装在棱镜卡具1025上。

如图1a所示，所述激光器卡具1027以间隙配合的方式安装在上述减速箱1022的双面凹形导轨3100(参见图3a)上，并且通过紧固螺栓固紧。所述微型半导体激光器1026安装在激光器卡具1027上，并以紧固螺丝固紧。

在所述扫描激光线投射模块运行过程中，电机1021的电机轴旋转运动作为输入，经过减速箱1022转换成减速箱输出轴及其所夹持的直角棱镜1024的偏转运动。微型半导体激光器1026投射的线型光线经过直角棱镜1024折反射后形成在一定角度范围内往返扫描的激光线。第一高精度微型机头分离式工业相机1011和第二高精度微型机头分离式工业相机1012分别采集激光线所成的图像，并将图像送入控制单元进行分析，从而感测得知机器人所在的位置。

优选地，本实施例选用的微型半导体激光器1026为微型可调焦一字线激光器，其发射的光线横截面为一字型激光条，激光器可根据工作距离调焦，使在工作距离上的一字激光光条最细，亮度最均匀。激光器的位置调教应保持与本实施例中的基于主动视觉的机器人导航装置100的中心轴线成所需的角度。

优选地，本实施例中的一字型激光条采用三维重建点云技术，具体是激光光条投射装置工作时投射扫描光条，在光条扫描过程中双目相机不断采集图像(大约400～800帧图像)。软件算法对每张图进行处理，提取每张2维图的激光光条中心线，然后左右相机对应处理后的图像进行匹配、三维重建，获得激光光条中心线的三维空间坐标(几百个点)，对400～800对图像对进行上述算法就获得一块空间区域的点云三维坐标(几万个点)。

所述机器人导航装置100还包括用于投射照明光源用的可调光源模块。根据本发明的一个实施例，可调光源模块设置在第一高精度微型机头分离式工业相机1011和第二高精度微型机头分离式工业相机1012的前端，为一个“∞”字形3路可调光源模块，该模块基板7020为一块“∞”字形铝基板，卡装在第一高精度微型机头分离式工业相机1011和第二高精度微型机头分离式工业相机1012的前端，多个光源7010分别分布在第一高精度微型机头分离式工业相机1011和第二高精度微型机头分离式工业相机1012的镜头周围。

所述机器人导航装置100还包括控制电路模块，所述控制电路模块包括双目图像传感器模块、扫描激光线投射模块、以及可调光源模块各自的驱动电路，用户可以通过上位机控制各驱动电路的供电。

图2是根据本发明的双目机器人导航装置中的双目视觉传感器模块的具体结构示意图。

如图2所示，双目视觉传感器模块包括2台高精度微型机头分离式工业相机1011和1012以及连接二者的相机支撑架。所述的相机支撑架包括分别容纳高精度微型机头分离式工业相机1011和1012的套筒2010和套筒2020，以及连接两个套筒的“凹”字形连接部2030。套筒2010和套筒2020对称分布，高精度微型机头分离式工业相机1011和高精度微型机头分离式工业相机1012分别安装在所述套筒2010和套筒2020中，并通过紧固螺旋2041和2042固紧。

优选地，本实施例中的2台高精度微型机头分离式工业相机安装位置在同一水平面上保持平行，并且两台相机位置以过本实施例中的基于主动视觉的机器人导航装置中心线的垂直面为对称面对称。

图3a-图3d是根据本发明的双目机器人导航装置中的扫描激光线投射模块的具体结构示意图。其中图3a为扫描激光线投射模块的整体结构示意图，图3b为扫描激光线投射模块的电机和减速箱内部的具体结构示意图，图3c为扫描激光线投射模块的电机、减速箱以及绝对编码器的具体结构示意图，图3d示出了绝对编码器工作原理示意图。

如图3a所示，根据本发明的扫描激光线投射模块包括电机1021、减速箱1022、绝对编码器1023(参见图1b)、直角棱镜1024及棱镜卡具1025、微型半导体激光器1026(用于投射线性激光)及激光器卡具1027。

所述电机1021作为动力输出装置，其电机轴以一定角速度作正向、反向旋转运动。电机1021的输出轴3010与蜗杆3020通过过盈配合装配在一起作为动力轴。

减速箱1022的减速箱壳体3080起支撑和保护作用。减速箱1022的输出轴3070通过轴承3090安装在减速箱壳体3080上，避免与减速箱壳体3080因直接接触而产生较大摩擦力。减速箱输出轴3070另一端与绝对绝对编码器(图3a中未示出)连接，绝对编码器的输出码值反馈给控制器实现对棱镜卡具1025及直角棱镜1024转动角度的闭环控制。微型半导体激光器1026安装在激光器卡具1027上，激光器卡具1027安装在凹形轨道1080上，并通过紧固螺栓固紧。

如图3b所示，示出了扫描激光线投射模块的电机和减速箱内部的具体结构示意图。所述的减速箱1022中的齿轮为一齿轮组，所述齿轮组包括2组双联齿轮，第一组双联齿轮大轮为蜗轮3030，小轮为直齿轮3040。第二组双联齿轮大轮3050和小轮3060都为直齿轮。

齿轮组传动过程为：电机轴3010带动蜗杆3020转动，蜗杆的转动带动第一组双联齿轮的蜗轮3030转动，同时第一组双联齿轮的小轮3040(直齿轮)带动第二组级联齿轮的大轮3050转动。第二组双联齿轮与输出轴3070通过销键连接，因而第二组双联齿轮的转动带动减速箱输出轴3070转动。

所述减速箱的输入轴为上述电机的输出轴3010，上述减速箱的输出轴3070一端安装有绝对编码器，另一端安装有棱镜卡具1025(参见图3a)，上述直角棱镜1024以过盈配合的方式安装在棱镜卡具上。

如图3c所示，示出了扫描激光线投射模块中的电机、减速箱以及绝对编码器的具体结构。绝对编码器包括光电码盘3100和光电对管3110，所述光电码盘3100在所述光电对管3110的中间缝隙通过。所述光电码盘通过复合胶水固定在输出轴3070上。根据本发明的一个优选实施例，光电码盘3100为100线，即编码器转动一圈共输出100个脉冲，定位精度为3.6度。

当所述扫描激光线投射模块运行过程中，电机轴3010旋转作为输入，经过减速箱转成减速箱输出轴3070及其所夹持的直角棱镜的偏移运动。微型半导体激光器投射的线型经过直角棱镜折反后形成一定角度范围内往返扫描的激光线。

优选地，本实施例中采用蜗轮蜗杆的传动方式的优势是既能获得较大的传动比，又能起到位置自锁的功能，防止直角棱镜摆动过程中因惯性或外力作用而发生位置偏移。

图3d示出了绝对编码器工作原理示意图。

如图3d所示，根据本发明的一个优选实施例，光电码盘3100为100线，即编码器转动一圈共输出100个脉冲。即定位精度为3.6度。光电码盘3100随着输出轴在光电对管3110中间缝隙中转动，光电对管3110直接输出数字脉冲信号，因此可以直接将这些脉冲信号连接到控制器。当光电对管3110输出两个脉冲信号时，它们波形相同，相位相差90度。如果输出轴正转，第二个脉冲落后90°；如果反转，第二个脉冲超前90度。通过这个关系可以判断输出轴是否正反转。

图4是如图3a所示的根据本发明的扫描激光线投射模块的减速箱凹形轨道的局部结构放大示意图。图5是根据本发明的扫描激光线投射模块的激光器卡具的结构示意图。

如图3a所示，激光器卡具1027以间隙配合的方式安装在上述减速箱的双面凹形导轨1080上，并且通过紧固螺栓固紧。图4示出了减速箱凹形轨道的局部结构放大示意图。如图4所示，双面凹形导轨1080上配置有挡板4010结构，用于定位激光器卡具1027。如图5所示，激光器卡具1027上方具有套环5030，用于容纳激光器，套环5030的下方是支撑架5040，支撑架5040下部具有内凹形轨道5010，与所述凹形轨道1080间隙配合，螺孔5020用于安装紧固螺栓。

图6a是根据本发明的扫描激光线投射模块的俯视结构示意图，以说明其工作原理。

如图6a所示，图6a示出了微型半导体激光器1026的中心线与减速箱1022中心线的夹角为β，所述β夹角用于保证经直角棱镜射出的激光扫描线扫描范围φ以减速中心线为中心线。具体夹角β的计算方法将在下文中具体说明。

图6b是夹角β的计算方法的光学验证的示意图。如6b所示，图6b示出了夹角β的计算方法，微型半导体激光器1026中心线与减速箱1022中心线的夹角β计算过程。

由光的折射定理和全反射定理大致确定微型半导体激光器1026与出射光线的一个夹角范围(实际情况是微型半导体激光器1026位置固定，三棱镜转动，出射光线也会转动，这样就产生了微型半导体激光器1026与出射光线的一个夹角范围)，然后在这个范围内选一个合适的角度(图中两条黄线之间的夹角)。其中标号为2的线的夹角和标号为6的线的夹角为该夹角范围的两个边界值，所选的两条黄线之间夹角尽量在这两个边界值的中间附近。

本发明中微型半导体激光器1026位置固定，直角棱镜1024旋转运动。为了方便计算，采取直角棱镜1024位置固定，微型半导体激光器1026绕着直角棱镜1024以棱镜的重心为中心旋转，然后根据光的折射、全反射定律得到激光传播的理论路径。

激光在直角棱镜一直角面(入射面)发生折射：折射公式为：

n_玻璃/n_空气＝sinθ1/sinθ2

其中θ1为入射面处入射光与法线之间夹角，θ2为入射面处折射光线与法线的夹角。

当满足一定角度要求时sinθ＝1/n其中θ角为全反射临界角，n为棱镜玻璃与空气折射率比值。激光在直角棱镜斜边处发生全反射：这时入射角与出射角关于法线对称。

激光在直角棱镜的另一面(出射面)也发生折射，折射公式同上。

在计算夹角β时，首先计算激光器相对于棱镜的临界位置(满足全反射定律)。

标号2处为临界位置，角度相对于入射表面法线的夹角为-5.6758度。因为激光器相对于棱镜重心旋转，要保证入射激光照射在入射面上，标号6处为另一临界位置角度相对于入射表面法线的夹角为-63度。

考虑到双目相机的公共视场角度大概为45度，并且考虑到激光器安放对整套***空间体积的影响(角度比标号7小时，占横向空间大；角度比标号7大时，占纵向空间也会增大)，选取标号7处为激光器安装位置，这是出射光7处为减速箱中心线方向。

图7是根据本发明的机器人导航装置的可调照明光源模块的结构示意图。

如图7所示，根据本发明的一个实施例，机器人导航装置的3路可调照明光源模块呈“∞”字形，所述模块包括24颗白光LED 7010和一块“∞”字形基板7020。所述“∞”形光源基板7020上分布24颗白光LED 7010，分别位于所述“∞”形光源基板7020的两端，以圆周方式均匀排列，每端排列有12颗LED。所述白光LED优选分成三路，三路LED交错分布在基板7020上。

所述LED的排列顺序依次为：第一路第一颗LED(1-1)、第二路第一颗LED(2-1)、第三路第一颗LED(3-1)、第一路第二颗LED(1-2)、第二路第二颗LED(2-2)、第三路第二颗LED(3-2)、…第一路第八颗LED、第二路第八颗LED、第三路第八颗LED。所述括号中的文字前面数字为第几路，后面数字为所述路的第N个LED。。上述排列的有益效果是使每一路LED都能均匀分布在“∞”形光源铝基板37上，使光照均匀。用户可以自由选择每路LED电源的通断，并且可以自由操控每路LED的亮暗程度来得到合适的光照条件，进而获得高品质、高对比度的图像。

优选地，所述可调照明光源模块中“∞”形光源铝基板7020为铝质材料，目的是有利于散热。

根据本发明的机器人导航装置的优点至少在于：

1.体积小、重量轻，与其他使用投影仪或类似设备的装备相比，更适合用于狭窄空间中移动机器人的导航避障任务。

2.本实施例装置导航过程中获得的三维重建点云比用投射十字线或点阵列的装置获得的三维重建更密集，这就为机器人提供理解周围环境的更加丰富的信息。

3.使用者对相机、激光器、电机、光源的控制完全通过上位机控制，简单方便。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种用于狭窄非结构化空间的基于主动视觉的双目机器人导航装置，包括：

双目图像传感器模块，所述双目图像传感器模块包括第一高精度微型机头分离式工业相机和第二高精度微型机头分离式工业相机，所述第一高精度微型机头分离式工业相机和第二高精度微型机头分离式工业相机安装在相机支撑架上，其成像元件的轴向轴线设置为彼此平行；

扫描激光线投射模块，所述激光投射模块包括电机、减速箱、绝对编码器、直角棱镜及棱镜卡具、微型半导体激光器及激光器卡具，所述电机作为动力输出装置，其输出轴作为所述减速箱的输入轴，所述减速箱的输出轴一端安装有所述绝对编码器，另一端穿过所述第一高精度微型机头分离式工业相机和第二高精度微型机头分离式工业相机之间在其上方安装有棱镜卡具，所述直角棱镜以过盈配合的方式安装在所述棱镜卡具上,所述激光器卡具以间隙配合的方式安装在所述减速箱上，所述微型半导体激光器安装在所述激光器卡具上；

可调光源模块，设置在所述第一高精度微型机头分离式工业相机和所述第二高精度微型机头分离式工业相机的前端，包括“∞”字形基板以及设置在所述基板上的多个光源；

控制电路模块，所述控制电路模块包括所述双目图像传感器模块、所述扫描激光线投射模块、以及所述可调光源模块各自驱动电路。

2.根据权利要求1所述的基于主动视觉的双目机器人导航装置，其中，所述相机支撑架固定有两个套筒，所述第一高精度微型机头分离式工业相机和第二高精度微型机头分离式工业相机的头部分分别安装在两个套筒中，通过紧固螺丝固紧。

3.根据权利要求1所述的基于主动视觉的双目机器人导航装置，其中，所述电机的电机轴以一定角速度作正向、反向旋转运动。

4.根据权利要求1所述的基于主动视觉的双目机器人导航装置，其中，所述导航装置的整体尺寸不超过90x90x100mm³。

5.根据权利要求1所述的基于主动视觉的双目机器人导航装置，其中，所述导航装置通过法兰盘安装在对应机器人的法兰盘上。

6.根据权利要求1所述的基于主动视觉的双目机器人导航装置，其中，所述微型半导体激光器为微型可调一字线激光器，其发射的光线横截面为一字型激光条。

7.根据权利要求1所述的基于主动视觉的双目机器人导航装置，其中，所述电机为步进电机或伺服电机，用于控制电机轴的转动速度和转动方向。

8.根据权利要求1所述的基于主动视觉的双目机器人导航装置，其中，所述可调照明模块中的基板为铝质材料。

9.根据权利要求1所述的基于主动视觉的双目机器人导航装置，其中，所述绝对编码器包括光电码盘和光电对管，所述光电码盘在所述光电对管的中间缝隙通过。

10.根据权利要求1所述的基于主动视觉的双目机器人导航装置，其中，所述减速箱包括一齿轮组，所述齿轮组包括2组双联齿轮，第一组双联齿轮中大轮为蜗轮，小轮为直齿轮，第二组双联齿轮中大轮和小轮都为直齿轮。