專利名稱：一種局部定位系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)視覺(jué)自動(dòng)導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及機(jī)器人或自動(dòng)車輛等作業(yè)機(jī) 械的一種局部定位系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，機(jī)械自動(dòng)化、智能化和機(jī)器人研究是世界上研究的熱點(diǎn)，機(jī)械自動(dòng)化作業(yè) 及其機(jī)器人的發(fā)展是未來(lái)工業(yè)技術(shù)發(fā)展方向；定位是實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)移動(dòng)和實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng) 作業(yè)的基礎(chǔ)性難題，是完成其他任務(wù)的前提；世界各國(guó)采用不同的方法進(jìn)行了大量研究，比 如雷達(dá)定位、激光測(cè)距定位、DR傳感器、機(jī)器視覺(jué)等，但這些技術(shù)都存在一定的約束和技術(shù) 不足，未能實(shí)用化。世界上除GPS外，沒(méi)有商業(yè)化的定位系統(tǒng)；GPS自動(dòng)導(dǎo)航是使用最多的 方法，其中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法(real-time kinematic, RTK)GPS的精度達(dá)到了厘米級(jí)；由于價(jià) 格較高且GPS的精度取決于作業(yè)位置，GPS在應(yīng)用中也存在一定的限制。比如在農(nóng)田或室 內(nèi)自動(dòng)化作業(yè)時(shí)，由于樹(shù)林、山脈、屋頂?shù)日系K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(nèi)環(huán)境使用。全方位視覺(jué)傳感器是一種新型的視覺(jué)傳感器，它具有單個(gè)視點(diǎn)、每張圖像能提供 周圍360度范圍內(nèi)的信息，并且圖像不會(huì)隨傳感器的旋轉(zhuǎn)改變性質(zhì)，有利于減少車輪滑移 和震動(dòng)的部分負(fù)面影響；而且價(jià)格便宜，被廣泛應(yīng)用在機(jī)器人領(lǐng)域。在機(jī)器人定位方向也得 到了應(yīng)用，一般是在作業(yè)環(huán)境中人工設(shè)置特征標(biāo)識(shí)或利用自然標(biāo)識(shí)，通過(guò)圖像匹配來(lái)實(shí)現(xiàn) 拓?fù)涠ㄎ?，但該定位系統(tǒng)計(jì)算過(guò)程復(fù)雜、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)用性較差。而全方位視覺(jué)傳感器除 圖像信息豐富外，還具有另一特點(diǎn)在獲取全方位圖像時(shí)，空間物體相對(duì)于傳感器的方位角 是固定不變的；發(fā)明專利一種自動(dòng)導(dǎo)航定位裝置及方法(申請(qǐng)?zhí)?00910044412. 4，公開(kāi) 號(hào)10166091 利用全方位視覺(jué)傳感器成像原理和特點(diǎn)發(fā)明了一種專利，該發(fā)明在人工標(biāo) 識(shí)布置的作業(yè)區(qū)內(nèi)，將全方位視覺(jué)傳感器、作業(yè)車輛裝配在一起，求出全方位視覺(jué)傳感器投 影中心位置，即求出了作業(yè)車的定位位置。該發(fā)明成功地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)、傳感 器技術(shù)和新型視覺(jué)傳感器的特點(diǎn)發(fā)明了一種自動(dòng)導(dǎo)航定位裝置；定位系統(tǒng)除應(yīng)用于自動(dòng)導(dǎo) 航之外，還可以用于位置跟蹤、導(dǎo)彈發(fā)射、農(nóng)業(yè)中用于產(chǎn)量圖繪制、精細(xì)，但該發(fā)明局限于運(yùn) 用于自動(dòng)導(dǎo)航定位，將全方位視覺(jué)傳感器、作業(yè)車輛裝配在一起，容易出現(xiàn)使用視覺(jué)傳感器 普遍存在的缺陷，圖像易受車輛振動(dòng)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(fā)明在這種技術(shù)背景下發(fā)明了一種局部定位系統(tǒng)及 方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)作業(yè)的車輛、機(jī)器人，尤其是作業(yè)環(huán)境比較固定，田間、溫室、 廠房等，以及GPS技術(shù)不能使用的區(qū)域，利用全方位視覺(jué)傳感器和計(jì)算機(jī)視覺(jué)圖像處理技 術(shù)完善開(kāi)發(fā)的一種局部定位系統(tǒng)及方法，該發(fā)明可代替GPS在一些特殊場(chǎng)合進(jìn)行定位，精 度高、運(yùn)行速度快、使用范圍廣、實(shí)用性強(qiáng)、價(jià)格便宜。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種局部定位系統(tǒng)，四個(gè)用于與周圍環(huán)境區(qū)別的有色標(biāo)識(shí)分別通過(guò)支柱固定在作 業(yè)區(qū)外圍的四個(gè)點(diǎn)上，四個(gè)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)一個(gè)矩形的4個(gè)角點(diǎn)；全方位視覺(jué)傳感器攝像裝置 通過(guò)支柱固定在作業(yè)區(qū)中央，全方位視覺(jué)傳感器攝像裝置與計(jì)算機(jī)通信連接；在作業(yè)車上 設(shè)置有色標(biāo)識(shí)；計(jì)算機(jī)上設(shè)有基于全方位視覺(jué)傳感器攝像裝置獲取的圖像識(shí)別出作業(yè)車標(biāo) 識(shí)所在位置坐標(biāo)的圖像處理及計(jì)算單元。有色標(biāo)識(shí)的顏色一般采用紅色或藍(lán)色，或紅色與藍(lán)色分塊組合顏色。所述全方位視覺(jué)傳感器攝像裝置包括曲型鏡面、中心針、USB攝像機(jī)、USB線接口、 調(diào)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(jī)鏡頭；透明外罩套裝在曲型鏡面上；中心針通 過(guò)螺紋與上蓋連接，中心針穿過(guò)并緊密粘合在曲型鏡面的中心；USB攝像機(jī)的鏡頭獲取的 信號(hào)經(jīng)USB接口輸出，并通過(guò)USB線輸出到計(jì)算機(jī)。一種局部定位方法，采用前述的局部定位系統(tǒng)，具體定位方法為步驟1:圖像獲取步驟；全方位視覺(jué)傳感器攝像裝置實(shí)時(shí)拍攝四個(gè)有色標(biāo)識(shí)的全方位圖像，并將該全方位 圖像傳送到計(jì)算機(jī)中；步驟2 圖像處理及計(jì)算步驟；定義圖像坐標(biāo)，圖像左上角為原點(diǎn)(0，0)，單位為像素；基于提取特征顏色量的閾 值和最大距離值S獲取有色標(biāo)識(shí)位置坐標(biāo)并存儲(chǔ)，當(dāng)有色標(biāo)識(shí)特征點(diǎn)提取少于或多于4個(gè)， 則返回步驟2的開(kāi)始，再次調(diào)節(jié)提取特征顏色量的閾值和最大距離值S，重新進(jìn)行前述的圖 像分析直到得到4個(gè)有色標(biāo)識(shí)在圖像中的準(zhǔn)確位置點(diǎn)；步驟3 基于4個(gè)有色標(biāo)識(shí)和作業(yè)車方位角的定位計(jì)算步驟；步驟A 實(shí)時(shí)圖像獲取步驟；在已獲得4個(gè)有色標(biāo)識(shí)在圖像中的準(zhǔn)確位置點(diǎn)的基礎(chǔ)上，全方位視覺(jué)傳感器攝像 裝置實(shí)時(shí)拍攝作業(yè)車標(biāo)識(shí)在作業(yè)區(qū)的圖像即含有作業(yè)車標(biāo)識(shí)的圖像，并將該含有作業(yè)車標(biāo) 識(shí)的圖像傳送到計(jì)算機(jī)中；步驟B 在計(jì)算機(jī)中，采用步驟2相同的方法獲取作業(yè)車標(biāo)識(shí)在該含有作業(yè)車標(biāo)識(shí) 的圖像中的位置點(diǎn)并儲(chǔ)存；步驟C:計(jì)算步驟；根據(jù)求出并儲(chǔ)存的4個(gè)有色標(biāo)識(shí)在圖像中的4個(gè)位置點(diǎn)和作業(yè)車標(biāo)識(shí)在圖像中的 位置點(diǎn)，計(jì)算出四個(gè)有色標(biāo)識(shí)中的每相鄰兩個(gè)有色標(biāo)識(shí)和作業(yè)車圖像標(biāo)識(shí)在含有作業(yè)車標(biāo) 識(shí)的圖像中的方位角Θ1 θ 4，四個(gè)有色標(biāo)識(shí)形成的矩形長(zhǎng)為a、寬為b;每相鄰兩個(gè)紅色 標(biāo)識(shí)和對(duì)應(yīng)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(gè)交點(diǎn)，共得 到 4 個(gè)交點(diǎn) Il 14，交點(diǎn) Il 14 的坐標(biāo)分別為(xILyll), (xI2,yI2), (xI3,yI3), (xI4, yI4)，如下[0020
權(quán)利要求
1.一種局部定位系統(tǒng)，其特征在于，四個(gè)用于與周圍環(huán)境區(qū)別的有色標(biāo)識(shí)分別通過(guò)支 柱固定在作業(yè)區(qū)外圍的四個(gè)點(diǎn)上，四個(gè)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)一個(gè)矩形的4個(gè)角點(diǎn)；全方位視覺(jué)傳感 器攝像裝置通過(guò)支柱固定在作業(yè)區(qū)中央，全方位視覺(jué)傳感器攝像裝置與計(jì)算機(jī)通信連接； 在作業(yè)車上設(shè)置有色標(biāo)識(shí)；計(jì)算機(jī)上設(shè)有基于全方位視覺(jué)傳感器攝像裝置獲取的圖像識(shí)別 出作業(yè)車標(biāo)識(shí)所在位置坐標(biāo)的圖像處理及計(jì)算單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的局部定位系統(tǒng)，其特征在于，所述全方位視覺(jué)傳感器攝像裝 置包括曲型鏡面、中心針、USB攝像機(jī)、USB線接口、調(diào)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(jī)鏡頭；透明外罩套裝在曲型鏡面上；中心針通過(guò)螺紋與上蓋連接，中心針穿過(guò)并緊密 粘合在曲型鏡面的中心；USB攝像機(jī)的鏡頭獲取的信號(hào)經(jīng)USB接口輸出，并通過(guò)USB線輸出 到計(jì)算機(jī)。
3.一種局部定位方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1或2所述的局部定位系統(tǒng)，具體定 位方法為步驟1:圖像獲取步驟；全方位視覺(jué)傳感器攝像裝置實(shí)時(shí)拍攝四個(gè)有色標(biāo)識(shí)的全方位圖像，并將該全方位圖像 傳送到計(jì)算機(jī)中；步驟2 圖像處理及計(jì)算步驟；定義圖像坐標(biāo)，圖像左上角為原點(diǎn)(0，0)，單位為像素；基于提取特征顏色量的閾值和 最大距離值S獲取有色標(biāo)識(shí)位置坐標(biāo)并存儲(chǔ)，當(dāng)有色標(biāo)識(shí)特征點(diǎn)提取少于或多于4個(gè)，則返 回步驟2的開(kāi)始，再次調(diào)節(jié)提取特征顏色量的閾值和最大距離值S，重新進(jìn)行前述的圖像分 析直到得到4個(gè)有色標(biāo)識(shí)在圖像中的準(zhǔn)確位置點(diǎn)；步驟3 基于4個(gè)有色標(biāo)識(shí)和作業(yè)車方位角的定位計(jì)算步驟；步驟A 實(shí)時(shí)圖像獲取步驟；在已獲得4個(gè)有色標(biāo)識(shí)在圖像中的準(zhǔn)確位置點(diǎn)的基礎(chǔ)上，全方位視覺(jué)傳感器攝像裝置 實(shí)時(shí)拍攝作業(yè)車標(biāo)識(shí)在作業(yè)區(qū)的圖像即含有作業(yè)車標(biāo)識(shí)的圖像，并將該含有作業(yè)車標(biāo)識(shí)的 圖像傳送到計(jì)算機(jī)中；步驟B:在計(jì)算機(jī)中，采用步驟2相同的方法獲取作業(yè)車標(biāo)識(shí)在該含有作業(yè)車標(biāo)識(shí)的圖 像中的位置點(diǎn)并儲(chǔ)存；步驟C:計(jì)算步驟；根據(jù)求出并儲(chǔ)存的4個(gè)有色標(biāo)識(shí)在圖像中的4個(gè)位置點(diǎn)和作業(yè)車標(biāo)識(shí)在圖像中的位 置點(diǎn)，計(jì)算出四個(gè)有色標(biāo)識(shí)中的每相鄰兩個(gè)有色標(biāo)識(shí)和作業(yè)車圖像標(biāo)識(shí)在含有作業(yè)車標(biāo)識(shí) 的圖像中的方位角Θ1 θ 4，四個(gè)有色標(biāo)識(shí)形成的矩形長(zhǎng)為a、寬為b;每相鄰兩個(gè)紅色標(biāo) 識(shí)和對(duì)應(yīng)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(gè)交點(diǎn)，共得到 4 個(gè)交點(diǎn) Il 14，交點(diǎn) Il 14 的坐標(biāo)分別為(xll，yll), (xI2，yI2), (xI3，yI3), (xI4， yI4)，如下
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的局部定位方法，其特征在于，步驟2所述的獲取有色標(biāo)識(shí)位置 坐標(biāo)的過(guò)程為根據(jù)標(biāo)識(shí)顏色分別對(duì)紅色標(biāo)識(shí)、藍(lán)色標(biāo)識(shí)和紅色與藍(lán)色分塊組合標(biāo)識(shí)三種 情況分別處理如下A 紅色標(biāo)識(shí)處理；利用r = R-(B+G)/2-|B-G|對(duì)圖像像素的紅色亮度進(jìn)行計(jì)算，并程序循環(huán)計(jì)算出圖像 像素的紅色強(qiáng)度中最大值為rmax，儲(chǔ)存在內(nèi)存中；式中，R、G、B分別為紅色、綠色和藍(lán)色的 亮度；r為提取的紅色像素亮度；根據(jù)、=[r.-Nj，在計(jì)算機(jī)中，設(shè)定提取紅色標(biāo)識(shí)特征顏色量的閾值tl ；逐行對(duì)圖像 進(jìn)行掃描，從圖像提取出滿足紅色像素亮度r大于tl的所有的像素定義為紅色特征像素； 其中，rmax 圖像中像素的紅色強(qiáng)度最大值；tl 提取紅色標(biāo)識(shí)特征顏色量的閾值；m為測(cè) 試常數(shù)，10 < Nl < 50 ；設(shè)置最大距離值S，計(jì)算所有已提取出的紅色像素間歐幾里得距離，掃描全部的紅色特 征像素點(diǎn)，形成一個(gè)或多個(gè)紅色特征像素點(diǎn)區(qū)域，紅色特征像素點(diǎn)區(qū)域的形成方法如下當(dāng) 某兩個(gè)紅色特征像素間歐幾里得距離小于最大距離值S，表示該兩個(gè)紅色特征像素在同一 個(gè)紅色特征像素點(diǎn)區(qū)域；單個(gè)特征區(qū)像素的計(jì)算；提取特征區(qū)像素點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，第i個(gè)像素的圖像坐 標(biāo)定義為Rix和Riy ；并統(tǒng)計(jì)出該特征像素點(diǎn)區(qū)域的像素總量為nl ；利用下式計(jì)算該特征像素點(diǎn)區(qū)域所有像素的坐標(biāo)平均值，即求出特征像素點(diǎn)區(qū)域的重 心，重心的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別定義為&和ft·；坐標(biāo)OCrJr)對(duì)應(yīng)紅色標(biāo)識(shí)在圖像中的位置點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種局部定位系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為四個(gè)用于與周圍環(huán)境區(qū)別的有色標(biāo)識(shí)分別通過(guò)支柱固定在作業(yè)區(qū)外圍的四個(gè)點(diǎn)上，四個(gè)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)一個(gè)矩形的4個(gè)角點(diǎn)；全方位視覺(jué)傳感器攝像裝置通過(guò)支柱固定在作業(yè)區(qū)中央，全方位視覺(jué)傳感器攝像裝置與計(jì)算機(jī)通信連接；在作業(yè)車上設(shè)置有色標(biāo)識(shí)；計(jì)算機(jī)上設(shè)有基于全方位視覺(jué)傳感器攝像裝置獲取的圖像識(shí)別出作業(yè)車標(biāo)識(shí)所在位置坐標(biāo)的圖像處理及計(jì)算單元。該方法包括圖像獲取步驟、圖像處理及計(jì)算步驟、基于4個(gè)有色標(biāo)識(shí)和作業(yè)車方位角的定位計(jì)算步驟。該發(fā)明可代替或補(bǔ)償GPS在一些特殊場(chǎng)合進(jìn)行定位，精度高、運(yùn)行速度快、使用范圍廣、實(shí)用性強(qiáng)、價(jià)格便宜。
文檔編號(hào)H04N5/225GK102129679SQ20101056871
公開(kāi)日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2010年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月2日
發(fā)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(qǐng)人:湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)