[发明专利]一种光学成像式轮式移动机器人方位的检测方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学成像式轮式移动机器人方位的检测方法及其装置，属于运动定位技术领域。

背景技术

随着社会发展和科技进步，机器人在当前生产生活中得到了越来越广泛的应用。轮式移动机器人由于其具有自重轻、承载大、机构简单、驱动和控制相对方便、行走速度快、机动灵活、工作效率高等优点，被大量应用于工业、农业、军事、医院、家庭、空间探测等领域。

轮式移动机器人要完成指定的任务，首先要在移动过程中实时感知当前的位置和方位，并不断与目标位置和方位比较，控制移动机构进行相应的调整，最终到达目标位置，从而有效完成任务。检测移动机器人位置和方位的方法分为两类：自主检测法和参照物检测法。参照物检测方法要依赖磁条、路标、信标（如GPS信号）等外部参照物或参照信号来确定位置和方位，需要建立和维护参照物或参照信号；自主检测方法不需要在外部设立参照物或参照信号，利用机器人相对地球表面的运动来确定位置和方位，检测装置全部安装在机器人内部，工作时不依赖外部信息，因此不易收到外界干扰的影响。

常用自主检测法主要有两种：

（1）基于惯性传感器的测量方法。依据牛顿惯性原理，利用安装在移动机器人内部的加速度计和陀螺，分别测量机器人本身相对地球表面的线加速度和角加速度，对测量结果进行积分，从而计算出机器人移动的距离及方位变化。其缺点是：由于加速度的常值误差将引起与时间平方成正比的测量误差，因此任何小的常值误差都会随时间而无限增大，长期精度很差；每次使用之前需要较长的初始对准时间；惯性测量设备的结构复杂，价格较昂贵。

（2）基于编码器的测量方法。利用安装在轮式移动机器人驱动系统中的编码器分别测量左、右驱动轮的转动角度，然后根据左、右驱动轮的转动角度推算出左、右驱动轮走过的距离，最后估算出机器人的位置和方位。基于编码器的测量方法结构相对简单、成本较低，但由于左、右驱动轮的实际直径不完全相等、有效轮距也在随时变化，因此基于编码器的测量方法的常值误差和测量误差也会随时间不断积累，长期精度也很差。如果出现驱动轮打滑现象，基于编码器的测量方法完全失效。

上述两种位置和方位自主测量方法获得的测量结果是间接测量值。基于惯性传感器的测量结果是根据惯性传感器的加速度直接测量值间接计算出来的，测量结果不仅与惯性传感器加速度有关，而且还与时间的平方成正比；基于编码器的测量结果是根据编码器角位移直接测量值间接计算出来的，测量结果不仅与编码器角位移有关，而且还与驱动系统传动比、驱动轮直径及轮间距等参数有关。因此，时间、驱动系统传动比、驱动轮直径及轮间距等参数的估算误差都会传递到位置和方位的测量结果中，这些估算误差会随时间不断积累，导致上述两种测量方法的测量结果误差越来越大，长期精度变低。

发明内容

本发明的目的是提出一种光学成像式轮式移动机器人方位的检测方法及其装置，以克服现有技术中存在的定位测量误差随时间累计而无限增大导致的长期测量后定位精度变低的问题，以提高轮式移动机器人位置和方位的长期检测精度。

本发明提出的光学成像式轮式移动机器人方位的检测方法，包括以下步骤：

（1）在轮式移动机器人车体的底部安装一个摄像机，用于按设定的采样周期拍摄地面图像，并将拍摄的图像传输给图像处理器；

（2）设定一个地面坐标系xoy，设定一个移动机器人的坐标系XOY，初始位置时两个坐标系重合；

（3）图像处理器连续接收摄像机输出的地面图像，在第一帧地面图像中设定两个特征点M和N，则两个特征点M和N在坐标系XOY中的坐标分别为（X_m0，Y_m0）和（X_n0，Y_n0），两个特征点M和N在第二帧图像中的坐标系XOY中的坐标分别为（X_m1，Y_m1）和（X_n1，Y_n1），通过计算，得到机器人相对地面坐标系的旋转角度△θ₁：

△θ₁=arc tan[（|tanα-tanβ|）/（1+tanα×tanβ）]，