基于可見光定位導航的室內機器人的制作方法

本實用新型涉及機器人的研究領域，特別涉及一種基于可見光定位導航的室內機器人。

背景技術：

近年來，全球工業機器人銷量大幅增加。同時，服務型機器人發展迅速，應用范圍日趨廣泛。國家工業和信息化部、發改委、財政部三部委在2016年3月21日聯合印發了《機器人產業發展規劃(2016－2020年)》，強調大力發展機器人產業。

面向室內應用的智能機器人是其中一個重要發展方向。但室內機器人目前面臨的最大問題是定位導航問題。假如用金字塔來表示機器人技術，那么定位導航作為最底層技術，正是構建整個機器人的核心關鍵。常見的定位導航方法中，電磁導航簡單且比較成熟，成本雖低，但鋪設麻煩；利用WiFi、藍牙、UWB等射頻技術進行定位，其信號容易衰減，精度差；利用視覺技術進行導航，計算量高且定位速度慢，實時性差。

技術實現要素：

本實用新型的主要目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種基于可見光定位導航的室內機器人，能夠利用室內照明LED燈實現機器人室內定位以及導航行走。

為了到達上述目的，本實用新型采用以下技術方案：

本實用新型的一種基于可見光定位導航的室內機器人，包括用于發送定位信息的可見光定位發射單元、用于接收可見光信號進行定位和導航的可見光定位接收單元、驅動機器人運動的驅動單元、用于機器人運動的機械結構單元、用于監測外部環境的感知單元、用于獲取圖像信息的計算機視覺單元、機器人微型計算機單元、控制顯示面板單元以及電源；

所述的可見光定位發射單元與日常照明LED燈集成，安裝在室內天花板；所述的可見光定位接收單元與機器人微型計算機單元直接相連，放置于整套機器人系統的頂部，朝向正上方；所述的驅動單元與機器人微型計算機單元直接相連；所述的機械結構單元與驅動單元相連；所述的計算機視覺單元與機器人微型計算機單元直接相連，安裝于機器人系統正前方；所述的感知單元與機器人微型計算機單元直接相連，安裝在機器人周邊；所述的控制顯示面板單元與機器人微型計算機單元直接相連，安裝在機器人背部；所述的電源直接供應整套機器人系統的用電。

作為優選的技術方案，所述可見光定位發射單元包括開關鍵控信號調制單元、用于驅動LED進行照明和可見光通信的LED電路驅動單元、以及用于照明和發送可見光定位信號的LED燈具單元；所述開關鍵控信號調制單元與LED驅動電路連接，所述LED驅動電路集成在LED燈具單元上。

作為優選的技術方案，所述LED燈具單元包括多個LED燈具，每個LED燈具對應唯一編號，LED燈具單元安裝好之后，每個LED燈具的位置信息與該LED的編號唯一對應。

作為優選的技術方案，所述的可見光定位接收單元包括CMOS圖像傳感接收器，用于對安裝在室內正上方的可見光定位發射信號光源成像以獲得當前的空間坐標信息，從中提取帶編號信息的可見光信號進行定位和導航。

作為優選的技術方案，所述的驅動單元包括電機和電機驅動，由機器人微型計算機單元控制驅動單元，從而驅動機械結構單元從而帶動機器人的運動。

作為優選的技術方案，所述機械結構單元包括機器人底盤、輪胎以及機械臂。

作為優選的技術方案，所述感知單元包括溫度傳感器、濕度傳感器、PM2.5傳感器、火焰傳感器、分貝傳感器、超聲波模塊、以及紅外感應傳感器，用于獲取外界環境的各項參數，實現對外部環境的實時監測。

作為優選的技術方案，所述計算機視覺單元包括攝像頭，對當前路徑下的場景進行成像，對環境障礙物進行檢測，幫助機器人規避障礙或監控周圍環境。

作為優選的技術方案，所述控制顯示面板單元采用觸控式的人機交互界面。

作為優選的技術方案，所述機器人微型計算機單元采用卡片式嵌入式計算機，所述卡片式嵌入式計算機包括樹莓派、BeagleBone Black、以及香蕉派計算機。

本實用新型與現有技術相比，具有如下優點和有益效果：

1、本實用新型實現了一種基于可見光定位導航的室內機器人，能夠利用室內照明LED燈實現機器人室內定位以及導航行走，能夠部署于酒店、車間、辦公場所或者大型展館等。由于可見光信號對電磁免疫，既不會產生射頻干擾也不受射頻干擾，因此還可以部署在對電磁輻射有嚴格限制的場景，如醫院、精密電子環境等地方，應用場景十分廣闊。

2、本實用新型應用可見光技術進行定位，對比其他基于射頻技術的室內定位技術，具有精度高、定位速度快、算法復雜度低、實時性好等特點，能夠滿足在機器人運動的情況下實時精準定位和導航等需求。

附圖說明

圖1是本實用新型基于可見光定位導航的室內機器人的模塊連接關系示意圖。

圖2是本實用新型中可見光定位發射單元模塊連接圖；

圖3是本實用新型中可見光定位發射單元集成OOK信號調制單元與LED電路驅動單元的LED恒流調制驅動電路原理圖；

圖4是本實用新型中可見光定位接收單元對帶編號信息的可見光信號進行逐行曝光成像所獲取的條紋圖像示意圖。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述，但本實用新型的實施方式不限于此。

實施例

如圖1所示，本實用新型公開了一種基于可見光定位導航的室內機器人，其中，包括用于發送定位信息的可見光定位發射單元、用于接收可見光信號進行定位和導航的可見光定位接收單元、驅動機器人運動的驅動單元、用于機器人運動的機械結構單元、用于監測外部環境的感知單元、用于獲取圖像信息的計算機視覺單元、機器人微型計算機單元、控制顯示面板單元、以及電源等。

所述的可見光定位發射單元與日常照明LED燈集成，安裝在室內天花板；所述的可見光定位接收單元與機器人微型計算機單元直接相連，放置于整套機器人系統的頂部，朝向正上方；所述的驅動單元與機器人微型計算機單元直接相連；所述的機械結構單元與驅動單元相連；所述的計算機視覺單元與機器人微型計算機單元直接相連，安裝于機器人系統正前方；所述的感知單元與機器人微型計算機單元直接相連，安裝在機器人周邊；所述的控制顯示面板單元與機器人微型計算機單元直接相連，安裝在機器人背部；所述的電源直接供應整套機器人系統的用電。

如圖2所示為本實用新型中所述的可見光定位發射單元，包括開關鍵控(OOK)信號調制單元、用于驅動LED進行照明和可見光通信的LED電路驅動單元、以及用于照明和發送可見光定位信號的LED燈具單元；所述發射單元將LED燈具的唯一編號進行信號調制以后，輸出連續的調制波形，驅動LED光源發光并傳輸信號；LED燈具在安裝后，其安裝位置信息(X,Y)與LED燈具的編號唯一對應。

如圖3所示為本實用新型可見光通信裝置中集成了OOK信號調制單元與LED電路驅動單元的LED恒流調制驅動電路，其作用是根據輸入的比特信息DIM控制LED燈的開和關，從而驅動LED燈具進行照明和發射可見光通信信號。本實施例中，采用具有高調光比的LED恒流驅動芯片PT4115，其輸入電壓范圍從8伏到30伏，輸出電流可通過外置的電流采樣電阻設置，最大驅動電流可達1.2安培，并具有5％的輸出電流精度。PT4115芯片采用高端電流采樣設置LED平均電流，并通過DIM引腳可以接受模擬調光和寬范圍的PWM調光，最大PWM調光頻率可達50KHz。PT4115芯片內置功率開關，當DIM的電壓低于0.3伏時，功率開關關斷，LED熄滅，PT4115芯片進入極低工作電流的待機狀態，因此OOK信號調制單元輸出的調制信號從DIM腳輸入即可驅動LED燈具單元實現照明并發出調制過的可見光定位信號。

上述的可見光定位接收單元主要包括逐行曝光CMOS圖像傳感器，用于對安裝在室內正上方的可見光定位發射光源以快速成像的方式獲得條紋圖像，從中獲得可見光定位燈具的編號并進一步得到當前的空間坐標信息，從而支持室內定位與導航。

上述的驅動單元主要包括電機和電機驅動，由機器人微型計算機控制驅動單元，用于驅動機械結構單元從而帶動機器人的運動。

上述的機械結構單元與驅動單元相連,主要包括機器人底盤、輪胎、機械臂等元件。

上述的感知單元包含溫度傳感器，濕度傳感器，PM2.5傳感器，火焰傳感器，分貝傳感器，超聲波模塊，紅外感應傳感器等，用于獲取外界環境的各項參數，實現對外部環境的實時監測，其中的超聲波模塊和紅外感應傳感器等，還用于及時對一定距離內的障礙物以及行人進行判斷識別，避免機器人與外界發生碰撞。

上述的計算機視覺單元主要包含攝像頭，對當前路徑下的場景進行成像，對行人進行檢測，幫助機器人規避障礙或監控周圍環境。

上述的控制顯示面板單元用于人機交互，實現對機器人系統進行控制，同時實時顯示機器人系統當前狀態信息。

上述的機器人微型計算機單元用于獲取感知單元所有傳感器的值，在控制顯示面板中實時顯示各項參數，控制機器人在行走運動時躲避障礙，同時獲取計算機視覺單元采集的圖像/視頻并進行分析處理，幫助機器人更好地預測和規避環境障礙物。

上述的電源用于對整套機器人系統進行供電。

本實施例中，上述基于可見光定位導航的實現方法如下：

所述可見光定位接收單元的CMOS圖像傳感器是一種感光像素逐行曝光的成像器件，其工作原理上具有卷簾快門效應，即不同行像素的曝光成像在時間上有先后次序。由于攜帶了定位信息的可見光信號是經過OOK調制的信號，光信號強度在時間上對應于信息比特也按序變化，即可見光定位發射單元的照明LED燈具將對應于信息比特依次亮/滅交替。如圖4所示，采用具有卷簾快門效應的CMOS圖像傳感器對可見光定位發射單元的照明LED燈具進行逐行曝光成像，就可以獲得與信息比特0/1對應的暗/明(黑/白)條紋圖像；判斷條紋的黑/白可以得到一串0/1信號，從而解析出條紋所包含的光源身份識別信息，該信息應包含所成像的可見光定位LED燈具編號信息。根據所獲取的可見光信號光源的編號信息，機器人微型計算機查詢所存儲的“編號-位置”對應關系即可獲得當前所處室內位置信息。

機器人微型計算機在獲取機器人當前所在的室內空間位置(X,Y)后，將當前位置信息進行更新存儲并實時導航。

上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內。