专利名称：一种作业车道路自动导航定位装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于计算机视觉图象处理应用领域，涉及一种作业车道路自动导航定位装置。
背景技术：
目前，人们对机械的自动化程度要求越来越高；机械自动化作业及其机器人的发展是未来机械化发展方向；定位对自动作业车辆、机器人来说，非常重要。车辆、机器人在自动作业时，必须知道自己的位置，才可以决定机器人能否按要求完成下一步的执行任务。图像处理技术定位从图像中抽出特征从控制的范围分为局部定位和全球定位；局部定位运用于一定范围内的作业，计算机图象处理一般抽取有特色的特征物作为定位的基准，特征物分为自然物体和人工设置；全球定位，比如现在流行使用的GPS技术。从定位的性质分为几何定位和拓扑定位。几何定位能知道机器人的具体位置，拓扑定位是确定机器人在一定的可允许的范围路径内，并不知道详细的几何位置；对于各种机器人的定位研究不少，现在用于室外的机器人及车辆的定位基本上运用GPS技术，该定位技术误差比较大；在树林、房屋遮掩区域，因微波信号不能传输而不能使用；另外近年来一种在GPS技术上发展的RTK-GPS 技术，精度较高，但是价格昂贵。普通的车辆和作业机械尤其是农业机械及农业运输车，作业环境场所面积比较恶劣，尤其温室作业，GPS技术根本不可能实现自动导航定位。全方位视觉传感器是一种新型的视觉传感器，它能提供360度范围的丰富的信息，图像不会随传感器的旋转改变图像，有利于减少车轮滑移和震动的部分负面影响，而且价格便宜，被广泛应用在机器人领域；在机器人定位方向也得到了应用，但其使用原理和方法一般是在作业环境中人工设置特征物体或利用自然的特征物体，通过图像处理技术抽取特征值，然后通过图像匹配找到特征点或特征点区域来分析拓扑定位；该定位一般计算过程复杂、运行时间长，实用性不太好。发明专利一种自动导航定位装置及方法(申请号 200910044412. 4)，针对作业的车辆、机器人，尤其是作业环境比较固定，田间、温室、厂房等，以及GPS技术不能使用的区域，利用全方位视觉传感器和计算机视觉图像处理技术开发的一种自动导航定位装置及方法，该实用新型可代替GPS在一些特殊场合进行定位，运行速度较快、使用范围广、实用性强、价格便宜。该发明使用了 4个标识配合全方位视觉传感器来完成定位；由于田间道路较窄，布置4个标识费时，妨碍农业机械的行驶、GPS价格贵且存在使用限制等缺点。

实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提出一种作业车道路自动导航定位装置，该作业车道路自动导航定位装置可代替GPS进行定位，运行速度较快、使用范围广、实用性强、 价格便宜。本实用新型的技术解决方案如下一种作业车道路自动导航定位装置，在在作业车所行使的道路的同一侧设定2个有色标识，在待定位的作业车上设有用于拍摄全方位图像的全方位视觉传感器，在作业车上还设有微处理器，微处理器中包含有1)用于从全方位图像中获取投影中心到2个有色标识的距离rl和r2、以及根据全方位图像获得2个有色标识与全方位视觉传感器形成的方位角度Q1的图像处理单元和幻用于采用作业车道路自动导航定位方法最终求出定位坐标的定位坐标计算单元。所述的全方位视觉传感器采用双曲面透镜。所述的作业车道路自动导航定位方法，包括以下步骤步骤1 准备工作在道路的同一侧设定2个有色标识L1和L2，在待定位的作业车上设有全方位视觉传感器，全方位视觉传感器拍摄当前的包含有2个有色标识成像的全方位图像；步骤2 测量在全方位图像中的投影中心分别到2个有色标识成像的成像实际距离，进而根据以下公式算出现实环境中作业车分别到2个有色标识的距离rl和r2 ；并根据全方位图像获得2个有色标识与全方位视觉传感器形成的方位角度θ工；
由成像实际距离计算空间距离的公式如下
‘ ▽广Λ2
-rIcxi__2cx0xf
HX- f + χ H
- = 1,X, > ο ；
xj+ XiH
b2a2
其中a，b，c为全方位视觉传感器的双曲面表面的结构参数，f为焦距；H为当前的全方位视觉系统的高度；a，b，c，f和H均为定值；Xi为成像实际距离，即某一有色标识所在的空间点P在全方位图像中的成像点到全方位视觉传感器投影中心的距离；X0为空间距离，即全方位视觉传感器到该有色标识的空间距离；步骤3 求出3个候选位置的坐标(xn，yn)、(xI2, yI2)和(xI3，yI3)；步骤4 根据3个候选位置的坐标求出定位坐标，定位完成根据下式求出定位坐标(Xl，Y1)，即完成作业机械在田间道路的几何定位，
(X11 + X12 + X13)/
X1 =
'3
ν -(γ! +yG +Yd)/ Υι _/3步骤3中，3个候选位置的坐标的求取方法如下首先，以某一个有色标识为原点，以两个标识的连线作为平面坐标的一个坐标轴， 建立实际环境的平面坐标系；(Xa，ya)为标识L1在所述平面坐标系中的位置坐标，( ，yb) 为标识L2在所述平面坐标系中的位置坐标；I)第一候选位置Il的坐标的求法
(xn-xa)2+(yn-ya)2 根据公式
2
rI
2得到两个位置坐标的解，再根据道路幅
.(xIl -Xb)2 +(Yn - Yb)2 =Γ2 宽限制这一约束条件和有色标识设置在道路的同一侧原则，确定其中的一个解为第一候选位置Il的坐标(xn，yn) ；rl和r2也表示作业车分别到2个有色标识的连线； II)第二个候选位置12的坐标(X12，yI2)为
4χ =L — r cosG^ β 12 / ，其中，L12为有色标识1^和L2的几何直线距离，同时L12也表
Yi2 = Γιδ ηθ
示两个有色标识的连线，θ为1^与L12形成的夹角；sine = Vl-COS2B，cos θ = (ri2+L122-X2) / 2 L 12r ,,
χ = I1Cose1 + Vfccose1)2 -112 + L122，其中X为三角形中θ角的对边；III)第三个候选位置13的坐标0cI3，yI3)为 Γ xI3 = L12 _ r2cos r、 _ .;其中，j-
.Y β = T2Sinflr ， Sina = ViI-COS2Ar,cosa = (r22+L122-X' 2) 2L12r2 ；X' = T2COSG1 + ^COSdJ - r/ + L1/ ；式中， 为巧与L12形成的中间夹角；X'为三角形中α角的对边。道路幅宽限制指主要是指程序设计中，比如路宽2m，那么求出的值必须小于2m， 而且必须为正数。说明，求X利用的条件是方位角度91和距离1^1，乂并非1>成像实际距离的求取方法为首先计算有色标识成像到全方位视觉传感器投影中心的成像像素距离，再将该成像像素距离乘以标定像素距离计算成像实际距离。标定像素距离为0. 01389inch/pixel。本实用新型的工作原理是所述田间道路自动导航定位装置包括通过三脚架安装在作业机械上的全方位视觉传感器、分别设置于道路一边的2个有色标识、计算机及与计算机连接的电源；所述全方位视觉传感器包括上盖，下盖、曲面镜面、中心针、透明外罩、USB 摄像机和用于与计算机通讯的USB线组成；所述曲面镜面与所述上盖粘合在一起，所述上盖螺纹式旋紧所述透明外罩上；所述下盖是中间空心并伸出约4mm螺口连接所述USB摄像机镜头；所述曲面镜面包括球面、抛物线曲面和双曲线曲面，其特点是单一视点，采集大范围的数据；所述透明外罩套住在曲面镜面的外部，起支撑曲面镜面和防止灰尘的作用；所述中心针螺在上盖上，穿过并紧密粘合曲球面中心，能有效的防止镜面反射；通过螺纹连接在透明外罩上的USB摄像机镜头连接有调焦螺纹，该USB摄像机的信号输出端通过USB线连接至计算机。所述标识，设计外形圆形或圆锥形的人工有色标识；所述有色，由蓝色和红色组成；并在标识内安装灯光来增加颜色亮度，并且采用遮光板分为二等分，避免2个标识以上的混淆。该计算机作为整个装置的控制中心包括硬件和软件，软件包括实现图像采集、 处理、计算和分析功能软件及向作业机械发布导向实施参数控制程序。该计算机借助作业机械发电不停供应电源。相应的，该田间道路自动导航定位装置采取的田间道路自动导航定位方法包括标识设置、图像数据输入、图像处理及计算和结果输出四个步骤所述标识设置包括在田间道路的一边设置2个有色标识，每两个标识间设置距离为20m ；所述图像数据输入，通过全方位视觉传感器实时拍摄图像，将图像通过实时接口输入计算机；所述全方位视觉传感器提供的图像是360度信息，信息量大，图形成圆形。离全方位视觉传感器中心越远，图像的分辨率变低；并且在长度上发生变形，因此，图像分析比较复杂，但该全方位视觉传感器的一大优点为其方位角不发生变化。所述图像处理及计算，是本实用新型的创新部分之一；首先，针对输入计算机的全方位图像计算图像中有色标识颜色的强度；根据实验设定的颜色阈值；逐行对上述采集到的图像进行扫描，抽取高于阈值的颜色特征像素；根据欧几里得距离判断分成特征像素点区域；计算红色和蓝色像素点区域的像素点的重心；然后根据红色像素点重心和蓝色像素点重心的距离判断是否为标识。最后根据所有红色和蓝色像素特征点的重心作为一个有色标识在该图像的位置；依次完成整幅图像的扫描，搜索出2个有色标识在图像中的位置；如果有色标识特征点提取只有一个或者没有，则返回上一步操作， 进行下个位置特征点图像的分析；如果提取了有色标识特征点为2个，则根据提取到的2个有色标识在图像中的位置一则通过图像处理得出每相邻两个有色标识和全方位视觉传感器形成的方位角度；其二，根据全方位视觉传感器在图像中的位置，计算出两个有色标识分别在图像中离全方位视觉传感器的图像距离，从而根据全方位视觉传感器成像参数公式变换得出两个有色标识与全方位视觉传感器间的空间距离；再根据已知的两个有色标识的空间位置，利用圆周定理求出全方位视觉传感器的2个空间候选位置，根据道路幅宽的限制， 选取其中可行的一个候选位置；其三，结合标识和全方位视觉传感器形成的方位角度和根据成像参数公式变换得出两个有色标识与全方位视觉传感器间的空间距离的三角关系，得出全方位视觉传感器的另外2个空间候选位置；最后，根据其二和其三求出的三个候选位置坐标的平均值即为全方位视觉传感器在空间上的坐标，即是作业机械在田间道路的几何定位；根据作业机械自身坐标和空间坐标的关系，计算出导向角和导向距离；结果输出，依据上述步骤得到的导向角和导向距离控制作业机械的行走路线。当有色标识的内部安装上照明设备，采用玻璃、透明塑料等材料，采用本实用新型在光线弱或夜间也可以操作。有益效果本实用新型的作业车道路自动导航定位装置，根据全方位视觉传感器在线实时不断提供全方位视觉图像，一个位置一副图像，利用图像处理提取标识在图像中的位置，计算图像距离和空间距离；结合借助全方位视觉传感器成像方位角不改变的原理，得出方位角， 共同算出全方位视觉传感器在田间道路相对于标识的空间绝对坐标；更进一步，根据车辆、 机器人自身坐标和空间坐标的关系，算出导向角和导向距离，为作业车的导航提供必要的定位信息。该方法相比其它定位方法简单，运行速度快，实用性强，所述自动导航定位装置结构简单，成本不高，便于推广运用。根据全方位视觉传感器的成像原理，通过图像处理，相比于通过图像处理得到的两点的距离，得出的方位角度Q1是非常准确的，因此为了减少误差，提高定位精度，本实用新型利用方位角度Q1，最后求出3个候选点的平均值作为定位坐标。

图1是田间道路自动导航定位装置的结构示意图；图2是全方位视觉传感器结构示意图；图3是田间道路自动导航定位方法的实施步骤图；图4是有色标识方向角示意图图；图5是全方位视觉传感器点成像原理示意图；[0045]图6是装置系统高度和全方位视觉传感器与标识空间距离、成像距离的关系式推导示意图；图7是定位计算候选点Il计算原理图；图8是定位计算候选点12计算原理图；图8是定位计算候选点13计算原理图；图10是定位计算原理图。在上述图中，1-标识L1 2-田间道路3-作业机械4-标识L2 5_三脚架6_电源7_计算机 8-全方位视觉传感器9-曲型镜面10-中心针s Il-USB摄像机12-USB线13-调焦螺纹14-镜头15-下盖16-透明外罩17-上盖18-标识设置19-图像数据输入20-图像处理及计算21-结果输出30-成像平面，40-双曲面。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明一种田间道路自动导航定位装置，包括安装于作业机械上的全方位视觉传感器、 分别设置于道路一边的2个有色标识、与全方位视觉传感器的信号输出端连接的计算机及用于给计算机供电的电源。所述全方位视觉传感器包括上盖、下盖、透明外罩、中心针、曲面镜面、USB摄像机和用于与计算机通讯的USB线，其中上盖、下盖分别安装于透明外罩两端；上盖底部安装有中心针，该中心针穿过并紧贴曲面镜面中心位置；透明外罩支撑粘合在上盖上的曲面镜面； 通过调焦螺纹连接于USB摄像机上的USB摄像机镜头与下盖连接。所述标识，设计外形圆形或圆锥形的人工有色标识，所述有色，包括蓝色和红色； 并在标识内安装灯光来增加颜色亮度，并且采用遮光板分为二等分，避免2个标识以上的混淆。本实用新型还提供了一种与上述自动导航定位装置相应的自动导航定位方法，包括标识设置、图像数据输入、图像处理及计算和结果输出，所述标识设置包括在田间道路的一边设置2个有色标识，一般根据全方位视觉传感器成像原理，每两个标识间距离至少可设置为20m ；所述图像数据输入包括通过全方位视觉传感器实时拍摄包括有色标识在内的图像并输入计算机；所述图像处理及计算包括首先，针对输入计算机的全方位图像计算图像中有色标识颜色的强度；根据计算设定的颜色阈值；逐行对上述采集到的图像进行扫描，抽取高于阈值的颜色特征像素；根据欧几里得距离判断分成特征像素点区域；计算红色和蓝色像素点区域的像素点的重心；然后根据红色像素点重心和蓝色像素点重心的距离判断是否为标识。最后根据所有红色和蓝色像素特征点的重心作为一个有色标识在该图像的位置；依次完成整幅图像的扫描，搜索出2个有色标识在图像中的位置A)如果有色标识特征点提取只有一个或者没有，则返回上一步操作，进行下个位置特征点图像的分析；B)如果提取了有色标识特征点为2个，则根据提取到的2个有色标识在图像中的位置1)通过图像处理得出两个有色标识和全方位视觉传感器形成的方位角度；2)根据全方位视觉传感器在图像中的位置，计算出两个有色标识分别在图像中离全方位视觉传感器的图像距离，从而根据成像参数公式变换得出两个有色标识与全方位视觉传感器间的空间距离；再根据已知的两个有色标识的空间位置，利用圆周定理求出全方位视觉传感器的2个空间候选位置，根据道路幅宽的限制，选取其中可行的一个候选位置；3)结合标识和全方位视觉传感器形成的方位角度和根据成像参数公式变换得出两个有色标识与全方位视觉传感器间的空间距离的三角关系，得出全方位视觉传感器的另外2个空间候选位置；4)2)和幻求出的三个候选位置坐标的平均值即为全方位视觉传感器在空间上的坐标，即是作业机械在田间道路的几何定位；根据作业机械自身坐标和空间坐标的关系，计算出导向角和导向距离；结果输出，依据上述步骤得到的导向角和导向距离控制作业机械的行走路线。实施例1 如图1，本实施例包括2个红色标识，如图中标识L1、标识L2,其分别设置在田间道路同一侧的路边上，标识L1和标识L2间距离设置为20m ；全方位视觉传感器通过三脚架连接在作业机械上，所述作业机械可为自动、半自动机械或机器人；作业机械要不断地供给计算机电源以实施应用软件对图像的处理。如图2，所述全方位视觉传感器包括曲面镜面、中心针、USB摄像机、USB线、调焦螺纹、镜头、下盖、透明外罩和上盖；曲面镜面与所述上盖粘合在一起；所述上盖螺纹式旋紧所述透明外罩上；所述下盖是中间空心并伸出4mm螺口连接所述USB摄像机镜头；所述透明外罩套接于曲面镜面外部，以支撑曲面镜面，并起防止灰尘的作用；所述中心针通过螺纹连接在上盖上，穿过并紧密粘合曲面镜面中心，能有效防止镜面反射；USB摄像机镜头螺纹连接在下盖上，调焦螺纹安装于USB摄像机镜头上，所述USB摄像机镜头的信号输出端通过 USB线与计算机连接。如图3，本实施例所述田间道路自动导航定位方法，包括实施步骤标识设置、图像数据输入、图像处理及计算和结果输出。具体描述如下标识设置作业机械作业前，在田间道路同一侧的路边上，放置2个有色标识L1和标识L2,并设置距离为20m。图像数据输入通过全方位视觉传感器实时拍摄360度图像，一个地点仅一幅图像，并通过实时接口输入计算机内的储存器中。图像处理及计算将输入的图像从储存器调入程序中运行；逐行对图像进行扫描，利用公式(1)分别计算图像中红色和蓝色像素强度(标识采用红色或蓝色或红色/蓝色组合色标识)，根据实验值设定红色和蓝色组合标识提取颜色量的阈值，当计算图像中的红色像素点强度大于设定红色量阈值时，即为红色特征像素点；当计算图像中的蓝色像素点强度大于设定蓝色量阈值时，即为蓝色特征像素点；抽取出红色和蓝色特征像素点。根据任意标识在图像中最大红色像素距离设置红色像素距离最大值，计算抽取出红色像素间欧几里得距离，当红色像素间欧几里得距离小于红色距离最大值时判断为一个红色特征像素点区域；根据任意标识在图像中最大蓝色像素距离设置蓝色像素距离最大值，计算抽取出蓝色像素间欧几里得距离，当蓝色像素间欧几里得距离小于红色距离最大值时判断为一个蓝色特征像素点区域；依次完成整个图像的特征像素点区域分区。[re, be] = [R- (B+G) /2-1B-G |，B- (R+G) /2-1 R-G | ] (1)R、G、B 红色、绿色和蓝色的亮度；re 提取红色像素亮度；be 提取蓝色像素亮度。在图像上以左上角为原点，定义直角坐标系u，v，每个像素的坐标(u，v)分别以该像素为单位；利用公式( 计算红色和蓝色特征像素点区域的像素点的重心；然后计算红色特征像素点区域像素点重心和蓝色特征像素点区域像素点重心的距离；根据红色特征像素点区域像素点重心和蓝色特征像素点区域像素点重心的距离约束值(距离约束值借助经验值通过实验验证)判断是否为标识，当计算红色特征像素点区域像素点重心和蓝色特征像素点区域像素点重心的距离在距离约束值范围之内，即判断为一个标识；否则判断不是标识。
权利要求1.一种作业车道路自动导航定位装置，其特征在于，在在作业车所行使的道路的同一侧设定2个有色标识，在待定位的作业车上设有用于拍摄全方位图像的全方位视觉传感器，在作业车上还设有微处理器，微处理器中包含有1)用于从全方位图像中获取投影中心到2个有色标识的距离rl和r2、以及根据全方位图像获得2个有色标识与全方位视觉传感器形成的方位角度θ工的图像处理单元和2)用于根据权利要求2的农业机械的田间道路自动导航定位方法最终求出定位坐标的定位坐标计算单元。
2.根据权利要求1所述的作业车道路自动导航定位装置，其特征在于，所述的全方位视觉传感器采用双曲面透镜。
专利摘要本实用新型公开了一种作业车道路自动导航定位装置，在作业车所行使的道路的同一侧设定2个有色标识，在待定位的作业车上设有用于拍摄全方位图像的全方位视觉传感器，在作业车上还设有微处理器，微处理器中包含有1)用于从全方位图像中获取投影中心到2个有色标识的距离r1和r2、以及根据全方位图像获得2个有色标识与全方位视觉传感器形成的方位角度θ1的图像处理单元和2)用于根据农业机械的田间道路自动导航定位方法最终求出定位坐标的定位坐标计算单元。该作业车道路自动导航定位装置可代替或补偿GPS进行定位，运行速度较快、使用范围广、实用性强、价格便宜。
文档编号G01C21/26GK202033041SQ20112001126
公开日2011年11月9日 申请日期2011年1月14日 优先权日2011年1月14日
发明者戴思慧, 李明 申请人:湖南农业大学