[發明專利]三維封閉非結構空間內膠囊機器人及待測目標的相對定位方法

有效

• 申請號: 201810285619.X
• 申請日: 2018-03-28
• 公開（公告）號: CN108759812B
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發明（設計）人: 張永順;楊慧遠;田豐;王殿龍
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: A61B1/00
• 分類號: A61B1/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

本發明屬于自動化工程技術領域，涉及三維封閉非結構空間內膠囊機器人及待測目標的相對定位方法。將膠囊機器人定點懸停調姿時所獲得的實時圖像通過無線傳輸至人機交互界面，運用圖像處理，對獲取的圖像進行目標特征點的識別與提取，并根據單目視覺測距原理將目標區域到攝像機的距離轉化為攝像機光心到具體特征點的距離。通過改變磁矢量軸線方位帶動膠囊攝像機原地進行待測區域特征目標的搜索，根據攝像機圖像確定膠囊機器人和待測目標相對于參考位置的空間距離，結合膠囊機器人兩次獲得目標特征時的俯仰角和側擺角信息，以及膠囊機器人與待測目標相對參考位置的空間幾何關系，確定膠囊機器人與待測目標相對待測區域某參考位置的定位方法。

技術領域

本發明屬于自動化工程技術領域，涉及三維封閉非結構空間內膠囊機器人及待測目標的相對定位方法。

背景技術

移動機器人的定位問題，特別是在未知、復雜、動態的非結構環境中(如人體胃腸道)的定位問題是當前移動機器人研究領域亟待解決的關鍵問題。

現有自主移動機器人的定位技術可分為以下幾種：1.基于路標的定位技術。路標是指具有明顯特征的，能夠被移動機器人傳感器識別的特殊物體，路標在全局環境中具有固定和已知的位置，移動機器人定位的主要任務就是可靠辨識路標，并計算出移動機器人的位置，其定位精度的高低取決于對路標的識別以及位置信息的準確提取程度。然而在封閉狹窄非結構環境中，其環境信息通常都是未知的，通過人為設置具體的路標來更不現實，因此這種方法無法適應三維封閉非結構空間內移動機器人的定位需求。2.基于概率方法的移動機器人定位技術。該方法的理論基礎是貝葉斯濾波BF(Bayesian Filter)概率定位方法，其核心思想為用傳感器測量數據去估計一個動態環境的未知狀態，并以當前為止收集到的數據為條件，遞歸估計狀態空間后驗概率密度，并可具體分為卡爾曼濾波方法、馬爾可夫方法和多假設跟蹤MHL方法。卡爾曼濾波算法是一種高效、高精度的局部定位方法，其約束條件太多，只能表示單值的概率分布，無法解決全局定位和機器人的誘拐問題。馬爾可夫方法雖然適合全局定位，但是需處理大量的概率數值，且定位精度不高，而多假設跟蹤MHL方法由于依賴于卡爾曼濾波的線性假設，其實際實現性較差。3.基于地圖的定位技術。該定位方法的核心在于通過機器人感知獲取的局部環境信息與已知地圖中的環境信息進行匹配，從而實現機器人自身位置的辨別。由于該定位方法需建立工作環境的地圖信息，而在未知、復雜、非結構的動態環境中，通常無法提前構建移動機器人定位所需的地圖信息。

為實現三維封閉非結構動態環境中膠囊機器人的定位，我們課題組在已有國家發明專利“一種主被動雙半球形膠囊機器人及其姿態調整與轉彎驅動控制方法”(專利申請號：201510262778.4)和“一種空間萬向旋轉磁場人機交互控制方法”(專利號：ZL201610009285.4)的基礎上，結合雙半球膠囊機器人定點懸停調姿功能和人機交互控制方法，提出磁場與視覺共融的膠囊機器人定位法。

具體以磁驅雙半球膠囊機器人在懸停調姿下的定點全景觀察功能為手段，借助磁場與視覺共融的人機交互功能，將膠囊機器人定點懸停調姿時所獲得的實時圖像通過無線傳輸至人機交互界面，運用圖像處理對獲取的圖像進行目標特征點的識別與提取，并根據單目視覺測距原理將目標區域到攝像機的距離轉化為攝像機光心到具體特征點的距離。通過改變磁矢量軸線方位帶動膠囊攝像機原地進行待測區域特征目標的搜索，并選定某一特征目標作為位置參考，根據攝像機圖像確定膠囊機器人和待測目標相對于參考位置的空間距離，之后結合膠囊機器人兩次獲得目標特征時的俯仰角和側擺角信息，以及膠囊機器人與待測目標相對參考位置的空間幾何關系，確定膠囊機器人與待測區域方位信息。

目前，尚未有人提出基于磁場與視覺共融的膠囊機器人及待測目標的相對定位方法，該定位方法的突出特點是無需構建移動機器人傳統定位中所需的人工路標和地圖，也不需要增加額外其他檢測測量裝置，僅依靠膠囊機器人的攝像機視覺并結合其自身的定點懸停調姿功能便可獲取用于膠囊和待測目標定位的各種關鍵信息。

發明內容