电子神越女学 智能机器人原理与实践 定位与视觉系统原理 略德渊博士、教授 电子科技大学机械与电气工程学院副院长 电子科技大学机器人队总教练
1 定位与视觉系统原理
德仓创机器人 Dechuang Robot 6.羽毛球机器人定位与视觉系统设计 羽毛球机器人实时定位系统是实时得到机器人在球场世界坐标系的位置，运动控制系统据此使机器人准确达到击球 点。由于羽毛球运动的快速性，要求羽毛球机器人定位系统具有实时性、高精度、误差无累积等特点。羽毛球机器 人定位属于室内移动机器人定位问题。 航迹推算法定位 航迹推算定位由陀螺仪、编码器及安装框架构成，属于相对定位方法，其短距离定位精度高、实时性好，但存在累积 误差，又称机器人全场定位模块。 航迹 推算法 机器人 定位 0 无线 视觉 定位 定位 全场定位模块 全场定位模块安装 全场定位模块位置坐标系统 3
6.羽毛球机器人定位与视觉系统设计 3 羽毛球机器人实时定位系统是实时得到机器人在球场世界坐标系的位置，运动控制系统据此使机器人准确达到击球 点。由于羽毛球运动的快速性，要求羽毛球机器人定位系统具有实时性、高精度、误差无累积等特点。羽毛球机器 人定位属于室内移动机器人定位问题。 机器人 定位 航迹 推算法 视觉 定位 无线 定位 航迹推算法定位 航迹推算定位由陀螺仪、编码器及安装框架构成，属于相对定位方法，其短距离定位精度高、实时性好，但存在累积 误差，又称机器人全场定位模块。 全场定位模块 全场定位模块安装 全场定位模块位置坐标系统
德仓创机器人 Dechuang Robot 6.羽毛球机器人定位与视觉系统设计 航迹推算法定位 假设t时刻机器人局部坐标系下的速度为(vx1,”y) ,在全局坐标系下速度为(v2,v2),全向轮速度为 分别为v1,v2,局部坐标系相对于全局坐标系的旋转 角度为Φ，机器人旋转的角速度为ω，则有： coso sinp Vx1 %2] -sin coso p=Jωdt 机器人的全局坐标量(x,y,p) car_dx=enc_dx-DY*ang2rad (position_dangle); 由局部坐标系下的速度关系可知： car_dy=enc_dy+DX*ang2rad (position dangle); V1=Vx1+ωL1 car x+=car dx*my cos (angle)-car dy*my sin (angle) (V2 Vx2 +@l2 car y+=car dx*my sin (angle)+car dy*my cos (angle) 结合以上关系可得到： x=∫(v1-ωl)cospdt+∫(v2-ωl2)sinpdt y=-∫(1-ωl1)sinpdt+∫(v2-ωl2)cospdt p=∫ωdt
4 航迹推算法定位 假设 t 时刻机器人局部坐标系下的速度为(𝑣𝑥1,𝑣𝑦1) ，在全局坐标系下速度为(𝑣𝑥2,𝑣𝑦2)，全向轮速度为 分别为𝑣1,𝑣2，局部坐标系相对于全局坐标系的旋转 角度为ϕ，机器人旋转的角速度为ω，则有: 由局部坐标系下的速度关系可知: 结合以上关系可得到: 6.羽毛球机器人定位与视觉系统设计
德仓创机器人 Dechuang Robot 6.羽毛球机器人定位与视觉系统设计 航迹推算法定位一陀螺仪 陀螺仪是用来测量物体旋转加速度，经过后续处理还可以测量物体旋转速度与位移，主要是由一个位于轴心且可旋转 的轮子构成，多用于移动物体的导航与定位。按制作原理及结构大致分为机械式陀螺仪、光学陀螺仪、微机械陀螺仪 。机械式陀螺仪结构负责，速度测量范围窄：光学陀螺仪测量精度高、测量范围宽、稳定好、价格昂贵：微机械陀螺 仪体积小， 压电式 静电式 按驱动方式 电磁式 接检测方式 压电检测 电容检测 气中械 压阻式检测 光学检测 隧道效应检测 闭环模式 速率陀螺 地控年经 INHUANET 作模式 开环模式 速率积分陀螺 数码相机中 智能机器人中 整角模式
5 航迹推算法定位---陀螺仪 陀螺仪是用来测量物体旋转加速度，经过后续处理还可以测量物体旋转速度与位移，主要是由一个位于轴心且可旋转 的轮子构成，多用于移动物体的导航与定位。按制作原理及结构大致分为机械式陀螺仪、光学陀螺仪、微机械陀螺仪 。机械式陀螺仪结构负责，速度测量范围窄；光学陀螺仪测量精度高、测量范围宽、稳定好、价格昂贵；微机械陀螺 仪体积小、测量范围宽、精度高、价格适中。 MEMS 陀螺仪 体积小 重量轻 高 可靠性 大量程 低功耗 数字化 智能化 主要 参数 分辨率 零位 输出 灵敏度 量程 零点 漂移 温度 漂移 6.羽毛球机器人定位与视觉系统设计
德创机器人 Dechuang Robot 6.羽毛球机器人定位与视觉系统设计 航迹推算法定位一一编码器 编码器Encoder用来检测机械运动的角位移、角速度、线速度、线位置、距离或计数，用于机械系统测量、伺服电 机转速及位置的反馈，是工业控制中非常重要的传感器。 Code disc Monotlop Input 编码器 Schmitt SI trigger circuit Cycle Inverter 模拟量编码器 ■ Serial 数字编码器 Driver Photo Photo data Itransmitter receiver 2 Parallel data 几几几几几∫ 增量编码器 绝对值编码器 几几几几U网 旋转变压器 Sin/Cos编码器A,AB,B,C,c格雷码 二进制码 几几几几网 c网 增量编码器输出相位差为90度的A、B相信号和Z相零点信号，由A、B相X信号相位差判断正反转。 6
6.羽毛球机器人定位与视觉系统设计 6 航迹推算法定位---编码器 编码器Encoder用来检测机械运动的角位移、角速度、线速度、线位置、距离或计数，用于机械系统测量、伺服电 机转速及位置的反馈，是工业控制中非常重要的传感器。 编码器 模拟量编码器 数字编码器 旋转变压器 Sin/Cos 编码器 增量编码器 绝对值编码器 A, A, B, B, C, C _ _ _ 格雷码 二进制码 增量编码器输出相位差为90度的A、B相信号和Z相零点信号，由A 、B相X信号相位差判断正反转
德仓创机器人 Dechuang Robot 6.羽毛球机器人定位与视觉系统设计 航迹推算法定位一一编码器 绝对值编码器用来检测旋转运动的旋转角度。码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线 。。。。。。编排，在编码器的每个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的-1次方的唯 一的2进制编码（格雷码），称为位绝对编码器。绝对值编码器是由码盘的机械位置决定的，不受停电、干扰的影 响。 编码器的安装 安装时注意允许的轴负载 保证编码器轴与用户输出轴的不同轴度< 0.20mm,与轴线的偏角<1.5 严禁敲击和摔打碰撞，以免损坏轴系和码盘 定期检查固定编码器的螺钉是否松动 接地线应尽量粗，一般应大于1.5平方 编码器的输出线彼此不要搭接，以免损坏输出 电路 9c7 编码器的信号线不要接到直流电源上或交流电 流上，以免损坏输出电路 光电耦合器扫描旋转盘上的代码图案 与编码器相连的电机等设备，应接地良好，防 每一个位置有其独一无二的代码 静电
6.羽毛球机器人定位与视觉系统设计 7 航迹推算法定位---编码器 绝对值编码器用来检测旋转运动的旋转角度。码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线 。。。。。。编排，在编码器的每个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯 一的2进制编码（格雷码），称为n位绝对编码器。绝对值编码器是由码盘的机械位置决定的，不受停电、干扰的影 响。 光电耦合器扫描旋转盘上的代码图案 每一个位置有其独一无二的代码 编码器的安装 • 安装时注意允许的轴负载 • 保证编码器轴与用户输出轴的不同轴度＜ 0.20mm，与轴线的偏角＜1.5° • 严禁敲击和摔打碰撞，以免损坏轴系和码盘 • 定期检查固定编码器的螺钉是否松动 • 接地线应尽量粗，一般应大于1.5平方 • 编码器的输出线彼此不要搭接，以免损坏输出 电路 • 编码器的信号线不要接到直流电源上或交流电 流上，以免损坏输出电路 • 与编码器相连的电机等设备，应接地良好，防 静电
德创机器人 Dechuang Robot 6.羽毛球机器人定位与视觉系统设计 视觉定位 视觉定位是用摄像机测量目标的空间坐标。有单且视觉测量、双目视觉测量与多目视觉测量系统。由摄像机、相机 标定、图像采集、图像处理（预处理、特征提取、特征匹配、目标识别、空间位置测量）组成。具有精度高的优点 ,但系统复杂、易受外界光线影响。 3D DEPTH SENSORS lefcse Ligkt RGB CAMERA 运动控制 挥拍控制 电00 机器人运动控制 机器人视觉系统 羽毛球跟踪 双目视觉 机器人定位 羽毛球机器人 内外参数标定 左图像 右图像 Kinect视觉系统
6.羽毛球机器人定位与视觉系统设计 8 视觉定位 视觉定位是用摄像机测量目标的空间坐标。有单目视觉测量、双目视觉测量与多目视觉测量系统。由摄像机、相机 标定、图像采集、图像处理（预处理、特征提取、特征匹配、目标识别、空间位置测量）组成。具有精度高的优点 ，但系统复杂、易受外界光线影响。 3D DEPTH SENSORS RGB CAMERA MULTI-ARRAY MIC MOTORIZEDTILT IR Projector Infrared Camera Microphone Array Color Camera Indicator Light Kinect视觉系统
德创机器人 Dechuang Robot 6.羽毛球机器人定位与视觉系统设计 无线定位技术 无线定位是利用电磁波在空中传输时间差和信号强度衰减规律来测量发射点与接收点的间距，多路发射接收组合来 实现目标位置的定位。测量方法有蓝牙、Wi-F引、(UWB)超宽带定位、LED定位、有超声波定位、手机自主惯性传感 器定位、RFID、ZIGBEE和地磁定位。测量原理有到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)、到达角度(AOA)、接收 信号强度(RSS)四种基于测距的定位方法，还有质心，DV-HOP(Distance Vector-Hop),APIT、Amorphous、 凸规划定位、Ring-Overlapping等几种无需测距的定位算法。无线定位具有实施相对容易、测量精度低的特点。 定位性能 UWB:30cm 学校应用-室内外无逢监空 (以定位相 度为例) 视觉：mm级 100米 地磁 激光：m级 庄位器口 其它：亚米级 含标签的胸卡 10米 RFID: 超 计算 机视 米级 进学校了 定位精度 WI-FI 1米 LED 蓝好 亚米级 定位精度 ·。。定位器 0.5米 、规模化难易程度 短信通知 体育场 分米级 宽考虑成本等因素) 定位精度 液带 光 自己教室里 易 难 各种定位技术精度、商业难易程度 9
6.羽毛球机器人定位与视觉系统设计 9 无线定位技术 无线定位是利用电磁波在空中传输时间差和信号强度衰减规律来测量发射点与接收点的间距，多路发射接收组合来 实现目标位置的定位。测量方法有蓝牙、Wi-Fi、(UWB)超宽带定位、LED定位、有超声波定位、手机自主惯性传感 器定位、RFID、ZIGBEE和地磁定位。测量原理有到达时间（TOA）、到达时间差（TDOA）、到达角度（AOA）、接收 信号强度（RSS）四种基于测距的定位方法，还有质心、 DV-HOP（Distance Vector-Hop）、APIT、Amorphous、 凸规划定位、Ring-Overlapping等几种无需测距的定位算法。无线定位具有实施相对容易、测量精度低的特点。 各种定位技术精度、商业难易程度 UWB：30cm 视觉：mm级 激光：mm级 其它：亚米级
德仓创机器人 Dechuang Robot 6.羽毛球机器人定位与视觉系统设计 羽毛球机器人实时定位系统 羽毛球运动要求机器人运动具有速度快、位置准确、运动时间长等特点。综合考虑现有各种定位技术，选定航迹推 算法和视觉定位相结合的定位方案。机器人接球过程中，由航迹推算法实时给出机器人位置坐标，在机器人回到起 始位后由视觉定位系统给出机器人当前准确的位置坐标，并予以校正，以消除航迹推算法的累积定位误差。实质是 一种局部定位（航迹推算法）与全局定位（视觉定位）的结合。 全场定位 模块 CAN总线 主控 视觉系统 10
6.羽毛球机器人定位与视觉系统设计 10 羽毛球机器人实时定位系统 羽毛球运动要求机器人运动具有速度快、位置准确、运动时间长等特点。综合考虑现有各种定位技术，选定航迹推 算法和视觉定位相结合的定位方案。机器人接球过程中，由航迹推算法实时给出机器人位置坐标，在机器人回到起 始位后由视觉定位系统给出机器人当前准确的位置坐标，并予以校正，以消除航迹推算法的累积定位误差。实质是 一种局部定位(航迹推算法)与全局定位(视觉定位)的结合。 主控 全场定位 模块 CAN总线 无线数传 视觉系统
90 德仓创机器人 Dechuang Robot 6.羽毛球机器人定位与视觉系统设计 羽毛球机器人定位系统实验方案 序号 实验名称 实验内容 实验类型 1、陀螺仪角度数据读取及处理 羽毛球机器人底盘全场定位实验 2、编码器数据读取及处理 3、航迹推算法机器人二维位置坐标确定算法 基础 4、航迹推算法机器人位置系统误差补偿算法 11
6.羽毛球机器人定位与视觉系统设计 11 羽毛球机器人定位系统实验方案 序号 实验名称 实验内容 实验类型 1 羽毛球机器人底盘全场定位实验 1、陀螺仪角度数据读取及处理 2、编码器数据读取及处理 3、航迹推算法机器人二维位置坐标确定算法 4、航迹推算法机器人位置系统误差补偿算法 基础