四足机器人导航坐标点位采集装置及导航精度评估方法与流程

1.本发明涉及机器人自动控制领域，具体为一种四足机器人导航坐标点位采集装置及导航精度评估方法。


背景技术：

2.在有毒、缺氧或浓烟等危险灾害事故现场开展侦察、探测、搜救工作是消防、应急救援的核心工作之一，但救援人员经常面临人身安全威胁，且人工开展相关作业常面临信息采集不足等问题。
3.利用移动机器人，特别是四足机器人替代或辅助救援人员先行进入高危场景具有重要意义。目前，四足机器人对废墟、石堆、楼梯等复杂地形适应能力优异，可跨越较高障碍物或深入室内环境，在狭窄空间灵活性较高；四足机器人可侦察检测有毒浓烟缺氧环境，追踪热源及远处微小目标；在消防侦察解决方案中集成了可见光与红外双光谱云台、气体传感设备、全向相机、旋转激光扫描仪、拾音器等应用模块，结合智能信息后台，为救援决策提供可视化信息，并可运输救援物资，助力消防与应急救援人员开展灾后搜救与侦察救援工作，同时通过残余物采样、气体采样、三维地形构建等现场全维度资料收集，结合智能算法与分析，为灾难溯源及预测防范措施提供重要参考。
4.由于地形复杂，在机器人行进路径上会存在多个障碍物，为避开障碍物，机器人需要通过视频、雷达等对环境进行实时监测，不断规划路径，到达导航终点。
5.参见图9，但是由于受到多方面的因素制约，如：机器人行动方式(高速行进、低速行进、跳跃动作)、导航编程存在偏差、硬件配合之间存在误差等，导致机器人在从起始位出发时，无法沿着预设路径到预设位，导致实际路径和实际位有所偏差因此要到达导航重点，需要在过程中不断修正误差，到达导航终点坐标。而在修正误差过程中，将耗费大量时间。
6.对于在机器人的导航编程、硬件组装、硬件选择过程中，需要不断的对软件和硬件进行测试，不断的对软件和硬件进行优化，以使得预设位与实际位能够相同。
7.因此在评估实际位与预设位之间的偏差，是衡量软硬件匹配度的一个重要标准，因此如何快速的对偏差进行计算，是本技术所要解决的技术问题之一。


技术实现要素：

8.本发明的目的是为了提供一种四足机器人导航坐标点位采集装置及导航精度评估方法，通过采集装置收集的图像信息，对机器人实际位的头尾坐标进行计算，与预设位的两个坐标进行比对，快速计算出实际位与预设位之间的中心距离和偏差角度，用于快速的对软件和硬件改动前后的导航路径的精准性进行评估，同时采集中心距离和偏差角度可以用于后期软件编程时作为修正量，弥补机器人不同运动模式下产生的导航误差，提高导航的精准度。
9.为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：
10.一种四足机器人导航坐标点位采集装置，包括多个矩阵式排列的采集模组，所述
采集模组包括玻璃板、封闭壳、相机和外框，所述外框呈立方体形，相机固定于外框底部，玻璃板位于外框上表面，相机带有镜头，所述镜头对准玻璃板，封闭壳用于封闭镜头至玻璃板之间的区域，所述镜头采集玻璃板上方光斑，形成具有带光斑的图片。
11.优选的，所述玻璃板表面设有用于过滤环境灯光的遮光膜，遮光膜透光率大于50％，通过遮光膜对环境中的光源进行过滤，避免日光灯、太阳等环境光源照射，导致相机摄像头无法精准识别光斑。
12.优选的，所述玻璃板下方设有重量感应模块，即只有机器人走过，重量突然增加(增加的重量为机器人的总重)时，可以准确判断机器人当前所处位置。
13.优选的，采集模组还包括预设激光发射器，预设激光发射器位于玻璃板下方，
14.与现有技术相比，采用了上述技术方案的四足机器人导航坐标点位采集装置，具有如下有益效果：
15.导航坐标点位采集装置可以摆放在室内平坦的地面上，将需要测试的机器人摆放在其上方，通过在机器人身体的多检测点向下(朝向采集模组的玻璃板)发射激光的方式，在玻璃板表面形成明亮的光斑，再通过镜头和相机，对光斑的画面进行记录，利用图像识别软件，将光斑的中心位置进行识别，用于评估人员快速的得到机器人所处的当前位置和坐标数值，用于后续评估计算。
16.本发明还公开了另一个技术方案：一种四足机器人导航精度评估方法，其包括起始位、预设位和实际位，具体包括以下步骤：
17.步骤1)将机器人的前端和后端分为两个拾取的坐标点，分别为前坐标和后坐标，同时在前端和后端之间的连线上取中点获得中坐标；
18.步骤2)当机器人处于起始位时，规划其导航路径至预设位，预设位生成预设坐标，预设坐标对应以下三个坐标：
19.预设前坐标：前0(x
01
,y
01
)
20.预设后坐标：后0(x
02
,y
02
)
21.预设中坐标：中0(x
03
,y
03
)其中预设中坐标为预设前、后坐标的连线中点；
22.使得机器人可以沿着预设路径行进至预设位，同时评估人员在平面上标注预设位的三个坐标；
23.步骤3)当机器人行进后，机器人沿着实际路径，到达实际位，评估人员在平面上标记实际位的实际坐标，实际坐标对应以下三个坐标：
24.实际前坐标：前1(x
11
,y
11
)
25.实际后坐标：后1(x
12
,y
12
)
26.实际中坐标：中1(x
13
,y
13
)，其中实际中坐标为实际前、后坐标的连线中点；
27.步骤4)采集中心距离数据：即测量或计算中0和中1之间的距离，获得中0和中1之间的中心距离d；
28.步骤5)采集偏移角度数据：即测量或计算前0和后0构成直线与计算前1和后1构成直线的夹角，获得偏移角度θ；
29.步骤6)通过统计机器人导航行动后，中心距离d和偏移角度θ的大小，评估此次活动中导航编程与硬件配合之间的准确性。
30.与现有技术相比，采用了上述技术方案的四足机器人导航精度评估方法，具有如
下有益效果：
31.通过上述方法，可以快速测算中实际位与预设位之间的中心距离d和偏移角度θ，用于评价软硬件在实施过程中的匹配性，同时在获得中心距离d和偏移角度θ之后，可以在软件编程不修改的情况下，在软件末尾增加修正代码，输入实际测算的中心距离d和偏移角度θ，用于不同活动方式下(高速移动、低速移动、正常移动、跳跃行进等)，软件代码的修正。
32.在对于中心距离d的测算中，目前有两种测算方式，第一种是直接利用记号笔/标识物，在平面上标记预设位和实际位，通过记录预设位和实际位中前0、后0和前1、后1，绘制中0、中1，直接测量中0、中1的间距即可获得中心距离d。测量前0、后0和前1、后1的直线夹角，即可获得偏移角度θ。即预设前、后坐标和实际前、后坐标，均通过评估人员于平面内绘制坐标点的方式，对生成的各个坐标点位置进行记录。
33.第二种测算方式为，可以在评估区域的空间内加装导航坐标点位采集装置，通过采集装置的相机和镜头，配合机器人的激光斑点，通过图像识别软件对激光斑点位置进行记录，形成坐标系后，即可获得激光斑点所在位置。因此可以通过公式计算的方式，直接由电脑计算出当前中心距离d和偏移角度θ。
34.中心距离d计算步骤如下：
35.在所述步骤4中，所述中心距离d由中0和中1的坐标数值，通过距离计算公式对中心距离d进行计算，计算公式如下：
36.中心距离
37.偏移角度θ计算步骤如下：
38.在所述步骤5中，所述偏移角度θ，由前0、后0、前1和后1坐标数值，通过角度计算公式对偏移角度θ进行计算，计算公式如下：
39.偏移角度
40.优选的，其中，中0和中1的坐标数值获得过程如下
41.步骤2.1)评估人员采集起始位的坐标，并根据导航编程，推算出预设位的预设前坐标前0(x
01
,y
01
)和，预设后坐标后0(x
02
,y
02
)，并在平面内记录预设位的两个坐标点；
42.步骤3.1)启动机器人，使其根据导航编程行动至实际位，评估人员记录实际位两个坐标点；
43.步骤3.2)以预设前坐标与预设后坐标连线为y轴，预设后坐标所在点位为原点绘制坐标系，
44.推算预设中坐标：中0(x
03
,y
03
)
45.其中y
02
＝0；
46.步骤3.3)查看实际前坐标和实际后坐标在步骤3.2)绘制坐标系中的位置，记录实际位的两个坐标点：前1(x
11
,y
11
)和后1(x
12
,y
12
)；
47.推算实际中坐标：中1(x
13
,y
13
)
[0048][0049]
优选的，所述机器人的头部和尾部设有激光发射器，机器人放置于权利要求2所述
的四足机器人导航坐标点位采集装置上，激光发射器照射激光至采集模组的玻璃板上，形成光斑前1和后1；
[0050]
所述预设前、后坐标由导航编程推算获得，实际前、后坐标均通过拍摄或拍照的方式，通过采集激光发射器的光斑方式获得前1和后1。
[0051]
优选的，所述机器人的行动足上还设有四个激光发射器，所述头部、尾部和行动足上的激光发射器激光采用三种不同颜色的激光，并于玻璃板表面形成颜色不同的光斑前1、后1和足部光斑。
[0052]
在镜头通过观察玻璃板表面的光斑时，当出现四个足部光斑时，判断机器人处于当前采集模组内，镜头采集画面，并通过处理器在画面内补充坐标系，通过观察光斑前1、后1在坐标系中的位置，推算出前1、后1两个光斑的实际坐标。
附图说明
[0053]
图1为本发明四足机器人导航精度评估方法的示意图。
[0054]
图2为实施例1中中心距离d和偏移角度θ的坐标绘制图(正常速度)。
[0055]
图3为实施例1中中心距离d和偏移角度θ的坐标绘制图(高速)。
[0056]
图4为实施例2中四足机器人导航坐标点位采集装置的结构示意图。
[0057]
图5为实施例2中四足机器人站立于采集模组的示意图。
[0058]
图6为实施例2中采集模组的结构示意图。
[0059]
图7为实施例2中坐标生成示意图。
[0060]
图8为实施例2中光斑坐标生成示意图。
[0061]
图9为背景技术中机器人行进路径的示意图。
[0062]
附图标记：1、机器人；10、行动足；11、足部光斑；2、采集模组；20、玻璃板；21、封闭壳；22、相机；23、镜头；24、外框；
具体实施方式
[0063]
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
[0064]
实施例1：
[0065]
实施例1公开了一种四足机器人导航精度评估方法，具体包括以下步骤：
[0066]
步骤1)将机器人1的前端和后端分为两个拾取的坐标点，分别为前坐标和后坐标，同时在前端和后端之间的连线上取中点获得中坐标。
[0067]
步骤2)参见图1，当机器人1处于起始位时，规划其导航路径至预设位，预设位生成预设坐标，预设坐标对应以下三个坐标：
[0068]
预设前坐标：前0(x
01
,y
01
)
[0069]
预设后坐标：后0(x
02
,y
02
)
[0070]
预设中坐标：中0(x
03
,y
03
)其中预设中坐标为预设前、后坐标的连线中点；同时评估人员在平面上标注预设位的三个坐标。
[0071]
步骤3)当机器人1行进后，机器人1沿着实际路径，到达实际位，评估人员在平面上标记实际位的实际坐标，实际坐标对应以下三个坐标：
[0072]
实际前坐标：前1(x
11
,y
11
)
[0073]
实际后坐标：后1(x
12
,y
12
)
[0074]
实际中坐标：中1(x
13
,y
13
)，其中实际中坐标为实际前、后坐标的连线中点。
[0075]
步骤4)采集中心距离数据：中0和中1连线，测量中0和中1之间的距离，获得中0和中1之间的中心距离d，即图2中图3中d的长度。
[0076]
步骤5)采集偏移角度数据：即测量或计算前0和后0构成直线与计算前1和后1构成直线的夹角，获得偏移角度θ，即图2中图3中θ的角度。
[0077]
步骤6)通过统计机器人1导航行动后，中心距离d和偏移角度θ的大小，评估此次活动中导航编程与硬件配合之间的准确性。
[0078]
为便于理解，申请人提供了正常移动的时实际位与预设位之间的点位坐标参数(图2)和高速移动时实际位与预设位之间的点位坐标参数(图3)。
[0079]
实施例2：
[0080]
本实施例基于实施例1，对中心距离d和偏移角度θ测量方法，由手动绘制和测量，转变为借用相机采集图像，并通过图像识别软件，对数据进行自动获取，以满足大量实验评估所需。
[0081]
参见附图4，在本实施中，申请人公开了一种四足机器人1导航坐标点位采集装置，采集装置可以构成如图7所示的大坐标系，采集装置包括多个矩阵式排列的采集模组2，每个采集模组2对应一个坐标区域(如图8所示)。
[0082]
参见图5和图6，采集模组2包括玻璃板20、封闭壳21、相机22和外框24，相机22固定于外框24底部，玻璃板20位于外框24上表面，相机22带有镜头23，所述镜头23对准玻璃板20，封闭壳21用于封闭镜头23至玻璃板20之间的区域，所述镜头23采集玻璃板20上方光斑，形成具有带光斑的图片。
[0083]
玻璃板20采用较厚的防爆玻璃，主要用于承载机器人1行进时行动足10的踩踏，避免破损，同时封闭壳21对镜头等进行保护。外框24呈立方体形，可以使得多个采集模组2拼合，构成巨大的采集矩阵。
[0084]
封闭壳21内侧设有预设激光发射器25，预设激光发射器25发射多束激光照射至玻璃板20处，用于展示预设位的坐标，用于评估人员参考。
[0085]
玻璃板20表面设有用于过滤环境灯光的遮光膜，遮光膜透光率大于50％，可以对大部分的日常灯光、太阳光进行和光滑物件表面的反光进行过滤，避免机器人1打到玻璃板20表面的光斑无法被相机22的镜头23正常识别。
[0086]
玻璃板20下方设有重量感应模块，重量感应模块主要用于统计重量增加量，若在短时间内，重量突然增加30-90kg(机器人的普遍重量)，可以判定为机器人目前已经行进至当前采集模组2的玻璃板20上。
[0087]
机器人1的头端、尾端和四个行动足10上各设有激光发射器，且头端、尾端和四个行动足10的激光发射器所发射的激光颜色也不相同。
[0088]
本实施例中，四足机器人导航精度评估方法，具体步骤如下：
[0089]
步骤1)将机器人1放置在导航坐标点位采集装置的任意采集模组2上，定义该位置为起始位。
[0090]
步骤2)当机器人1处于起始位时，规划其导航路径至预设位，预设位生成预设坐
标，预设坐标对应以下三个坐标：其中预设中坐标为预设前、后坐标的连线中点；同时预设激光发射器25照射激光至玻璃板20表面，形成光斑用于标识预设位的三个坐标：
[0091]
预设前坐标：前0(x
01
,y
01
)
[0092]
预设后坐标：后0(x
02
,y
02
)
[0093]
预设中坐标：中0(x
03
,y
03
)。
[0094]
步骤3)当机器人1行进后，机器人1沿着实际路径，到达实际位，同时机器人1的激光发射器持续在玻璃板20表面形成多处光斑，头部、尾部和行动足10上的激光发射器激光采用三种不同颜色的激光，并于玻璃板20表面形成颜色不同的光斑前1、后1和足部光斑11。
[0095]
步骤3.1)机器人1到达当前采集模组2，采集模块2的重量感应器检测到机器人1的重量，初步判定其位于当前采集模组2内。
[0096]
步骤3.2)相机22启动，利用镜头23采集当前视野内的光斑，当发现有四个颜色相同的光斑，推算机器人位于当前采集模组2内，并启动相机22记录当前光斑照片。
[0097]
步骤3.3)利用图像识别软件，从相机22记录的光斑照片中识别光斑的位置获得前1和后1两个点位的物理位置。
[0098]
步骤3.4)在光斑照片中根据采集模块2的编号加载坐标系，赋予前1和后1两个点位坐标数值。
[0099]
步骤3.5)以前0与后0连线为y轴，后0所在点位为原点绘制新的坐标系，并根据前1和后1的原坐标数值生成新的坐标数值：
[0100]
实际前坐标：前1(x
11
,y
11
)
[0101]
实际后坐标：后1(x
12
,y
12
)
[0102]
同时推算实际中坐标：中1(x
13
,y
13
)，)，
[0103]
步骤4)计算中心距离d，计算公式如下：
[0104]
中心距离
[0105]
步骤5)计算偏移角度θ，计算公式如下：
[0106][0107]
步骤6)通过统计机器人1导航行动后，中心距离d和偏移角度θ的大小，评估此次活动中导航编程与硬件配合之间的准确性。
[0108]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种四足机器人(1)导航坐标点位采集装置，其特征在于：包括多个矩阵式排列的采集模组(2)，所述采集模组(2)包括玻璃板(20)、封闭壳(21)、相机(22)和外框(24)，所述外框(24)呈立方体形，相机(22)固定于外框(24)底部，玻璃板(20)位于外框(24)上表面，相机(22)带有镜头(23)，所述镜头(23)对准玻璃板(20)，封闭壳(21)用于封闭镜头(23)至玻璃板(20)之间的区域，所述镜头(23)采集玻璃板(20)上方光斑，形成具有带光斑的图片。2.根据权利要求1所述的四足机器人(1)导航坐标点位采集装置，其特征在于：所述玻璃板(20)表面设有用于过滤环境灯光的遮光膜，遮光膜透光率大于50％。3.根据权利要求1所述的四足机器人(1)导航坐标点位采集装置，其特征在于：采集模组(2)还包括预设激光发射器(25)，预设激光发射器(25)位于玻璃板(20)下方，所述玻璃板(20)下方设有重量感应模块，。4.一种四足机器人(1)导航精度评估方法，其包括起始位、预设位和实际位，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤1)将机器人(1)的前端和后端分为两个拾取的坐标点，分别为前坐标和后坐标，同时在前端和后端之间的连线上取中点获得中坐标；步骤2)当机器人(1)处于起始位时，规划其导航路径至预设位，预设位生成预设坐标，预设坐标对应以下三个坐标：预设前坐标：前0(x
01
,y
01
)预设后坐标：后0(x
02
,y
02
)预设中坐标：中0(x
03
,y
03
)其中预设中坐标为预设前、后坐标的连线中点；使得机器人(1)可以沿着预设路径行进至预设位，同时评估人员在平面上标注预设位的三个坐标；步骤3)当机器人(1)行进后，机器人(1)沿着实际路径，到达实际位，评估人员在平面上标记实际位的实际坐标，实际坐标对应以下三个坐标：实际前坐标：前1(x
11
,y
11
)实际后坐标：后1(x
12
,y
12
)实际中坐标：中1(x
13
,y
13
)，其中实际中坐标为实际前、后坐标的连线中点；步骤4)采集中心距离数据：即测量或计算中0和中1之间的距离，获得中0和中1之间的中心距离d；步骤5)采集偏移角度数据：即测量或计算前0和后0构成直线与计算前1和后1构成直线的夹角，获得偏移角度θ；步骤6)通过统计机器人(1)导航行动后，中心距离d和偏移角度θ的大小，评估此次活动中导航编程与硬件配合之间的准确性。5.根据权利要求4所述的四足机器人(1)导航精度评估方法，其特征在于：在所述步骤4中，所述中心距离d由中0和中1的坐标数值，通过距离计算公式对中心距离d进行计算，计算公式如下：中心距离6.根据权利要求4所述的四足机器人(1)导航精度评估方法，其特征在于：在所述步骤5中，所述偏移角度θ，由前0、后0、前1和后1坐标数值，通过角度计算公式对偏移角度θ进行计
算，计算公式如下：偏移角度7.根据权利要求6所述的四足机器人(1)导航精度评估方法，其特征在于：其中，中0和中1的坐标数值获得过程如下步骤2.1)评估人员采集起始位的坐标，并根据导航编程，推算出预设位的预设前坐标前0(x
01
,y
01
)和，预设后坐标后0(x
02
,y
02
)，并在平面内记录预设位的两个坐标点；步骤3.1)启动机器人(1)，使其根据导航编程行动至实际位，评估人员记录实际位两个坐标点；步骤3.2)以预设前坐标与预设后坐标连线为y轴，预设后坐标所在点位为原点绘制坐标系，推算预设中坐标：中0(x
03
,y
03
)其中y
02
＝0；步骤3.3)查看实际前坐标和实际后坐标在步骤3.2)绘制坐标系中的位置，记录实际位的两个坐标点：前1(x
11
,y
11
)和后1(x
12
,y
12
)；推算实际中坐标：中1(x
13
,y
13
)8.根据权利要求4-7任一一项所述的四足机器人(1)导航精度评估方法，其特征在于：所述预设前、后坐标和实际前、后坐标，均通过评估人员于平面内绘制坐标点的方式，对生成的各个坐标点位置进行记录。9.根据权利要求4-7任一一项所述的四足机器人(1)导航精度评估方法，其特征在于：所述机器人(1)的头部和尾部设有激光发射器，机器人(1)放置于权利要求2所述的四足机器人(1)导航坐标点位采集装置上，激光发射器照射激光至采集模组(2)的玻璃板(20)上，形成光斑前1和后1；所述预设前、后坐标由导航编程推算获得，实际前、后坐标均通过拍摄或拍照的方式，通过采集激光发射器的光斑方式获得前1和后1。10.根据权利要求9所述的四足机器人(1)导航精度评估方法，其特征在于：所述机器人(1)的行动足(10)上还设有四个激光发射器，所述头部、尾部和行动足(10)上的激光发射器激光采用三种不同颜色的激光，并于玻璃板(20)表面形成颜色不同的光斑前1、后1和足部光斑(11)；在镜头(23)通过观察玻璃板(20)表面的光斑，当出现四个足部光斑(11)时，判断机器人(1)处于当前采集模组(2)内，镜头(23)采集画面，并通过处理器在画面内补充坐标系，通过光斑在坐标系中的位置，推算出前1、后1两个光斑的实际坐标。

技术总结
本发明涉及一种四足机器人导航坐标点位采集装置，和基于该采集装置的导航精度评估方法，通过采集装置收集的图像信息，对机器人实际位的头尾坐标进行计算，与预设位的两个坐标进行比对，快速计算出实际位与预设位之间的中心距离和偏差角度，用于快速的对软件和硬件改动前后的导航路径的精准性进行评估，同时采集中心距离和偏差角度可以用于后期软件编程时作为修正量，弥补机器人不同运动模式下产生的导航误差，提高导航的精准度。提高导航的精准度。提高导航的精准度。


技术研发人员：张开飞 方舟 霍本市 李超 朱秋国
受保护的技术使用者：杭州云深处科技有限公司
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/9/14