[发明专利]一种基于视觉辨识的网球机器人定位系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于视觉辨识的网球机器人定位系统，其特征在于系统包括：依次连接的用以提取场地内图像信息的图像提取单元、接收图像信息并对图像信息进行处理的图像处理单元、以及计算机器人位置时作为参照物使用的标识单元；所述图像处理单元包括用以去除图像噪声点的过滤模块、将过滤后图像进行阈值处理和转化的转换模块、划定场地范围的搜索模块以及用于锁定机器人位置的定位模块。本发明采用视觉辨识定位原理，基于双目视觉计算机器人到若干个标志物的距离实现机器人的定位，无需架设基站，设备结构简单，成本低廉，且能够满足系统精度要求。 1

主权项

1.一种基于视觉辨识的网球机器人定位系统，其特征在于系统包括：提取场地内图像信息的图像提取单元、接收图像信息并对图像信息进行处理的图像处理单元、以及计算机器人位置时作为参照物使用的标识单元；

所述图像处理单元包括用以去除图像噪声点的过滤模块、将过滤后图像进行阈值处理和转化的转换模块、划定场地范围的搜索模块以及用于锁定机器人位置的定位模块。

2.根据权利要求1所述的网球机器人定位系统，其特征在于所述图像提取单元还包括2个并列设置的CMOS摄像头、带动摄像头旋转的舵机以及控制舵机旋转的Arduino控制板，两所述CMOS摄像头间距300mm，并分别捕获摄像头前方120度方位内的图像。

3.根据权利要求1所述的网球机器人定位系统，其特征在于所述标识单元包括贴在网球场两拦柱上的不同颜色标识物，用以区分机器人所在半场。

4.根据权利要求1所述的网球机器人定位系统，其特征在于所述过滤模块根据双边滤波处理方式采用以下公式对图像提取单元发送的图像信息进行处理：

其中，(i,j)是当前像素点的像素坐标，(k,l)是当前像素点周围像素点的像素坐标，f(i,j)和f(k,l)分别表示图像坐标(i,j)和(k,l)处的像素值，f₁(i,j)为处理后图像坐标(i,j)处的像素值，w(i,j,k,l)表示权重值，σ_d是空间域的标准差，σ_r是灰度域的标准差。

5.根据权利要求4所述的网球机器人定位系统，其特征在于所述转换模块将图像转化为HSV编码图像并根据标识单元颜色标识的HSV参数将图像转化为二值图像。

6.根据权利要求5所述的网球机器人定位系统，其特征在于所述搜索模块根据二值图像调整图像提取单元的提取范围，确保网球场的两个拦柱同时出现在左右两CMOS摄像头的视野，否则向Arduino控制板发送信号以调整舵机旋转。

7.根据权利要求6所述的网球机器人定位系统，其特征在于所述定位模块获取机器人相对于网球场拦柱的位置，具体包括：

当舵机停止旋转后，采用最小包围矩形算法拾取网球场拦柱轮廓，以确定网球场拦柱中心线在左图像中的像素坐标x_l以及在右图像中的像素坐标x_r；

根据以下公式求得机器人到两个拦柱的距离L₁和L₂：

其中，其中Z表示两摄像头所在垂直平面到目标物拦柱的距离，f是用像素表示的摄像头焦距，T是两个摄像头光轴之间的间距，x_l是网球场拦柱中心线在左摄像头拍摄图像上的图像坐标，x_r是网球场拦柱中心线在右摄像头拍摄图像上的图像坐标；

根据L₁和L₂求得机器人坐标：

x＝±L₂*cosA

y＝L₃+L₂*sinA

其中A为机器人与拦柱2之间连线与X轴的夹角，且L₃为网球场拦柱到网球场外侧边界的距离；

根据图像中两拦柱不同颜色标识物的相对位置关系判断机器人坐标x的正负，若拦柱1在拦柱2左侧，则x取正号，否则则x取负号。

8.一种上述网球机器人定位系统的定位方法，其特征在于包括：

步骤1、启动CMOS摄像头，两摄像头同时采集场地区域图像并将图像发送至计算机；

步骤2、计算机处理图像，调整舵机旋转，具体包括：

对摄像头采集的图像进行双边滤波处理；

将所述图像转化为HSV格式，并在标识物颜色范围内进行二值化处理；

根据二值图像调整舵机旋转直至两拦柱同时出现在两摄像头视野中；

采用最小包围圆算法拾取网球场拦柱轮廓，确定网球场拦柱中心线在左、右摄像头拍摄图像中的像素坐标x_l和x_r；

步骤3、根据双目视觉的基本原理以及两拦柱不同颜色标识物的相对位置关系求解出网球机器人坐标。

9.根据权利要求8所述的网球机器人定位方法，其特征在于还包括建立以网球场外侧边界为X轴、以两拦柱连线为Y轴的坐标系的步骤。

10.根据权利要求8所述的网球机器人定位方法，其特征在于还包括对摄像头进行标定的步骤。