一种基于双目视觉和寻路缘技术的导航系统及导航方法

摘要

本发明公开了一种基于双目视觉和寻路缘技术的导航系统及导航方法，包括一级导航模块、二级导航模块、障碍避险模块和环境分析模块，其特征在于：所述一级导航模块用于获取装置的初始位置和目的地位置，并拟合出规划路线，所述二级导航模块用于判断路面实况，根据路面实际状况进行直行或转弯，所述障碍避险模块用于检测路面障碍，并实行有效规避，所述环境分析模块用于判断装置所处环境状况，并对危险环境发出警报，所述一级导航模块包括当前位置标定子模块、目的地位置输入子模块、等距点阵单元、路线规划子模块、指北单元和常用路线数据库子模块，本发明，具有精确导航和规避风险的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及导航技术领域，具体为一种基于双目视觉和寻路缘技术的导航系统及导航方法。

背景技术

随着现代化生产的快速发展，很多场合均采用机器人协助或代替人工完成很多枯燥、繁琐和危险的工作。在机器人工作时，需要机器人按照正确的轨迹运动实现自主导航，从而完成指定的工作。然而，机器人采用的这种自主导航方式对传感器的要求较高，增加了机器人的成本和结构复杂度，并且算法复杂，计算量大，容易出错。同时传统的导航系统通常为无线电导航系统或卫星导航系统，无线电导航系统必须辐射和接收无线电波，易被发现和干扰，需要载体外的导航台支持，一旦导航台失效，与之对应的导航设备无法使用，同时，也易发生故障。因此，设计精确导航和规避风险的一种基于双目视觉和寻路缘技术的导航系统及导航方法是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双目视觉和寻路缘技术的导航系统及导航方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于双目视觉和寻路缘技术的导航系统及导航方法，包括一级导航模块、二级导航模块、障碍避险模块和环境分析模块，其特征在于：所述一级导航模块用于获取装置的初始位置和目的地位置，并拟合出规划路线，所述二级导航模块用于判断路面实况，根据路面实际状况进行直行或转弯，所述障碍避险模块用于检测路面障碍，并实行有效规避，所述环境分析模块用于判断装置所处环境状况，并对危险环境发出警报。

根据上述技术方案，所述一级导航模块包括当前位置标定子模块、目的地位置输入子模块、等距点阵单元、路线规划子模块、指北单元和常用路线数据库子模块，所述当前位置标定子模块用于标定装置当前所在位置，所述目的地位置输入子模块与当前位置标定子模块电连接，所述目的地位置输入子模块用于锁定目的地所在位置，使装置执行向目的地方向前行命令，所述等距点阵单元与目的地位置输入子模块电连接，所述等距点阵单元用于以装置为中心建立若干组定位点阵，所述路线规划子模块与等距点阵单元电连接，所述路线规划子模块用于规划当前位置至目的地位置的最佳路线，所述指北单元用于对装置行进时导向，所述常用路线数据库子模块用于根据导航起始点和终点的所在位置频率，找出频率较高的预先存储为经常使用的路线。

根据上述技术方案，所述一级导航模块的工作方法为：

S1.以当前位置标点为原点O，建立直角坐标系；

S2.在直角坐标系中确定目的地所在位置，并标定为终点P，原点O至终点P的距离标记为L；

S3.以原点O为圆心，L的长度为半径，接合周围路况建立等距点阵单元，使得每两组点单元间距均为100米；

S4.路线规划子模块在等距点阵单元内寻找O点至P点所需相连的最少点单元，并相连确定路线；

S5.指北单元记录路线方向角度数值；

S6.当连续重复有若干组点单元数量以及角度数值相等时，则录入常用路线数据库子模块；

S7.再次启动装置导航时，优先调用常用路线数据库子模块路线供使用者选择，若使用者确定此路线，则无需重复步骤S1-S6，若使用者否定此路线，则重复步骤S1-S6。

根据上述技术方案，所述二级导航模块包括双目图像采集子模块、长焦镜头子模块、判断单元一、调速单元、路缘识别子模块和路缘追踪子模块，所述双目图像采集子模块用于拍摄装置附近实际路况，并将实时成像显示画面传输至判断单元一，所述长焦镜头与双目图像采集子模块电连接，所述长焦镜头子模块用于拍摄装置远处路线装置，并成像传输至判断单元一，所述判断单元一与长焦镜头子模块电连接，所述判断单元一用于识别双目图像采集模块和长焦镜头模块成像，判断前方路况，并反馈信号至调速单元，所述调速单元与判断单元电连接，所述调速单元用于根据判断单元一的信号控制装置前行速度，所述路缘识别子模块与双目图像采集子模块和长焦镜头子模块电连接，所述路缘识别子模块用于提取双目图像采集子模块的成像信息，实时识别装置所在附近路缘信息，所述路缘追踪子模块与路缘识别子模块电连接，所述路缘追踪子模块用于控制装置跟随路缘信息追踪前行。

根据上述技术方案，所述二级导航模块的工作方法为：

A.利用双目图像采集子模块和长焦镜头子模块采集装置附近以及装置远处图像；

B.判断单元一根据图像信息判断路线附近是否存在异物以及前方100米内路线是否为直线；

C.当不存在异物且前方100米内路线均为直线时，调速单元调高装置前行速度；

D.当判断装置附近存在异物或者100米内路线存在弯曲时，调速单元调低装置前行速度，同时启动路缘识别子模块；

E.路缘识别子模块进一步识别双目图像采集子模块以及长焦镜头子模块中图像信息，提取路缘图像信息；

F.路缘追踪子模块控制装置前行方向，保证路缘识别子模块识别的路缘图像信息在成像中位置大小不变，实现追踪路缘作用。

根据上述技术方案，上述步骤B中，判断单元一的判断方法：

G.识别双目图像采集子模块和长焦镜头子模块前方路线的图像图层

H.将常规路线下的路线图层颜色记录；

I.当识别到的路线图层中出现其他颜色图层时或者识别到路线图层出现弯曲时，判定单元输出判定异常信号。

根据上述技术方案，所述障碍避险模块包括激光雷达扫描单元、特征提取子模块、判断单元二和路线调整单元，所述激光雷达扫描单元用于激光扫描装置附近异物，所述特征提取子模块与激光雷达扫描单元电连接，所述特征提取子模块用于提取判装置附近异物大小形态特征，所述判断单元二与特征提取子模块电连接，所述判断单元二用于判断装置附近的异物是否影响装置前行，所述路线调整单元与判断单元二电连接，所述路线调整单元与一级导航模块电连接，所述路线调整单元用于调整规划最新路线。

根据上述技术方案，所述障碍避险模块的工作方法为：

u.激光雷达扫描单元以装置为中心向前方发射扩散型激光点阵衰弱光信号；

v.特征提取子模块将对异物反馈的扩散型激光点阵衰弱光信号转化为数字电信号D；

w.通过公式求得数字电信号D值，判断单元根据D值，与异物通过最大值T作对比；

x.当D＞T时无法通过，路线调整单元以当前位置为原点O，重新启动一级导航模块规划路线，并自动排出当前所导航路线。

根据上述技术方案，所述上述步骤w中，异物数字电信号计算公式为：

其中D为雷达扫描单元扫描后特征提取子模块提取的数字电信号值，n为检测到异物光信号的个数，Lmin为光信号最小衰弱量，K为雷达扫描单元光信号转特征提取子模块电信号的固定系数。

根据上述技术方案，所述环境分析模块包括双目视觉校正模块和紧急位置信号发送子模块，所述双目视觉校正子模块用于对颠簸路面采集画质进行修复校正，所述紧急位置信号发送子模块用于对危险环境或装置受损时自动发送危险位置信息。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明，通过设置有一级导航模块、二级导航模块、障碍避险模块和环境分析模块，可以有效提高对装置导航精确高效性和行驶路上的安全性，同时还实现了全自动化避险和紧急提示的作用。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的整体系统模块示意图；

图2是本发明的工作方法示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，本发明提供技术方案：一种基于双目视觉和寻路缘技术的导航系统及导航方法，包括一级导航模块、二级导航模块、障碍避险模块和环境分析模块，其特征在于：一级导航模块用于获取装置的初始位置和目的地位置，并拟合出规划路线，二级导航模块用于判断路面实况，根据路面实际状况进行直行或转弯，障碍避险模块用于检测路面障碍，并实行有效规避，环境分析模块用于判断装置所处环境状况，并对危险环境发出警报；通过上述系统模块，可以有效提高对装置导航精确高效性和行驶路上的安全性，同时还实现了全自动化避险和紧急提示的作用。

一级导航模块包括当前位置标定子模块、目的地位置输入子模块、等距点阵单元、路线规划子模块、指北单元和常用路线数据库子模块，当前位置标定子模块用于标定装置当前所在位置，目的地位置输入子模块与当前位置标定子模块电连接，目的地位置输入子模块用于锁定目的地所在位置，使装置执行向目的地方向前行命令，等距点阵单元与目的地位置输入子模块电连接，等距点阵单元用于以装置为中心建立若干组定位点阵，路线规划子模块与等距点阵单元电连接，路线规划子模块用于规划当前位置至目的地位置的最佳路线，指北单元用于对装置行进时导向，常用路线数据库子模块用于根据导航起始点和终点的所在位置频率，找出频率较高的预先存储为经常使用的路线；优化了装置导航路线，同时设置有的常用路线数据库子模块，可以无需再次导航，快速锁定常用路线提高装置运行速率和简化操作。

一级导航模块的工作方法为：

S1.以当前位置标点为原点O，建立直角坐标系；

S2.在直角坐标系中确定目的地所在位置，并标定为终点P，原点O至终点P的距离标记为L；

S3.以原点O为圆心，L的长度为半径，接合周围路况建立等距点阵单元，使得每两组点单元间距均为100米；

S4.路线规划子模块在等距点阵单元内寻找O点至P点所需相连的最少点单元，并相连确定路线；

S5.指北单元记录路线方向角度数值；

S6.当连续重复有若干组点单元数量以及角度数值相等时，则录入常用路线数据库子模块；

S7.再次启动装置导航时，优先调用常用路线数据库子模块路线供使用者选择，若使用者确定此路线，则无需重复步骤S1-S6，若使用者否定此路线，则重复步骤S1-S6。

二级导航模块包括双目图像采集子模块、长焦镜头子模块、判断单元一、调速单元、路缘识别子模块和路缘追踪子模块，双目图像采集子模块用于拍摄装置附近实际路况，并将实时成像显示画面传输至判断单元一，长焦镜头与双目图像采集子模块电连接，长焦镜头子模块用于拍摄装置远处路线装置，并成像传输至判断单元一，判断单元一与长焦镜头子模块电连接，判断单元一用于识别双目图像采集模块和长焦镜头模块成像，判断前方路况，并反馈信号至调速单元，调速单元与判断单元电连接，调速单元用于根据判断单元一的信号控制装置前行速度，路缘识别子模块与双目图像采集子模块和长焦镜头子模块电连接，路缘识别子模块用于提取双目图像采集子模块的成像信息，实时识别装置所在附近路缘信息，路缘追踪子模块与路缘识别子模块电连接，路缘追踪子模块用于控制装置跟随路缘信息追踪前行；通过采集装置前行时的实时路况可以对装置实际矿进行调整，若装置前方路线笔直且无异物影响，则调高装置前行速度，提高装置效率，当装置前方存在异物时，则降速进行规避，当前方路线拐弯时，装置将锁定路缘，并降速，沿着路缘转弯角度实时转弯，相较于传动导航，达到导航更精确和行驶更安全的效果。

二级导航模块的工作方法为：

A.利用双目图像采集子模块和长焦镜头子模块采集装置附近以及装置远处图像；

B.判断单元一根据图像信息判断路线附近是否存在异物以及前方100米内路线是否为直线；

C.当不存在异物且前方100米内路线均为直线时，调速单元调高装置前行速度；

D.当判断装置附近存在异物或者100米内路线存在弯曲时，调速单元调低装置前行速度，同时启动路缘识别子模块；

E.路缘识别子模块进一步识别双目图像采集子模块以及长焦镜头子模块中图像信息，提取路缘图像信息；

F.路缘追踪子模块控制装置前行方向，保证路缘识别子模块识别的路缘图像信息在成像中位置大小不变，实现追踪路缘作用。

上述步骤B中，判断单元一的判断方法：

G.识别双目图像采集子模块和长焦镜头子模块前方路线的图像图层

H.将常规路线下的路线图层颜色记录；

I.当识别到的路线图层中出现其他颜色图层时或者识别到路线图层出现弯曲时，判定单元输出判定异常信号。

障碍避险模块包括激光雷达扫描单元、特征提取子模块、判断单元二和路线调整单元，激光雷达扫描单元用于激光扫描装置附近异物，特征提取子模块与激光雷达扫描单元电连接，特征提取子模块用于提取判装置附近异物大小形态特征，判断单元二与特征提取子模块电连接，判断单元二用于判断装置附近的异物是否影响装置前行，路线调整单元与判断单元二电连接，路线调整单元与一级导航模块电连接，路线调整单元用于调整规划最新路线；当行驶过程中遇到障碍物时，激光雷达扫描单元将检测障碍物的体积信息，可以判断是否通过，当不能规避障碍物通过时，路线调整单元可以从新规划其他路线，实现了导航过程中的可变性，避免装置到障碍物损坏装置。

障碍避险模块的工作方法为：

u.激光雷达扫描单元以装置为中心向前方发射扩散型激光点阵衰弱光信号；

v.特征提取子模块将对异物反馈的扩散型激光点阵衰弱光信号转化为数字电信号D；

w.通过公式求得数字电信号D值，判断单元根据D值，与异物通过最大值T作对比；

x.当D＞T时无法通过，路线调整单元以当前位置为原点O，重新启动一级导航模块规划路线，并自动排出当前所导航路线。

上述步骤w中，异物数字电信号计算公式为：

其中D为雷达扫描单元扫描后特征提取子模块提取的数字电信号值，n为检测到异物光信号的个数，Lmin为光信号最小衰弱量，K为雷达扫描单元光信号转特征提取子模块电信号的固定系数。

环境分析模块包括双目视觉校正模块和紧急位置信号发送子模块，双目视觉校正子模块用于对颠簸路面采集画质进行修复校正，紧急位置信号发送子模块用于对危险环境或装置受损时自动发送危险位置信息；在颠簸路面行驶时造成滑面抖动，双目视觉校正子模块可以智能修护抖动滑面，有助于判断路面信息，还可以在装置受损或过于抖动时，发送位置信号，实现报警的作用，提醒此处位置的危险性高。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。