CN105466420B - 一种读取智能移动设备动作标识的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
一种读取智能移动设备动作标识的装置与方法属于导航和模式识别技术领域，尤其涉及一种读取智能移动设备动作标识的装置与方法。本发明提供一种抗干扰性强、稳定性好且成本低的读取智能移动设备动作标识的装置与方法。本发明读取智能移动设备动作标识的装置包括单片机、光电管阵列和电源，电源的电能输出端口分别与光电管阵列的电能输入端口、单片机的电能输入端口相连，其结构要点光电管阵列中的光电管排成一列，各光电管之间的间隔相等，光电管阵列的长度大于定位标识的长度；各光电管的状态信号输出端口分别与单片机的状态信号采集端口相连，单片机的位置信息输出端口与智能移动设备的位置信息输入端口相连。
Description
技术领域
本发明属于导航和模式识别技术领域，尤其涉及一种读取智能移动设备动作标识的装置与方法。
背景技术
现有的智能移动设备导航控制，主要有：1.利用陀螺仪、罗盘等传感器进行惯性导航；2.利用电磁或超声波传感器进行导航；3.利用视觉传感器进行导航。但上述3种方法各有缺点。方法1的位置估计误差会随机器人的不断运动而增大；方法2会给探测环境带来污染，如微波、超声等并且各个传感器之间也会彼此干扰；方法3需要很大的图像计算量，导致系统实时性降低。为避免这些问题已有学者提出了采用特定的动作标识指示智能移动设备的行进路径，并用摄像头读取标识中的动作信息。但该方法同样存在信息量大等问题。
发明内容
本发明就是针对上述问题，提供一种抗干扰性强、稳定性好且成本低的读取智能移动设备动作标识的装置与方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明读取智能移动设备动作标识的装置包括单片机、光电管阵列和电源，电源的电能输出端口分别与光电管阵列的电能输入端口、单片机的电能输入端口相连，其结构要点光电管阵列中的光电管排成一列，各光电管之间的间隔相等，光电管阵列的长度大于定位标识的长度；各光电管的状态信号输出端口分别与单片机的状态信号采集端口相连，单片机的位置信息输出端口与智能移动设备的位置信息输入端口相连；所述单片机、光电管阵列和电源均设置在智能移动设备上，随智能移动设备一同运动。
作为一种优选方案，本发明所述定位标识的长度与动作标识的总宽度相等，定位标识为黑色或白色；动作标识为3×3的黑白相间的正方格，其距离定位标识最近的3个方格中左侧和右侧的方格的颜色与定位标识一致，其距离定位标识最远的3个方格中左侧和右侧的方格的颜色与定位标识一致；其它5个方格的颜色为黑色或白色；所述光电管共16个。
作为另一种优选方案，本发明所述定位标识为黑色，尺寸为Dk×Dc＝3cm×12cm，Dk为定位标识的宽度，Dc为定位标识的长度；所述动作标识每个方格尺寸为Df×Df＝4cm×4cm，Df为方格的边长；所述5个方格均为白色；所述光电管间隔为Dg＝1cm，光电管阵列的总长度为15cm。
本发明读取智能移动设备动作标识的方法，包括以下步骤：
步骤1：单片机读取光电管阵列中每个光电管的状态，判断光电管阵列是否到达定位标识，是则转下一步，否则重复步骤1；
步骤2：记录光电管阵列中第一个改变状态的光电管的位置；单片机开始记录每一个光电管通过定位标识时状态改变的持续时间；
步骤3：单片机读取光电管阵列中每个光电管的状态，判断“光电管阵列中所有的光电管全都移出定位标识”这一条件是否为真，是转下一步，否则继续记录每一个光电管通过定位标识时状态改变的持续时间；
步骤4：把每个光电管状态改变的持续时间由大到小进行排序，去掉最大值与最小值，求出平均数，作为光电管阵列通过定位标识的时间；
步骤5：根据光电管阵列通过定位标识的时间、定位标识的宽度、智能移动设备的移动速度，与最先、最后改变状态的光电管的位置通过单片机计算出光电管阵列与动作标识的相对位置，并将位置信息发送给智能移动设备；
步骤6：单片机读取光电管阵列中每个光电管的状态，判断光电管阵列是否进入动作标识；是则转入下一步，否则继续执行步骤6；
步骤7：判断光电管阵列中状态改变的最左端的光电管与最右端的光电管之间的距离是否变化，不变则认为光电管阵列已完全覆盖动作标识；并根据此距离和动作标识的宽度以及最先改变状态的光电管计算出光电管阵列与动作标识的相对角度；
步骤8：根据步骤7中的相对角度、智能移动设备的移动速度、光电管阵列中光电管的状态变化，读取动作标识中的信息作为动作信息发送给智能移动设备。
作为一种优选方案，本发明所述光电管对地面和白色的状态返回值为1，对黑色的状态返回值为0。
作为另一种优选方案，本发明所述步骤1：读取光电管Li，i＝1～16，16个光电管的状态；如果16个光电管有0状态返回，并且持续2个采样周期以上，则认定智能移动设备到达定位标识，转下一步，否则重复步骤1；
步骤2：记录光电管阵列中第一个改变状态的光电管位置记为first_change；并开始记录每一个光电管通过定位标识时状态改变的持续时间timei；
步骤3：光电管阵列中所有的光电管返回状态都为1，则认为“光电管阵列中所有的光电管全都移出定位标识”这一条件是为真，记录最后一个变为1的光电管位置，记为last_change，转下一步，否则继续记录每一个光电管通过定位标识时状态改变的持续时间timei；
步骤4：把所有的timei由大到小进行排序，去掉最大值与最小值，求出平均数，作为光电管阵列通过定位标识的时间timetong；
步骤5：智能移动设备的移动速度为v，按下式计算光电管阵列轴线与定位标识轴线的夹角θ：
θ＝arccos(v×timetong/Dk)
令定位标识为坐标原点，光电管阵列完全通过定位标识时，光电管阵列的几何中心在此坐标系下的坐标按下式计算，first_change大于last_change分3种情：
情况1：
情况2：
情况3：
计算出坐标后发送给智能移动设备的驱动控制器。
其次，本发明所述步骤6：单片机读取光电管阵列中每个光电管的状态，如果有光电管的状态发生变化，记录最先变化状态的光电管位置fx，并将位置相邻的光电管状态两两做异或，将结果累加记为change_f，如果连续3个以上采样周期change_f的值为2或者4，则认为光电管阵列进入动作标识，记录使异或结果为1的光电管的位置为c1、c2或c1、c2、c3、c4，转入下一步，否则继续执行步骤6。
另外，本发明所述步骤7：开始读取动作标识，光电管阵列通过动作标识读取动作信息的过程如下：
A.判断光电管阵列中状态改变的最左端的光电管与最右端的光电管之间的距离是否变化，不变则认为光电管阵列已完全覆盖动作标识；记录此距离为disl；
B.用下式计算光电管阵列与动作标识的夹角
C.用下式计算3次，读取动作标识的光电管的位置编码记为readi,j,i，j＝1,2,3，readi,j标识第i行第j块的读取位置编码；
(1)若fx>N/2，change_f＝4
read1,1＝c1+2
read1,2＝c4-2
read1,3＝c2+(c3-c2)/2
(2)若fx>N/2，change_f＝2
read1,1＝c1+2
read1,2＝c2-2
read1,3＝c1+(c2-c1)/2
(3)若fx<N/2，change_f＝4
read1,1＝c1+2
read1,2＝c4-2
read1,3＝c2+(c3-c2)/2
(4)若fx<N/2，change_f＝2
read1,1＝c1+2
read1,2＝c2-2
read1,3＝c1+(c2-c1)/2
D.记录当前时刻Td＝T，读取
E.当前时刻时，读取
F.当前时刻时，读取
G.读出的动作信息为r12，r21，r22，r23，r32；
步骤8：将动作信息发送给智能移动设备的驱动控制器。
本发明有益效果。
本发明基于光电阵列的读取智能移动设备动作标识的装置，具备以下优点：
1.有效解决了目前在机器人导航领域对复杂环境适应性比较薄弱以及导航中误差累计、运算量大、传感器相互干扰等问题。
2.可以与其他导航系统相结合，提高导航系统的稳定性与实用性。
3.与基于视频的信息读取装置相比结构简单，成本低，便于维护与维修。
4.与基于视频的信息读取装置相比所需数据空间小，信息量少，抗干扰性强。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
图1为本发明一种实施方式动作标识和定位标识示意图；
图2为本发明一种实施方式读取智能移动设备动作标识的装置的示意图；
图3为本发明一种实施方式动作标识信息读取方法流程图；
图4为本发明一种实施方式光电阵列通过定位标识示意图；
图5为本发明一种实施方式光电阵列通过动作标识读取动作信息的过程示意图。
具体实施方式
如图所示，本发明读取智能移动设备动作标识的装置包括单片机、光电管阵列和电源，电源的电能输出端口分别与光电管阵列的电能输入端口、单片机的电能输入端口相连，光电管阵列中的光电管排成一列，各光电管之间的间隔相等，光电管阵列的长度大于定位标识的长度；各光电管的状态信号输出端口分别与单片机的状态信号采集端口相连，单片机的位置信息输出端口与智能移动设备的位置信息输入端口相连；所述单片机、光电管阵列和电源均设置在智能移动设备上，随智能移动设备一同运动。
动作标识中心正对定位标识的中心。所述定位标识的长度与动作标识的总宽度相等，定位标识与动作标识相距为S，定位标识为黑色或白色；动作标识为3×3的黑白相间的正方格，其距离定位标识最近的3个方格中左侧和右侧的方格的颜色与定位标识一致，其距离定位标识最远的3个方格中左侧和右侧的方格的颜色与定位标识一致；其它5个方格的颜色为黑色或白色，共有2的5次幂供32种图案对智能移动设备的下一步动作进行编码；所述光电管共16个。
所述定位标识为黑色，尺寸为Dk×Dc＝3cm×12cm，Dk为定位标识的宽度，Dc为定位标识的长度；所述动作标识每个方格尺寸为Df×Df＝4cm×4cm，Df为方格的边长；所述5个方格均为白色；所述光电管间隔为Dg＝1cm，光电管阵列的总长度为15cm。
本发明读取智能移动设备动作标识的方法，包括以下步骤：
步骤1：单片机(单片机可选用C8051F340)读取光电管阵列中每个光电管的状态(单片机中为0或者1)，判断光电管阵列是否到达定位标识，是则转下一步，否则重复步骤1；
步骤2：记录光电管阵列中第一个改变状态的光电管的位置；单片机开始记录每一个光电管通过定位标识时状态改变的持续时间；
步骤3：单片机读取光电管阵列中每个光电管的状态，判断“光电管阵列中所有的光电管全都移出定位标识”这一条件是否为真，是转下一步，否则继续记录每一个光电管通过定位标识时状态改变的持续时间；
步骤4：把每个光电管状态改变的持续时间由大到小进行排序，去掉最大值与最小值，求出平均数，作为光电管阵列通过定位标识的时间；
步骤5：根据光电管阵列通过定位标识的时间、定位标识的宽度、智能移动设备的移动速度，与最先、最后改变状态的光电管的位置通过单片机计算出光电管阵列与动作标识的相对位置，并将位置信息发送给智能移动设备；
步骤6：单片机读取光电管阵列中每个光电管的状态，判断光电管阵列是否进入动作标识；是则转入下一步，否则继续执行步骤6；
步骤7：判断光电管阵列中状态改变的最左端的光电管与最右端的光电管之间的距离是否变化，不变则认为光电管阵列已完全覆盖动作标识；并根据此距离和动作标识的宽度以及最先改变状态的光电管计算出光电管阵列与动作标识的相对角度；
步骤8：根据步骤7中的相对角度、智能移动设备的移动速度、光电管阵列中光电管的状态变化，读取动作标识中9个方格的信息(黑或白)作为动作信息发送给智能移动设备。
所述光电管对地面和白色的状态返回值为1，对黑色的状态返回值为0。利用光电管将照射地面或标识后反射回的光信号转化为电信号,不同的颜色反射回的电信号大小不同,这些电信号与一个设定好的值相比较,大于为1,小于为0。
所述步骤1：读取光电管Li，i＝1～16，16个光电管的状态；如果16个光电管有0状态返回，并且持续2个采样周期以上，则认定智能移动设备到达定位标识，转下一步，否则重复步骤1；
步骤2：记录光电管阵列中第一个改变状态的光电管位置记为first_change(1-16)；并开始记录每一个光电管通过定位标识时状态改变的持续时间timei；
步骤3：光电管阵列中所有的光电管返回状态都为1，则认为“光电管阵列中所有的光电管全都移出定位标识”这一条件是为真，记录最后一个变为1的光电管位置，记为last_change(1-16)，转下一步，否则继续记录每一个光电管通过定位标识时状态改变的持续时间timei；
步骤4：把所有的timei由大到小进行排序，去掉最大值与最小值，求出平均数，作为光电管阵列通过定位标识的时间timetong；
步骤5：智能移动设备的移动速度为v，按下式计算光电管阵列轴线与定位标识轴线的夹角θ：
θ＝arccos(v×timetong/Dk)
令定位标识为坐标原点，光电管阵列完全通过定位标识时，光电管阵列的几何中心在此坐标系下的坐标按下式计算，first_change大于last_change分3种情，如图4所示：
情况1：
情况2：
情况3：
计算出坐标后发送给智能移动设备的驱动控制器，完成智能移动设备与动作标识的对正。
所述步骤6：单片机读取光电管阵列中每个光电管的状态，如果有光电管的状态发生变化，记录最先变化状态的光电管位置fx，并将位置相邻的光电管状态两两做异或，将结果累加记为change_f，如果连续3个以上采样周期change_f的值为2或者4，则认为光电管阵列进入动作标识，记录使异或结果为1的光电管的位置为c1、c2或c1、c2、c3、c4，转入下一步，否则继续执行步骤6。
所述步骤7：开始读取动作标识，光电管阵列通过动作标识读取动作信息的过程如下：
H.判断光电管阵列中状态改变的最左端的光电管与最右端的光电管之间的距离是否变化，不变则认为光电管阵列已完全覆盖动作标识；记录此距离为disl；
I.用下式计算光电管阵列与动作标识的夹角
J.用下式计算3次，读取动作标识的光电管的位置编码记为readi,j,i，j＝1,2,3，readi,j标识第i行第j块的读取位置编码；
(1)若fx>N/2，change_f＝4
read1,1＝c1+2
read1,2＝c4-2
read1,3＝c2+(c3-c2)/2
(2)若fx>N/2，change_f＝2
read1,1＝c1+2
read1,2＝c2-2
read1,3＝c1+(c2-c1)/2
(3)若fx<N/2，change_f＝4
read1,1＝c1+2
read1,2＝c4-2
read1,3＝c2+(c3-c2)/2
(4)若fx<N/2，change_f＝2
read1,1＝c1+2
read1,2＝c2-2
read1,3＝c1+(c2-c1)/2
K.记录当前时刻Td＝T，读取
L.当前时刻时，读取
M.当前时刻时，读取
N.读出的动作信息为r12，r21，r22，r23，r32；
步骤8：将动作信息发送给智能移动设备的驱动控制器，使智能移动设备执行动作标识指示的动作，完成整个读取过程。
定位标识：用于指示动作标识的位置。
动作标识：用于指示智能移动设备下一步的动作。
单片机：用于根据光电管阵列中每个光电管的状态以及整个光电阵列的变化时序，判断整个装置所处的状态，以及下一周期单片机的动作。
电源：用于提供单片机和光电管正常运行的电能。
光电管阵列：由若干个光电管排成一列(长度大于定位标识)构成，用于检测地面颜色状态的变化。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种读取智能移动设备动作标识的装置，包括单片机、光电管阵列和电源，电源的电能输出端口分别与光电管阵列的电能输入端口、单片机的电能输入端口相连，其特征在于光电管阵列中的光电管排成一列，各光电管之间的间隔相等，光电管阵列的长度大于定位标识的长度；各光电管的状态信号输出端口分别与单片机的状态信号采集端口相连，单片机的位置信息输出端口与智能移动设备的位置信息输入端口相连；所述单片机、光电管阵列和电源均设置在智能移动设备上，随智能移动设备一同运动；
所述定位标识的长度与动作标识的总宽度相等，定位标识为黑色或白色；动作标识为3×3的黑白相间的正方格，其距离定位标识最近的3个方格中左侧和右侧的方格的颜色与定位标识一致，其距离定位标识最远的3个方格中左侧和右侧的方格的颜色与定位标识一致；其它5个方格的颜色为黑色或白色；所述光电管共16个。
2.根据权利要求1所述一种读取智能移动设备动作标识的装置，其特征在于所述定位标识为黑色，尺寸为Dk×Dc＝3cm×12cm，Dk为定位标识的宽度，Dc为定位标识的长度；所述动作标识每个方格尺寸为Df×Df＝4cm×4cm，Df为方格的边长；所述5个方格均为白色；所述光电管间隔为Dg＝1cm，光电管阵列的总长度为15cm。
3.读取智能移动设备动作标识的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：单片机读取光电管阵列中每个光电管的状态，判断光电管阵列是否到达定位标识，是则转下一步，否则重复步骤1；
步骤2：记录光电管阵列中第一个改变状态的光电管的位置；单片机开始记录每一个光电管通过定位标识时状态改变的持续时间；
步骤3：单片机读取光电管阵列中每个光电管的状态，判断“光电管阵列中所有的光电管全都移出定位标识”这一条件是否为真，是转下一步，否则继续记录每一个光电管通过定位标识时状态改变的持续时间；
步骤4：把每个光电管状态改变的持续时间由大到小进行排序，去掉最大值与最小值，求出平均数，作为光电管阵列通过定位标识的时间；
步骤5：根据光电管阵列通过定位标识的时间、定位标识的宽度、智能移动设备的移动速度，与最先、最后改变状态的光电管的位置通过单片机计算出光电管阵列与动作标识的相对位置，并将位置信息发送给智能移动设备；
步骤6：单片机读取光电管阵列中每个光电管的状态，判断光电管阵列是否进入动作标识；是则转入下一步，否则继续执行步骤6；
步骤7：判断光电管阵列中状态改变的最左端的光电管与最右端的光电管之间的距离是否变化，不变则认为光电管阵列已完全覆盖动作标识；并根据此距离和动作标识的宽度以及最先改变状态的光电管计算出光电管阵列与动作标识的相对角度；
步骤8：根据步骤7中的相对角度、智能移动设备的移动速度、光电管阵列中光电管的状态变化，读取动作标识中的信息作为动作信息发送给智能移动设备。
4.根据权利要求3所述读取智能移动设备动作标识的方法，其特征在于所述光电管对地面和白色的状态返回值为1，对黑色的状态返回值为0。
5.根据权利要求4所述读取智能移动设备动作标识的方法，其特征在于所述步骤1：读取光电管Li，i＝1～16，16个光电管的状态；如果16个光电管中任意一个有0状态返回，并且持续2个采样周期以上，则认定智能移动设备到达定位标识，转下一步，否则重复步骤1；
步骤2：记录光电管阵列中第一个改变状态的光电管位置记为first_change；并开始记录每一个光电管通过定位标识时状态改变的持续时间timei；
步骤3：光电管阵列中所有的光电管返回状态都为1，则认为“光电管阵列中所有的光电管全都移出定位标识”这一条件是为真，记录最后一个变为1的光电管位置，记为last_change，转下一步，否则继续记录每一个光电管通过定位标识时状态改变的持续时间timei；
步骤4：把所有的timei由大到小进行排序，去掉最大值与最小值，求出平均数，作为光电管阵列通过定位标识的时间timetong；
步骤5：智能移动设备的移动速度为v，按下式计算光电管阵列轴线与定位标识轴线的夹角θ：
θ＝arccos(v×timetong/Dk)
令定位标识为坐标原点，光电管阵列完全通过定位标识时，光电管阵列的几何中心在此坐标系下的坐标按下式计算，first_change大于last_change分3种情：
情况1：
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情况2：
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计算出坐标后发送给智能移动设备的驱动控制器
N为光电阵列中光电管的个数，Dg为光电阵列中两个光电管之间的距离，Dk为定位标识的宽度，Dc为定位标识的长度。
6.根据权利要求5所述读取智能移动设备动作标识的方法，其特征在于所述步骤6：单片机读取光电管阵列中每个光电管的状态，如果有光电管的状态发生变化，记录最先变化状态的光电管位置fx，并将位置相邻的光电管状态两两做异或，将结果累加记为change_f，如果连续3个以上采样周期change_f的值为2或者4，则认为光电管阵列进入动作标识，记录使异或结果为1的光电管的位置为c1、c2或c1、c2、c3、c4，转入下一步，否则继续执行步骤6。
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