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1、(10)申请公布号 CN 103868509 A (43)申请公布日 2014.06.18 CN 103868509 A (21)申请号 201410100962.4 (22)申请日 2014.03.18 G01C 21/00(2006.01) (71)申请人 广东顺德中山大学卡内基梅隆大学 国际联合研究院 地址 528300 广东省佛山市顺德区大良街道 办广东顺德中山大学卡内基梅隆大学 国际联合研究院 (72)发明人 王国利 赫明潇 郭雪梅 (74)专利代理机构 北京万慧达知识产权代理有 限公司 11111 代理人 张金芝 杨颖 (54) 发明名称 利用光电鼠标传感实现的二维运动定位装置 及。
2、方法 (57) 摘要 本发明涉及定位装置和方法， 尤其涉及一种 利用光电鼠标传感器实现的二维运动定位装置及 方法， 其中定位装置包括传感模块和信息处理模 块， 其特征在于， 所述传感模块包括至少三个有高 度差配置的光电鼠标传感单元。 同时， 本发明还涉 及一种利用上述装置实现的二维运动定位方法。 本发明基于在三个不同高度捕获的图像特征数进 行动态标定， 提高了装置对高度变化的适应能力。 本发明装置有成本低、 小型化、 安装使用简单且性 能稳定等特点， 适用于室内外环境中移动设备的 定位。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产。
3、权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103868509 A CN 103868509 A 1/2 页 2 1. 一种利用光电鼠标传感实现的二维运动定位装置， 包括 ： 传感模块和信息处理模 块， 其特征在于， 所述传感模块包括光电鼠标传感模块， 所述光电鼠标传感模块包括至少三 个光电鼠标传感单元。 2. 根据权利要求 1 所述置， 其特征在于， 所述至少三个光电鼠标传感单元由高到低处 于不同水平高度。 3. 根据权利要求 2 所述的定位装置， 其特征在于， 所述光电鼠标传感单元等距离设置。 4. 根据权利要求 3 所述的定位装置， 其特征。
4、在于， 所述距离为 5mm。 5. 根据权利要求 1 所述的定位装置， 其特征在于， 所述定位装置设置成使其指定平面 与移动表面平行且间隔开一定距离。 6. 根据权利要求 5 所述的定位装置， 其特征在于， 所述间隔开的距离为 40-55mm 之间。 7. 根据权利要求 1 所述的定位装置， 其特征在于， 所述光电鼠标传感单元包括光电鼠 标传感芯片、 透镜系统和高强度光源。 8. 根据权利要求 1 所述的定位装置， 其特征在于， 通过布设移动表面色彩有明显差异 的标签， 以消除累计误差。 9. 根据权利要求 1 所述的利用光电鼠标传感实现的二维定位装置的定位方法， 其步骤 如下 ： a. 定位。
5、装置安装及调节 （1） 将定位装置安置于移动设备上， 定位装置表面与移动表面平行， 并相隔移动表面一 定距离 Hinitial； （2） 建立上位机与定位装置间的连接 ； （3） 调节传感单元的透镜系统， 使得传感单元 SQUAL 寄存器的值 Ssqual_i(i=1,2,3,n 且 n 3) 分别达到最大 , 并记录此时透镜系统像距 h ； b. 标定传感单元动态高度及对二维运动进行定位 （1） 根据测量表面选择单片机控制器数据库中的装置高度标定公式参数， 不同表面对 应不同参数 （ci,di,ei,fi） ； （2） 定位装置高度标定按如下公式计算 ： （3） 通过定位装置移动中传感单元 。
6、SQUAL 寄存器的值 Ssqual_i(i=1,2,3) 的变化确定 Hi 的变化状态 （判断大于或小于 Hinitial） ； （4） 通过每个光电鼠标传感单元中寄存器Delta_X(Y)的值以及由式(1)中标定的高度 Hi计算装置在平面上 X(Y) 方向上的位移距离 Dx(y)， t(i=1,2,3,n 且 n 3)， n 为光电鼠标 传感单元的个数 ： （5） 通过利用加权矩阵 W 对每个传感单元由式 (2) 得到的 X(Y) 方向上的位移进行加权 计算， 得到更为精确的二维位移输出， 具体为 ： Dx(y) WD (3) 其中， 权 利 要 求 书 CN 103868509 A 2 。
7、2/2 页 3 D Dx(y),1 Dx(y),2 Dx(y)， nT； c. 修正定位装置的累积误差。 10. 根据权利要求 9 所述的定位方法， 其特征在于， 其中步骤 c 中通过布设在移动表面 色彩有明显差异的标签来消除累计误差。 权 利 要 求 书 CN 103868509 A 3 1/6 页 4 利用光电鼠标传感实现的二维运动定位装置及方法 技术领域 0001 本发明涉及用于移动设备的定位装置和方法， 尤其涉及利用光电鼠标传感实现的 二维运动定位装置及方法。 背景技术 0002 目前越来越多的包括机器人在内的移动设备被广泛应用到生产和日常生活中， 移 动设备的定位是实现自主导航和运动。
8、控制的基础和关键， 迫切需要精确高、 成本低、 稳定性 好、 使用方便的运动定位装置。根据检测原理的差异， 现有比较成熟的定位技术主要包括 ： 基于卫星信号的 GPS 定位技术、 基于光电编码器的航迹推算方法和基于机器视觉的测量方 法。但上述技术用于移动设备的定位均存在特定的局限性。 0003 首先， 基于卫星信号的 GPS 定位方法已广泛用于包括手机在内的移动设备定位。 该定位技术无法用于室内环境或者室外对卫星信号接收不好的区域。此外， 即使接收信号 良好， 这种定位方法可达的精度 （例如50cm左右） 也难以满足小型高精确度移动设备定位的 需要。 0004 其次， 基于光电编码器的航迹推算。
9、方法限于轮式机器人及借助轮驱动的移动设备 定位， 基本思想是利用嵌入驱动轮内的编码器记录轮子的角位移， 进而转换成轮子移动产 生的相对线位移， 并利用航迹推算实现定位。这种技术算法成熟， 实现简单。但轮子的打滑 等产生的定位误差在航迹推算中会不断累积， 性能会随之恶化。 0005 此外， 基于机器视觉的测量方法， 借助目标在图像中的位置估算目标实际场景中 的位置， 实现兴趣目标的定位。这种方法受光照条件的影响， 性能的稳定性差。同时出于隐 私的考虑， 其适用场合受到一定限制。 0006 上述局限性极大地制约了现有定位方法在移动设备定位中的应用。换言之， 移动 设备定位迫切需要一种普适的、 性能。
10、稳定的、 低成本、 可用性好的定位装置和方法， 这正是 本发明的动机和目的。 发明内容 0007 基于现有技术的不足， 本发明提供一种新的定位装置及方法， 尤其是一种利用光 电鼠标传感实现的二维运动定位装置及方法， 本发明的一个方面， 涉及一种利用光电鼠标 传感实现的二维运动定位装置， 包括 ： 传感模块和信息处理模块， 其特征在于， 还包括光电 鼠标传感模块， 所述光电鼠标传感模块包括至少三个光电鼠标传感单元。 0008 进一步地， 所述信息处理模块包括单片机、 蓝牙串口和上位机， 蓝牙串口模块用于 单片机和上位机之间的通讯。 0009 进一步地， 所述光电鼠标传感单元为三个， 所述三个光电。
11、鼠标传感单元由高到低 处于不同水平高度。 0010 更进一步地， 所述光电鼠标传感单元等距离设置。 0011 优选地， 所述距离为 5mm。 说 明 书 CN 103868509 A 4 2/6 页 5 0012 特别地， 所述定位装置设置成使其指定平面与移动表面平行且间隔开一定距离。 0013 优选地， 所述间隔开的距离为 40-55mm 之间。 0014 进一步地， 所述光电鼠标传感单元包括芯片、 透镜系统和高强度光源。 0015 特别地， 通过布设移动表面色彩有明显差异的标签， 以消除累计误差。 0016 本发明的另一方面， 涉及利用光电鼠标传感实现的二维定位装置的定位方法， 其 步骤如。
12、下 ： 0017 a. 定位装置安装及调节 0018 （1） 将定位装置安置于移动设备上， 定位装置表面与移动表面平行， 并相隔移动表 面一定距离 Hinitial； 0019 （2） 建立上位机与定位装置间的连接 ； 0020 （3） 调节传感单元的透镜系统， 使得传感单元 SQUAL 寄存器的值 Ssqual_i(i=1,2,3) 分别达到最大 , 并记录此时透镜系统像距 h ； 0021 b. 标定传感单元动态高度及对二维运动进行定位 0022 （1） 根据测量表面选择单片机控制器数据库中的装置高度标定公式参数， 不同表 面对应不同参数 (ci,di,ei,fi) ； 0023 （2） 。
13、定位装置高度标定按如下公式计算 ： 0024 0025 （3） 通过定位装置移动中传感单元 SQUAL 寄存器的值 Ssqual_i(i=1,2,3) 的变化确 定 Hi的变化状态 （判断大于或小于 Hinitial） ； 0026 （4） 通过每个光电鼠标传感单元中寄存器Delta_X(Y)的值以及由式(1)中标定的 高度 Hi计算装置在平面上 X(Y) 方向上的位移距离 Dx(y).i(i=1,2,3) ： 0027 0028 （5） 通过利用加权矩阵 W 对每个传感单元由式 (2) 得到的 X(Y) 方向上的位移进行 加权计算， 得到更为精确的二维位移输出， 具体为 ： 0029 Dx(。
14、y) WD (3) 0030 其中， 0031 0032 D=Dx(y)， 1 Dx(y)， 2 Dx(y)， 3T; 0033 c. 修正定位装置的累积误差。 0034 进一步地， 其中步骤 c 中通过布设在移动表面色彩有明显差异的标签来消除累计 误差。 0035 本发明通过实施上述技术方案， 采用光电鼠标传感定位， 较传统技术相比， 设备更 加简单， 成本低， 同时有较广泛适用范围， 尤其适用于小型化集成的机器人或移动设备的定 位需要。 附图说明 说 明 书 CN 103868509 A 5 3/6 页 6 0036 图 1 为利用光电鼠标传感实现的二维运动定位装置结构图 ； 0037 图。
15、 2 为光电鼠标传感单元设计结构图 ； 0038 图 3（a） 为表面纹理图像特征寄存器的值与高度的关系 ； 0039 图 3（b） 为三个传感单元高度与获取的图像特征关系曲线图 ； 0040 图 4（a） 为标签布设示意图 ； 0041 图 4（b） 当前节点到八个方向的指示。 具体实施方式 0042 以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案， 而不能以此来限制本发明 的保护范围。如在说明书及权利要求当中使用了某些用语来指称特定部件。本领域技术人 员应可理解， 产品制造商可能会用不同名词来称呼同一个部件。本说明书及权利要求并不 以名称的差异来作为区分部件的方式， 而是以部件在功能上的差。
16、异来作为区分的准则。说 明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式， 然所述描述乃以说明本新型的一般原则为目 的， 并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。 0043 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。 0044 本发明实施例中光电鼠标传感模块以包括三个传感单元为例进行说明。附图 1 为 利用光电鼠标传感实现的二维运动定位装置结构图， 其中包括单片机 1、 蓝牙串口模块 2 和 光电鼠标传感模块 3， 其中蓝牙串口模块 2 用于与上位机之间的通讯， 并对数据进行处理及 传输反馈信息， 从而进一步对机器人等移动设备进行监控。所述光电鼠标传感模块 3 的。
17、工 作基本原理和桌面工作的电脑鼠标原理完全相同， 所述光电鼠标传感模块 3 包括至少三个 光电鼠标传感单元 4， 优选包括三个光电鼠标传感单元 4。所述光电鼠标传感单元 4 具体结 构见附图 2 所示， 包括光电鼠标芯片 5、 透镜系统 6 和光源 7， 其中透镜系统 6 优选包括 8mm 镜头， 且可调相距。在一个实施例中， 三个光电鼠标传感单元 4 由高到低处于不同水平高 度， 可任意间隔设置， 优选之间间隔均为 5mm， 利用传感获取的表面纹理图像特征变化作为 状态特征判断高度变化状态， 从而动态标定定位装置。利用上述光电鼠标传感实现二维运 动定位， 步骤如下 ： 0045 定位装置的安。
18、装及调节 0046 将定位装置安置于需要定位的移动机器人或设备上， 保证定位装置指定平面与 移动表面平行， 具有一定距离， 优选使定位装置指定平面与移动表面距离为 Hinitial=47mm （3mm） 。之后， 给定位装置供电， 配置带有蓝牙适配的上位机， 建立上位机与定位装置连 接， 发送测试命令读取光电鼠标传感模块 3 寄存器值。最后， 在本实施例中， 分别调节三个 传感单元 4 的透镜系统， 使得三个传感单元 4SQUAL 寄存器的值 Ssqual_i(i=1,2,3) 分别达到 最大 , 并记录此时透镜系统像距 h。 0047 传感的动态高度标定及二维运动的定位 0048 （1） 根。
19、据测量表面选择单片机控制器数据库中的装置高度标定公式参数， 不同表 面对应不同参数 （ci,di,ei,fi） 。 0049 （2） 装置高度标定公式 ： 0050 说 明 书 CN 103868509 A 6 4/6 页 7 0051 （3） 通过装置移动中三个传感单元 SQUAL 寄存器的值 Ssqual_i(i=1,2,3) 的变化确 定 Hi的变化状态 （判断大于或小于 Hinitial） 。 0052 （4） 通过每个传感单元中寄存器 Delta_X(Y) 的值以及由式 (1) 中标定的高度 Hi 计算装置在平面上 X(Y) 方向上的位移距离 Dx(y).i(i=1,2,3) ： 0。
20、053 0054 （5） 通过利用加权矩阵 W 对每个传感单元由式 (2) 得到的 X(Y) 方向上的位移进行 加权计算， 得到更为精确的二维位移输出， 具体为 ： 0055 Dx(y) WD (3) 0056 其中， 0057 0058 D=Dx(y)， 1 Dx(y)， 2 Dx(y)， 3T。 0059 对于装置误差累积的消除更正 0060 在室内或者有条件的室外， 在移动设备移动的表面布设经过设计的配套标签， 当 定位装置移动到标签表面时， 传感模块能获取到标签的表面图像， 对标签表面图像的编码 设计使标签能被辨识， 通过在定位装置控制芯片内建立标签到绝对位置信息的映射表， 从 而达到。
21、利用信标修正定位装置的累积误差。 0061 在本发明的实施例中， 传感单元是这样工作的， 通过芯片 5， 具体可选为 ADNS-2610， 由高强度光源 7 发出的光， 集成的 CMOS 感光器件高速连续捕捉被照亮地面 9 的 移动表面区域 8（被照亮可视区） 的纹理图像， 比较前后两帧图像的差异利用光流算法得 到位移增量输出 Delta_X(Delat_Y)。但由于鼠标本身工作时必须紧贴工作面， 这给在移动 设备上的使用带来不便， 稍微的抖动或者离开工作面就使鼠标无法工作， 所以本发明装置 重新构置了新的光学透镜和光源系统。这样的传感模块可以在离开工作表面距离 H=40 55mm 范围内工作。
22、并且输出可靠的位移结果。传感模块的输出由式 (4) 给出， 式 (5) 则进一 步给出依据传感模块输出计算传感位移的方法。 0062 0063 其中， nx是寄存器 Delta_x 的输出值， np是运动方向上传感的总像素值， v 是 x 方 向上传感运动速度， H 是透镜距表面高度， 是 FOV 即透镜的视场角。 0064 v*t H/hnx/400 (5) 0065 上述 (5) 式中 h 是传感模块中光学系统部分的透镜距离芯片感光 CMOS 的距离， 即 成像系统的像距， h 要求略大于透镜焦距且小于透镜焦距的两倍， 具体数值需要在调节传感 模块到可工作状态后测量。上述公式 (4) 与公。
23、式 (5) 相等价， 公式 (5) 计算出的单位是英 寸 (inch)。从公式 (4) 中更容易发现广角和小角度 FOV 透镜对传感的影响。 0066 广角 ： 缺点是使传感模块可靠工作的表面特征(SQUAL)要求要高， 且使SQUAL寄存 器的值Ssqual达到最大的高度Hmax低。 但寄存器(Delta_X)增长慢， 不易溢出， 同时对于抖动 和倾斜引发的噪声鲁棒性高。小角度 FOV 透镜相反。经过试验和对实际使用情况的分析， 本设计采用 8mm 摄像头板机透镜可以有良好稳定的效果。 说 明 书 CN 103868509 A 7 5/6 页 8 0067 从式(5)中可以看出单个传感单元对。
24、位移的测量与模块距离移动平面的高度H有 关。当模块固定在移动设备上随设备移动时， 由于移动设备所在表面并不平整或者表面有 碎石等杂物时， H 的值也会随之变化， 而并不是最初装配装置时的高度。这样再用 (5) 式计 算位移对移动设备定位就会产生明显误差。为了进一步消除高度变化带来的影响， 本装置 采用三个不同高度的传感模块配合， 同时利用传感模块检测到的表面纹理图像特征 SQUAL 寄存器的值 Ssqual_i(i=1,2,3) 与高度的关系， 具体如图 3（a） 所示， 而将三个不同高度传感 单元曲线绘于一图中如图 3（b） 所示， 通过将曲线拟合为两条直线得到用 Ssqual_i标定的高 。
25、度 Hi， 具体为式 (6)。 0068 0069 其中 Hinitial为装置装配好时各传感模块距离移动表面的初始高度。 通过三个不同 高度的同构传感的组合可以通过查询 Ssquali可能出现的状态判断 Hi与 Hinitial的关系， 从而 选择式 (6) 中 Hi计算的适当表达。Ssqual_i的状态与 Hi关系 0070 如表 1 所示 ： 0071 表 1Ssqual_i的状态与 Hi关系表 0072 0073 进一步地， 通过每个传感单元中寄存器Delta_X(Y)的值以及由式(6)中标定的高 说 明 书 CN 103868509 A 8 6/6 页 9 度 Hi计算装置在平面上 。
26、X(Y) 方向上的位移距离 Dx(y)， i(i=1,2,3) ： 0074 0075 进一步地， 通过一种加权的方法融合三个传感单元的数据， 可以降低数据中测量 引起的误差， 提高装置的可靠程度， 具体方法为 ： 通过利用加权矩阵 W 对每个传感单元由式 (2) 得到的 X(Y) 方向上的位移进行加权计算， 得到更为精确的二维位移输出， 具体为 ： 0076 Dx(y) WD (8) 0077 其中， 0078 0079 D=Dx(y),1Dx(y),2Dx(y),3T。 0080 最后， 对于装置在利于布设标签的情况下， 给出一种标签布设与设计的方法， 从而 达到对于装置使用中累积误差消除。
27、的目的。具体方法为 ： 通过布设与移动表面色彩有明显 差异的标签， 本方法采用两种标签 （红色和黑色鼠标垫） ， 布设如图 4 所示， 所有标签以一个 单位距离等间隔排列。利用装置中传感单元寄存器 Pixel_Sum 的值来区分两种标签及它们 与移动表面， 标签及地面与对应 Pixel_Sum 的值列于表 2 中。 0081 表 2 标签及地面与对应 Pixel_Sum 的值关系表 0082 传感模块位置Pixel_Sum 值 瓷砖地面67 黑色鼠标垫 红色鼠标垫 32 60 0083 当装置移动中检测到第一个标签时， 利用 Pixel_Sum 值判断标签类型并记录， 当 下一次再检测到标签时。
28、再利用 Pixel_Sum 值判断标签类型 （假设移动不会出现使相邻 8 个 标签都漏检测的情况） ， 比较两次检测到的标签是否相同， 同时记录当前标签类型清除上一 次记录。 当前后两次检测到的标签类型不同时， 装置移动了一个单位距离， 当前后两次检测 到的标签类型相同， 则装置移动了倍单位距离。 通过这样简单的判断可以对装置自身测 量的二维位移进行修正， 使累积误差保持在一个可以容忍的限度内， 使得装置的工作可靠 程度提高。 0084 值得注意的是， 以上所述仅为本发明的较佳实施例， 并非因此限定本发明的专利 保护范围， 本发明还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进， 或者是采用技 术等同物进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效结构变化， 或直接或 间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。 说 明 书 CN 103868509 A 9 1/2 页 10 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103868509 A 10 2/2 页 11 图 3（a） 图 3（b） 图 4（a） 图 4（b） 说 明 书 附 图 CN 103868509 A 11 。