一種機(jī)器人系統(tǒng)及基于機(jī)器人系統(tǒng)的人體探測(cè)和跟蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種機(jī)器人系統(tǒng)，尤其是設(shè)及一種具備人體探測(cè)和跟蹤功能的機(jī)器人 系統(tǒng)；本發(fā)明還設(shè)及一種基于機(jī)器人系統(tǒng)的人體探測(cè)和跟蹤方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科技和社會(huì)的進(jìn)步，安防技術(shù)得到了快速發(fā)展，并在企事業(yè)單位及家庭的安 防系統(tǒng)中得W廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在全球范圍內(nèi)，2015年安防行業(yè)的產(chǎn)值將達(dá)5000億元。 傳統(tǒng)的安防工作主要采取固定攝像裝置監(jiān)控加人力值班巡邏的模式，該種方式在對(duì)較大區(qū) 域進(jìn)行監(jiān)控時(shí)需要購(gòu)置大量的攝像裝置，設(shè)備投入較高，而且該種模式靈活性較差，很難實(shí) 現(xiàn)無(wú)死角監(jiān)控的目的，該就需要通過(guò)安排安保人員輪流巡邏W彌補(bǔ)不足。但近年來(lái)，隨著人 力成本的不斷上升，致使各企事業(yè)單位在安防工作方面的投入成本也在不斷加大，影響了 經(jīng)濟(jì)效益。
[0003] 基于傳統(tǒng)安防工作模式存在的問題和不足，現(xiàn)階段本領(lǐng)域正在研究和探索"固定 攝像頭+中控室+機(jī)器人巡邏"的安防工作模式，利用機(jī)器人代替安保人員執(zhí)行24小時(shí)巡 邏任務(wù)，W增強(qiáng)安防效果，節(jié)約人力成本，還可W通過(guò)機(jī)器人實(shí)施報(bào)警、考勤、迎賓工作，提 高友好度。在機(jī)器人代替安保人員執(zhí)行安防任務(wù)的過(guò)程中，人是其需要打交道的重要對(duì)象， 包括主人、客人W及非法入侵者等多種角色，該就要求其具備能夠準(zhǔn)確地探測(cè)、跟蹤人體的 能力。
[0004] 目前，在人體探測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)主要包括W下幾種；（1)基于圖像處理的技術(shù)， 其通過(guò)攝像頭采集圖像，再通過(guò)特征提取與識(shí)別的方法檢測(cè)并定位人體。基于固定攝像頭 的安防技術(shù)相對(duì)較為成熟，但移動(dòng)攝像頭的圖像識(shí)別準(zhǔn)確率偏低，難W滿足機(jī)器人移動(dòng)巡 邏的使用要求。（2)基于被動(dòng)式紅外攝像頭的技術(shù)，該種攝像頭通過(guò)紅外線可W準(zhǔn)確地探 測(cè)到人體等發(fā)熱物體，適用于野外場(chǎng)景，但其價(jià)格昂貴、條件要求較高，主要用于軍事。（3) 基于人體感應(yīng)開關(guān)的技術(shù)，人體感應(yīng)開關(guān)靈敏度較高，能夠檢測(cè)一定區(qū)域內(nèi)（例如，檢測(cè)角 度120度左右，距離0~10米左右的區(qū)域）的移動(dòng)人體，但體感應(yīng)開關(guān)只能探測(cè)一定區(qū)域 內(nèi)是否存在人體，而不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，其常被用于自動(dòng)口、走廊燈等場(chǎng)景。（4)基于Kinet 等體感類設(shè)備的技術(shù)，Kinect是微軟推出的甜0x360游戲機(jī)體感設(shè)備，具備采集深度圖像 的能力，通過(guò)特定算法可W實(shí)時(shí)地檢測(cè)到距離0~4米、53°范圍內(nèi)的人體，并能確定人體 的精確位置和姿勢(shì)，Kinect目前主要用于體感交互、游戲控制、機(jī)器導(dǎo)航等領(lǐng)域。盡管目前 已有眾多人體探測(cè)的技術(shù)，但單一地將其應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人，代替安保人員執(zhí)行安防工作， 很難滿足機(jī)器人需要精確地探測(cè)到人體并實(shí)現(xiàn)跟蹤的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種機(jī)器人系統(tǒng)及基于該機(jī)器人系統(tǒng)的人體探測(cè)和跟蹤方 法，機(jī)器人系統(tǒng)具有實(shí)施容易、安全可靠、準(zhǔn)確率高的優(yōu)點(diǎn)；基于該機(jī)器人系統(tǒng)的人體探測(cè) 和跟蹤方法具有容易實(shí)現(xiàn)、執(zhí)行效率高的優(yōu)點(diǎn)；通過(guò)本發(fā)明可W使機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)360° 無(wú)死角的人體探測(cè)和跟蹤目的。
[0006] 為解決現(xiàn)有技術(shù)中基于單一人體探測(cè)技術(shù)不適用于移動(dòng)機(jī)器人，不能實(shí)現(xiàn)精確探 測(cè)和跟蹤人體的技術(shù)問題，本發(fā)明提供的一種機(jī)器人系統(tǒng)包括設(shè)有移動(dòng)功能機(jī)構(gòu)的機(jī)器人 本體，還包括由多個(gè)人體感應(yīng)開關(guān)組成的人體感應(yīng)開關(guān)陣列，和一個(gè)體感攝像裝置，其中多 個(gè)人體感應(yīng)開關(guān)安裝在機(jī)器人本體上并沿機(jī)器人本體的周向均勻分布，其中體感攝像裝置 安裝在機(jī)器人本體上并處于人體感應(yīng)開關(guān)陣列的上方。
[0007] 優(yōu)選地，本發(fā)明提供的一種機(jī)器人系統(tǒng)，其中所述人體感應(yīng)開關(guān)陣列包含四個(gè)人 體感應(yīng)開關(guān)，四個(gè)人體感應(yīng)開關(guān)距離地面的高度均為0. 75m，所述體感攝像裝置距離地面的 高度為Im，體感攝像裝置的拍攝角度成水平狀態(tài)設(shè)置。
[000引本發(fā)明還提供了一種基于機(jī)器人系統(tǒng)的人體探測(cè)和跟蹤方法，包括W下步驟：
[0009] 一、啟動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，讓體感攝像裝置和人體感應(yīng)開關(guān)陣列中的所有人 體感應(yīng)開關(guān)均處于正常工作狀態(tài)；
[0010] 二、人體感應(yīng)開關(guān)陣列中的各個(gè)人體感應(yīng)開關(guān)對(duì)其各自探測(cè)角度度范圍內(nèi)的區(qū)域 進(jìn)行探測(cè)，并根據(jù)是否探測(cè)到人體產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號(hào)，所有人體感應(yīng)開關(guān)的輸出信號(hào)按 順序組合構(gòu)成人體感應(yīng)開關(guān)陣列的輸出信號(hào)集合；
[0011] =、體感攝像裝置對(duì)其探測(cè)角度范圍內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，并根據(jù)是否探測(cè)到人體 產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號(hào)；
[0012] 四、根據(jù)人體感應(yīng)開關(guān)陣列的輸出信號(hào)集合和體感攝像裝置的輸出信號(hào)，機(jī)器人 本體做特定的動(dòng)作W實(shí)現(xiàn)人體探測(cè)和跟蹤目的，所述特定動(dòng)作包括靜止、旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)=種 動(dòng)作狀態(tài)。
[0013] 進(jìn)一步地，本發(fā)明提供的一種基于機(jī)器人系統(tǒng)的人體探測(cè)和跟蹤方法，在所述步 驟四中，具體包括W下步驟：
[0014] (一）當(dāng)人體感應(yīng)開關(guān)陣列和體感攝像裝置均沒有探測(cè)到人體時(shí)，機(jī)器人本體保 持靜止?fàn)顟B(tài)；
[0015] (二）當(dāng)人體感應(yīng)開關(guān)陣列探測(cè)到人體，而體感攝像裝置沒有探測(cè)到人體時(shí)，根據(jù) 人體感應(yīng)開關(guān)陣列的輸出信號(hào)集合確定人體所處的角度范圍，機(jī)器人本體據(jù)此做相應(yīng)的旋 轉(zhuǎn)和移動(dòng)動(dòng)作；
[0016] (=)當(dāng)人體感應(yīng)開關(guān)陣列和體感攝像裝置均探測(cè)到人體時(shí)，根據(jù)體感攝像裝置 的輸出信號(hào)確定人體的精確位置，機(jī)器人本體據(jù)此做相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)動(dòng)作。
[0017] 進(jìn)一步地，本發(fā)明提供的一種基于機(jī)器人系統(tǒng)的人體探測(cè)和跟蹤方法，在所述步 驟（二）中，機(jī)器人本體做相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)動(dòng)作遵循W下規(guī)則：
[0018] 機(jī)器人本體做旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，使人體處于體感攝像裝置的探測(cè)角度范圍內(nèi)；
[0019] 機(jī)器人本體做相對(duì)于人體方向的移動(dòng)動(dòng)作，使人體處于體感攝像裝置的探測(cè)距離 范圍內(nèi)。
[0020] 進(jìn)一步地，本發(fā)明提供的一種基于機(jī)器人系統(tǒng)的人體探測(cè)和跟蹤方法，在所述步 驟（=)中，機(jī)器人本體做相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)動(dòng)作遵循W下規(guī)則：
[0021] 機(jī)器人本體做旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，使人體處于體感攝像裝置正前方的方向；
[0022] 機(jī)器人本體做相對(duì)于人體方向的移動(dòng)動(dòng)作，當(dāng)機(jī)器人本體和人體之間的距離達(dá)到 預(yù)定值后，機(jī)器人本體停止移動(dòng)。
[0023] 進(jìn)一步地，本發(fā)明提供的一種基于機(jī)器人系統(tǒng)的人體探測(cè)和跟蹤方法，其中所述 根據(jù)人體感應(yīng)開關(guān)陣列的輸出信號(hào)集合確定人體所處的角度范圍，遵循W下判斷規(guī)則：
[0024] ①護(hù)中有且僅有第n個(gè)元素的值為1時(shí)，則認(rèn)為人體處于該元素對(duì)應(yīng)的人體感應(yīng) 開關(guān)的探測(cè)角度范圍內(nèi)，
[0025] 0G[Qn-A/2,an+A/引 山
[0026] ②護(hù)中有且僅有第n和第n+1兩個(gè)相鄰元素的值為1時(shí)，則認(rèn)為人體處于該兩個(gè) 元素對(duì)應(yīng)的兩個(gè)人體感應(yīng)開關(guān)的探測(cè)角度范圍的重疊區(qū)域內(nèi)，
[0027] 0G[aw-A/2,Qn+A/2] [2]
[0028] ⑨護(hù)中有兩個(gè)不相鄰的元素的值為1或S個(gè)W上的元素的值為1時(shí)，濾除Bt和 兩個(gè)集合中元素值同為1的元素后，再依據(jù)①或②的規(guī)則判斷人體所處方位角度范圍；
[0029] ④前述S種情況均不符合時(shí)，則認(rèn)為人體所處方位角度范圍為，
[0030] 0G[0,360] 閒
[0031] 在上述①、②、⑨、④項(xiàng)和公式山、口]、口]中，護(hù)二[明，巧，…，瑞棱人體感 應(yīng)開關(guān)陣列在t時(shí)刻的輸出信號(hào)集合，護(hù)-1 =齡-1，的-1，…，瑞-1]表示人體感應(yīng)開關(guān) 陣列在t-1時(shí)刻的輸出信號(hào)集合，0表示人體所處角度范圍，a。表示人體感應(yīng)開關(guān)陣列中 第n個(gè)人體感應(yīng)開關(guān)在W機(jī)器人本體為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中的安裝位置角度，A表示人體感應(yīng) 開關(guān)的探測(cè)角度范圍，Bt和B集合中的某個(gè)元素的值為0時(shí)，表示該元素對(duì)應(yīng)的人體感應(yīng) 開關(guān)的探測(cè)角度范圍內(nèi)沒人，某個(gè)元素的值為1時(shí)，則表示該元素對(duì)應(yīng)的人體感應(yīng)開關(guān)的 探測(cè)角度范圍內(nèi)有人；0e[0,360]時(shí)，表示人體所處的方位角度范圍無(wú)法直接判斷。
[0032] 進(jìn)一步地，本發(fā)明提供的一種基于機(jī)器人系統(tǒng)的人體探測(cè)和跟蹤方法，其中所述 根據(jù)體感攝像裝置的輸出信號(hào)確定人體的精確位置，遵循W下規(guī)則：
[0033] ⑥人體相對(duì)于體感攝像裝置正前方的方位角度為，
[0034] |3 =arctan(x/y) [4]
[00巧]⑧人體相對(duì)于機(jī)器人本體的距離為，
[0036]
巧]
[0037]在上述⑥、⑧項(xiàng)和公式[4]、[5]中，X和y分別表示人體在W機(jī)器人本體為原點(diǎn)的 =維坐標(biāo)系中的X坐標(biāo)值和y坐標(biāo)值，其中X和y夠成