可充电无线传感器网络充电车与充电器定位方法研究(附件)
研究了可充电无线传感器网络充电车对无线充电器的定位方法，比较了各种定位方法的优缺点，通过安装在充电车上的摄像头对装载无线充电器的外壳进行视觉定位。完成了对摄像头的标定，测出了摄像头的内外参数和畸变参数。系统通过OpenCV实现了摄像头对充电器外壳的采集和识别。设计了HSV函数，得到了由RGB图转换的HSV图，并通过全局阈值法将HSV图二值化，得到了只有充电器外壳的黑白图。使用了图像腐蚀和膨胀两种形态学运算对黑白图进行去噪，使用了Canny边缘检测画出充电器外壳的轮廓边缘图。通过最小二乘法对轮廓图进行直线拟合，得到了充电器外壳的四个顶点。使用像素坐标系与世界坐标系的转换公式求出顶点的位置，通过两点间的距离以及角度公式得到了摄像头到充电器外壳的距离和角度，实现定位。经过多次实验证明，计算出的距离和角度与实际的测量值相差很小，能够实现可充电无线传感器网络充电车对无线充电器的定位。关键词 充电器外壳，定位，OpenCV，二值化，边缘检测，坐标系
目 录
1 引言 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究与发展现状 1
2 系统总体方案 4
3 图像采集模块方案 5
3.1 相机标定 5
3.2 坐标系的转换 7
4 图像处理模块方案 10
4.1 总体方案 10
4.2 RGB转为HSV 10
4.3 图像二值化 12
4.4 去噪点 13
4.5 Canny边缘检测 13
4.6 直线拟合 15
5 程序调试 15
5.1 图像采集 15
5.2 二值化 16
5.3 边缘检测 17
5.4 膨胀运算 17
5.5 像素坐标 18
5.6 单目摄像头测量距离与角度 18
6 实验结果及误差分析 19
结 论 20
致 谢 21
参考文献 22
附录 24
引言
研究背景及意义
无线传感器网络在军事、工业、交通等领域有着广泛的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
应用前景和应用价值[1]。但由于无线节点通常受环境的影响，每个节点的能量都很有限，而在某些环境中更换电池或给电池充电并不现实，因此无线充电器对于节点能量的补充就显得至关重要[2]。但单一的充电器使得充电时间增加，充电效率大大降低[3]，因此我们开始研究分离式充电器，可以同时给多方位的节点进行供电。但由于我们无法随时查看电池的实时情况，因此当电池电量耗尽而无法实时更换时，可充电无线传感网络充电车便能够代劳轻松解决这一问题。
现有的无线充电车都是充电器与车体合为一体[4]，因此当充电车给节点充电时，会耗费大量的等待时间。而可充电无线传感网络充电车是设置多个无线充电器，当充电车发现需要充电的无线网络节点时，便自动导航至节点旁，通过机械臂放置充电器，来实现对网络节点的供电，当充电完毕后，充电车再自动导航回收充电器，这就解决了大量等待时间的问题。因此，充电车对无线充电器的精确定位是相当重要的一个环节。
国内外研究与发展现状
室内定位技术研究
由于信号很容易被建筑物遮挡，因此很难在室内使用，如GPS等室外定位系统。为了能在室内进行精确的定位，WiFi、蓝牙、红外线、超声波、射频识别、机器视觉等技术都被用于室内定位技术的研究。每种技术的定位都有其各自的优势和缺点，表11大致可以表示目前室内定位技术的性能和一些特点。
表11 室内定位技术对比
技术
精度
范围
难度
成本
WiFi
m
2050m
较易
较低
蓝牙
m
110m
较易
较低
超声波
cm
210m
较难
较低
红外线
cmm
15m
较难
较低
视觉
0.1mmdm
110m
较易
较低
基于WiFi的定位方法是根据区分室内WiFi的接收信号强弱，来建立位置指纹数据库[5]。在定位过程中，通过匹配实时信号与指纹库信号从而得到最终的定位位置。WiFi定位的优势在于不需要价格高昂的设备，可以利用环境周围存在的WiFi装置，适用于对人或者对车的定位导航，但缺点是定位精度不理想。
基于蓝牙的定位方法同样也是利用了蓝牙的信号强度信息，通过指纹定位或基于信号传播模型的距离定位法实现定位[5]。蓝牙定位适用于室内小区域，优势在于蓝牙发射装置的体积小、电池续航久、功耗低、成本低，并且定位的精度相对较高，但缺点是稳定性差，信号容易受到噪声干扰，只适合短距离、小范围的定位。
基于红外线的定位方法主要是将定位对象附上一个会发射红外线的电子标签，通过在室内放置多个红外传感器测量信号源的距离和角度，从而计算出对象所在的位置[6]。该技术主要用于军事上对飞行器、坦克、导弹等红外辐射源的被动定位，而且这种方法在教空旷的室内才容易实现较高的精度，但红外线很容易被障碍物遮挡，传输的距离也较短，因此需要大量的红外传感器，造成较高的硬件成本。同时，红外线容易受热源、灯光等的干扰，造成定位精度和准确度的下降。
基于超声波的定位方法主要采用反射式测距法，即通过超声波发射波与反射波之间的时间差来计算出距离信息，随后通过三边定位等算法精确地得到位置的坐标[7]。在理想环境下，超声波定位的精度较高，缺点是超声波收发装置的成本较高，并且在实际生活及实验过程中，超声波定位很容易受到环境因素的干扰，从而影响定位的效果。
基于射频识别的定位方法是利用射频信号进行非接触式双向通信并交换数据，从而达到识别和定位的目的[8]。该定位技术精度高，造价低，体积也很小，但缺点是作用距离短，不具备通信能力，不方便集成到终端设备中。
目 录
1 引言 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究与发展现状 1
2 系统总体方案 4
3 图像采集模块方案 5
3.1 相机标定 5
3.2 坐标系的转换 7
4 图像处理模块方案 10
4.1 总体方案 10
4.2 RGB转为HSV 10
4.3 图像二值化 12
4.4 去噪点 13
4.5 Canny边缘检测 13
4.6 直线拟合 15
5 程序调试 15
5.1 图像采集 15
5.2 二值化 16
5.3 边缘检测 17
5.4 膨胀运算 17
5.5 像素坐标 18
5.6 单目摄像头测量距离与角度 18
6 实验结果及误差分析 19
结 论 20
致 谢 21
参考文献 22
附录 24
引言
研究背景及意义
无线传感器网络在军事、工业、交通等领域有着广泛的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
应用前景和应用价值[1]。但由于无线节点通常受环境的影响，每个节点的能量都很有限，而在某些环境中更换电池或给电池充电并不现实，因此无线充电器对于节点能量的补充就显得至关重要[2]。但单一的充电器使得充电时间增加，充电效率大大降低[3]，因此我们开始研究分离式充电器，可以同时给多方位的节点进行供电。但由于我们无法随时查看电池的实时情况，因此当电池电量耗尽而无法实时更换时，可充电无线传感网络充电车便能够代劳轻松解决这一问题。
现有的无线充电车都是充电器与车体合为一体[4]，因此当充电车给节点充电时，会耗费大量的等待时间。而可充电无线传感网络充电车是设置多个无线充电器，当充电车发现需要充电的无线网络节点时，便自动导航至节点旁，通过机械臂放置充电器，来实现对网络节点的供电，当充电完毕后，充电车再自动导航回收充电器，这就解决了大量等待时间的问题。因此，充电车对无线充电器的精确定位是相当重要的一个环节。
国内外研究与发展现状
室内定位技术研究
由于信号很容易被建筑物遮挡，因此很难在室内使用，如GPS等室外定位系统。为了能在室内进行精确的定位，WiFi、蓝牙、红外线、超声波、射频识别、机器视觉等技术都被用于室内定位技术的研究。每种技术的定位都有其各自的优势和缺点，表11大致可以表示目前室内定位技术的性能和一些特点。
表11 室内定位技术对比
技术
精度
范围
难度
成本
WiFi
m
2050m
较易
较低
蓝牙
m
110m
较易
较低
超声波
cm
210m
较难
较低
红外线
cmm
15m
较难
较低
视觉
0.1mmdm
110m
较易
较低
基于WiFi的定位方法是根据区分室内WiFi的接收信号强弱，来建立位置指纹数据库[5]。在定位过程中，通过匹配实时信号与指纹库信号从而得到最终的定位位置。WiFi定位的优势在于不需要价格高昂的设备，可以利用环境周围存在的WiFi装置，适用于对人或者对车的定位导航，但缺点是定位精度不理想。
基于蓝牙的定位方法同样也是利用了蓝牙的信号强度信息，通过指纹定位或基于信号传播模型的距离定位法实现定位[5]。蓝牙定位适用于室内小区域，优势在于蓝牙发射装置的体积小、电池续航久、功耗低、成本低，并且定位的精度相对较高，但缺点是稳定性差，信号容易受到噪声干扰，只适合短距离、小范围的定位。
基于红外线的定位方法主要是将定位对象附上一个会发射红外线的电子标签，通过在室内放置多个红外传感器测量信号源的距离和角度，从而计算出对象所在的位置[6]。该技术主要用于军事上对飞行器、坦克、导弹等红外辐射源的被动定位，而且这种方法在教空旷的室内才容易实现较高的精度，但红外线很容易被障碍物遮挡，传输的距离也较短，因此需要大量的红外传感器，造成较高的硬件成本。同时，红外线容易受热源、灯光等的干扰，造成定位精度和准确度的下降。
基于超声波的定位方法主要采用反射式测距法，即通过超声波发射波与反射波之间的时间差来计算出距离信息，随后通过三边定位等算法精确地得到位置的坐标[7]。在理想环境下，超声波定位的精度较高，缺点是超声波收发装置的成本较高，并且在实际生活及实验过程中，超声波定位很容易受到环境因素的干扰，从而影响定位的效果。
基于射频识别的定位方法是利用射频信号进行非接触式双向通信并交换数据，从而达到识别和定位的目的[8]。该定位技术精度高，造价低，体积也很小，但缺点是作用距离短，不具备通信能力，不方便集成到终端设备中。
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