專利名稱：一種基于多獨立云臺的仿生多目視覺物理平臺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種多目視覺物理平臺，尤其是一種可以作為機器人頭部使用的視覺平臺。其主要參考的生物視覺系統(tǒng)是蜥蜴亞目避役科的視覺系統(tǒng)。此平臺內(nèi)部預留了部分空間，可以在該殼體內(nèi)部加載各種電子器件來研究機器人視覺的相關問題，為機器視覺的算法實現(xiàn)提供一種實驗研究平臺。
背景技術：
現(xiàn)有的用于作為機器人頭部的視覺物理平臺主要為單目雙自由度的視覺平臺和雙目雙自由度的視覺平臺。單獨立云臺的設計可以為整個視覺系統(tǒng)提供兩個互相垂直的自由度水平方向，垂直方向?；陔p自由度的單目視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，算法計算量小，易于實現(xiàn)。但其也具有不能輕易獲得目標深度信息的致命缺陷?；陔p自由度的雙目視覺系統(tǒng)可以獲得目標的深度信息，進而計算出目標相對于視覺系統(tǒng)的世界坐標。但其也具有算法計算量大，需要依賴標定信息等缺點。
對參考生物的頭部及視覺系統(tǒng)而言，此兩類視覺系統(tǒng)簡化了許多生物視覺系統(tǒng)的特性，但它們不具備蜥蜴亞目避役科視覺系統(tǒng)兩眼可相互獨立運動的特性，也不具備生物視覺系統(tǒng)的廣角視覺和視覺清晰度，同時其較少的自由度也加大了視覺系統(tǒng)圖像處理算法的復雜程度。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于構(gòu)造一種基于四獨立云臺的，能夠很好地模擬蜥蜴亞目避役科視覺系統(tǒng)運動特點的視覺系統(tǒng)物理平臺。本視覺系統(tǒng)將為研究仿人機器人視覺問題提供更好的實驗研究平臺，并為圖像處理課程和機器人設計課程的教學提供實驗研究平臺。
為了達到上述目的，本發(fā)明采取了如下技術方案。
一種基于多獨立云臺的仿生多目視覺物理平臺，包括電氣系統(tǒng)和機械本體；其中， 所述機械本體包括三個獨立云臺(1)、大功率豎直搖擺臺O)、大功率水平旋轉(zhuǎn)臺(3)、三個可變焦攝像頭；大功率豎直搖擺臺( 固定連接于大功率水平旋轉(zhuǎn)臺(3)，三個獨立云臺(1)固定連接于大功率豎直搖擺臺(2)上，三個獨立云臺(1)線性排列；大功率水平旋轉(zhuǎn)臺(3)、大功率豎直搖擺臺(2)和位于中間位置的獨立云臺⑴共軸；獨立云臺⑴由水平旋轉(zhuǎn)臺(5)和豎直搖擺臺(6)組成，水平旋轉(zhuǎn)臺(5)和豎直搖擺臺(6)分別由獨立電機 (11)驅(qū)動，豎直搖擺臺(6)固定連接于水平旋轉(zhuǎn)臺( 頂盤上；三個可變焦攝像頭(4)分別固定連接于三個豎直搖擺臺(6)上，其中中部的獨立云臺及攝像頭要高于兩側(cè)的獨立云臺及攝像頭，用以獲得更廣闊的視覺角度；大功率豎直搖擺臺( 的輸出功率是豎直搖擺臺(6)輸出功率的兩倍以上；大功率水平旋轉(zhuǎn)臺(2)輸出功率是水平旋轉(zhuǎn)臺(6)輸出功率的兩倍以上；大功率豎直搖擺臺( 和大功率水平旋轉(zhuǎn)臺( 分別由獨立電機(11)驅(qū)動；
所述電氣系統(tǒng)包括電機運動控制器(7)、圖像采集處理器(8)、無線圖像傳輸模塊 (9)，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊(10)、電源模塊(12)；
可變焦攝像頭(4)把采集到的圖像信息傳送至圖像采集處理器(8)；圖像采集處理器(8)經(jīng)過計算把控制量發(fā)送至電機運動控制器(7)；電機運動控制器(7)驅(qū)動電機 (11)；電機(11)分別帶動三個獨立云臺(1)、大功率豎直搖擺臺O)以及大功率水平旋轉(zhuǎn)臺(3)運動；無線圖像傳輸模塊(9)把上位機傳來的圖像信息發(fā)送至電機運動控制器(7)，電機運動控制器(7)把圖像反饋信息通過無線圖像傳輸模塊(9)發(fā)送至上位機，用以系統(tǒng)校正；無線數(shù)據(jù)傳輸模塊(10)把上位機傳來的控制數(shù)據(jù)發(fā)送至電機運動控制器(7)，電機運動控制器(7)把反饋控制信號通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊(9)發(fā)送至上位機，用以系統(tǒng)校正；電源模塊(1 分別為可變焦攝像頭G)、電機運動控制器(7)、圖像采集處理器 (8)以及電機(11)供電。無線圖像傳輸模塊(9)和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊(10)固定連接于大功率豎直搖擺臺 (2)；可變焦攝像頭(4)與圖像采集處理器(8)連接，圖像采集處理器(8)與電機運動控制器(7)連接；無線圖像傳輸模塊(9)和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊(10)分別與電機運動控制器(7) 連接；電機運動控制器(7)與電機(11)連接；電源模塊(12)分別與可變焦攝像頭、電機運動控制器(7)、圖像采集處理器(8)以及電機(11)連接。如圖一所示大功率豎直搖擺臺2，大功率水平旋轉(zhuǎn)臺3構(gòu)成了整個視覺系統(tǒng)的底層云臺，為本視覺系統(tǒng)提供整體的水平和垂直方向的運動能力，其模擬的是生物的脖頸結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)使得在中部可變焦攝像頭獲取興趣信息后，可以使系統(tǒng)首先通過此結(jié)構(gòu)進行左右旋轉(zhuǎn)和垂直轉(zhuǎn)動，而移動到到興趣點所在區(qū)域方向，此后再通過左右兩個獨立云臺及攝像頭進行精確匹配，這樣可以在很大程度上優(yōu)化算法，并縮減反應時間，提高反應速度。底部云臺上部兩側(cè)分別是無線圖像傳輸模塊9和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊10，其固定位置不限。其中無線數(shù)據(jù)傳輸模塊10用于傳輸遙控信號，無線圖像傳輸模塊9將攝像頭圖像傳送回上位機，用于脫離系統(tǒng)嵌入式芯片的圖像處理。無線圖像傳輸模塊9和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊10的設置是為了便于系統(tǒng)擴展，方便日后通過本實驗裝置進行各種研究。三個攝像頭4各配備有一套獨立的云臺1，可互相獨立的進行水平或垂直運動，用以模擬類蜥蜴的眼部和脖頸結(jié)構(gòu)。有益效果本發(fā)明的可以更好的模擬生物的視覺系統(tǒng)特點，可以為仿人機器人的圖像處理， 特別是跟蹤和識別的研究提供良好的實驗研究平臺。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意3是本發(fā)明的大功率水平旋轉(zhuǎn)臺3圖4是本發(fā)明的大功率豎直搖擺臺2和大功率水平旋轉(zhuǎn)臺3圖5是本發(fā)明的左側(cè)主攝像頭4及其獨立云臺1圖6是本發(fā)明的左側(cè)水平旋轉(zhuǎn)臺5及插槽視圖
圖7是本發(fā)明的左側(cè)豎直搖擺臺6及其插槽視圖視圖
圖8是本發(fā)明的電氣連接示意圖
圖9是本發(fā)明的具體電氣連接關系圖具體實施方式
下面結(jié)合圖1 圖9詳細說明本實例。
本發(fā)明所使用的電機運動控制器(7)為TI TMS320F28335 EVM，圖像采集處理器 (8)為 TI TMS320DM642 EVM。其中 TMS320F283!35 負責控制電機 11 的運動，TMS320DM642 負責圖像處理。也可以采用其他功能相近的DSP處理芯片代替，此處不做限制。
電源模塊12屬于現(xiàn)有技術，只要輸出能夠滿足不同模塊的工作電壓需求即可。本實施例中選擇能穩(wěn)定輸出3. 3v,5v, 12v,24v的電源模塊即可。
本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)如圖一所示，包括三組可變焦攝像頭及其獨立云臺1，無線圖像傳輸模塊9和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊10，大功率豎直搖擺臺2，大功率水平旋轉(zhuǎn)臺3。三組可變焦攝像頭及其獨立云臺1結(jié)構(gòu)相同。圖五所示為一組可變焦攝像頭及其獨立云臺1。大功率豎直搖擺臺2，大功率水平旋轉(zhuǎn)臺3，以及水平旋轉(zhuǎn)臺5和豎直搖擺臺6可以采用市面上常見的金屬材質(zhì)的云臺構(gòu)成，其大小沒有具體要求，只要能夠滿足前面所述的放置位置即可， 此處不做限制。其中的大功率豎直搖擺臺2和豎直搖擺臺6的結(jié)構(gòu)主體沒有本質(zhì)區(qū)別，大功率豎直搖擺臺2輸出功率約為25 30W，而豎直搖擺臺6輸出功率約為10 15W。大功率水平旋轉(zhuǎn)臺3和水平旋轉(zhuǎn)臺5的區(qū)別與選型亦然。其性能指標如下轉(zhuǎn)動速度水平轉(zhuǎn)動速度為4° /秒 6° /秒，垂直轉(zhuǎn)動速度為3° /秒 6° /秒；轉(zhuǎn)動角度水平轉(zhuǎn)動355° 360°垂直轉(zhuǎn)動+30° -30°左右就可以滿足；載重量視上層承載物體的總重，大約在3 5kg。
無線圖像傳輸模塊9和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊10如圖一所示位于大功率豎直搖擺臺兩側(cè)。本系統(tǒng)并未規(guī)定使用哪款數(shù)傳、圖傳模塊。用戶可根據(jù)具體需要安裝適宜的模塊如數(shù)傳模塊可安裝市場上已開發(fā)的十分成熟的基于Nordic公司的nRF905無線通信芯片開發(fā)的無線通信模塊，其他同類型的數(shù)據(jù)測試模塊亦可。
插桿13和插槽14設置這兩個部件的目的在于為左側(cè)可變焦攝像頭及其獨立云臺 1和右側(cè)可變焦攝像頭及其獨立云臺1提供一個角度信息的零點參考位置。其具體位置設置可根據(jù)具體應用進行調(diào)整，一般要求插桿13和插槽14與云臺的軸線平行，此處不做具體要求。由于云臺具有水平和豎直兩個方向的自由度，因此，每組云臺分別在水平旋轉(zhuǎn)臺和豎直搖擺臺上各設一組插桿13和插槽14。使用時，通過轉(zhuǎn)動云臺使插桿恰好能夠插入插槽， 此時云臺所處的位置即為此云臺水平方向的角度零點。
本例中采用了 parallax公司的連續(xù)轉(zhuǎn)矩電機，對其型號沒有具體要求。Hitech， Futuba,輝盛等品牌的尺寸為40x20x36mm左右的標準電機均可使用。位于中間的可變焦攝像頭水平方向轉(zhuǎn)動360度，豎直方向轉(zhuǎn)動180度，具備了較為廣闊的運動范圍，可獨立于視覺系統(tǒng)物理平臺的其他運動機構(gòu)，在沒有遮擋的情況下自行持續(xù)跟蹤識別目標。左右兩側(cè)的可變焦攝像頭水平方向轉(zhuǎn)動角度和豎直方向轉(zhuǎn)動角度沒有限制。
位于中間的可變焦攝像頭及其獨立云臺1采用了一臺長焦變焦攝像頭4，選取長焦變焦攝像頭的主要目的在于獲取更為清晰的目標圖像并截取恰當?shù)哪繕舜笮∫詾橹蟮囊曈X系統(tǒng)目標識別做準備。其焦段的選取可根據(jù)具體情況進行選型，此處不做具體要求。如圖8的電氣系統(tǒng)中，可變焦攝像頭4取得外界圖像信息后發(fā)送給與之相連接的圖像采集處理器8 ；圖像采集處理器8經(jīng)過相應預置算法處理后，再將算法得出的轉(zhuǎn)角，方向等信息發(fā)送至電機控制器7上，電機控制器7同時驅(qū)動電機11轉(zhuǎn)動，需要說明的是，圖像采集處理器8的預置圖像處理算法是現(xiàn)有技術，可以根據(jù)不同的需求進行更換，如跟蹤和定位，相應的電機控制器7也要調(diào)整具體電機控制算法以匹配圖像采集處理器8的圖像處理算法；電機11連接三組云臺，大功率豎直搖擺臺( 和大功率水平旋轉(zhuǎn)臺(3)，分別帶動其進行水平或豎直轉(zhuǎn)動；無線圖像傳輸模塊9和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊10同時連接到電機控制器7上，用于接收上位機PC端傳輸?shù)木唧w數(shù)據(jù)信號和發(fā)送當前數(shù)據(jù)給上位機進行校正和存儲檢驗，此過程可以獨立于圖像采集處理器8和電機控制器7的具體算法，用以校正和特殊作業(yè)任務；電機控制器7和圖像采集處理器8連接到電源模塊12的5v供電端，可變焦攝像頭4和電機11根據(jù)具體工作電壓從電源模塊12的輸出端獲得工作電壓。如圖9的具體電氣連接系統(tǒng)圖，是圖8的具體細化內(nèi)容包括圖像處理器DM642， 電機控制器F28335，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊riRF905，無線圖像傳輸模塊nRF905，8個相互獨立的電機和3個相互獨立的可變焦攝像頭，以及電源模塊。具體連接關系如下圖像處理器 DM642與電機控制器F28335通過串行數(shù)據(jù)接口 SCI進行連接和通信，TxD，RxD, GND三線相連接，其主從關系可以互換，此處不做具體要求；3個獨立可變焦攝像頭通過AV輸入端連接到圖像處理器DM642上的AV信號輸入端口，并以此向其傳輸采集到的具體圖像信息；無線數(shù)據(jù)傳輸模塊nRF905，無線圖像傳輸模塊nRF905分別通過串行數(shù)據(jù)接口 SPI與電機控制器F28335 SPI的復用GPIO接口相連接，一般采取電機控制器F28335為主端，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊nRF905，無線圖像傳輸模塊nRF905為從端發(fā)起通信，傳輸信號和消息；電機控制器 F28335經(jīng)過計算后，將8路獨立PWM控制量分別相應8路通用GPIO的ePWM輸出端口發(fā)送到 8個獨立電機上，以控制其轉(zhuǎn)動角度與方向；圖像處理器DM642，電機控制器F28335的VCC 端連接到電源模塊的5V供電端，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊nRF905和無線圖像傳輸模塊nRF905的 VCC端連接到電源模塊的3. 3V供電端，8個相互獨立的電機的VCC端連接到電源模塊的24V 供電端，3個相互獨立的可變焦攝像頭的VCC端連接到電源模塊的12V供電端，所有的電器模塊的GND端均工地連接于電源模塊的GND端。
權(quán)利要求
1. 一種基于多獨立云臺的仿生多目視覺物理平臺，包括電氣系統(tǒng)和機械本體；其中， 所述機械本體包括三個獨立云臺(1)、大功率豎直搖擺臺O)、大功率水平旋轉(zhuǎn)臺(3)、三個可變焦攝像頭；大功率豎直搖擺臺( 固定連接于大功率水平旋轉(zhuǎn)臺(3)，三個獨立云臺(1)固定連接于大功率豎直搖擺臺(2)上，三個獨立云臺(1)線性排列；大功率水平旋轉(zhuǎn)臺(3)、大功率豎直搖擺臺(2)和位于中間位置的獨立云臺⑴共軸；獨立云臺⑴由水平旋轉(zhuǎn)臺(5)和豎直搖擺臺(6)組成，水平旋轉(zhuǎn)臺(5)和豎直搖擺臺(6)分別由獨立電機 (11)驅(qū)動，豎直搖擺臺(6)固定連接于水平旋轉(zhuǎn)臺( 頂盤上；三個可變焦攝像頭(4)分別固定連接于三個豎直搖擺臺(6)上，其中中部的獨立云臺及攝像頭要高于兩側(cè)的獨立云臺及攝像頭，用以獲得更廣闊的視覺角度；大功率豎直搖擺臺( 的輸出功率是豎直搖擺臺(6)輸出功率的兩倍以上；大功率水平旋轉(zhuǎn)臺(2)輸出功率是水平旋轉(zhuǎn)臺(6)輸出功率的兩倍以上；大功率豎直搖擺臺( 和大功率水平旋轉(zhuǎn)臺( 分別由獨立電機(11)驅(qū)動； 所述電氣系統(tǒng)包括電機運動控制器(7)、圖像采集處理器(8)、無線圖像傳輸模塊(9)， 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊(10)、電源模塊(12)；可變焦攝像頭(4)把采集到的圖像信息傳送至圖像采集處理器(8)；圖像采集處理器 ⑶經(jīng)過計算把控制量發(fā)送至電機運動控制器(7)；電機運動控制器(7)驅(qū)動電機(11)；電機(11)分別帶動三個獨立云臺(1)、大功率豎直搖擺臺O)以及大功率水平旋轉(zhuǎn)臺(3)運動；無線圖像傳輸模塊(9)把上位機傳來的圖像信息發(fā)送至電機運動控制器(7)，電機運動控制器(7)把圖像反饋信息通過無線圖像傳輸模塊(9)發(fā)送至上位機，用以系統(tǒng)校正；無線數(shù)據(jù)傳輸模塊(10)把上位機傳來的控制數(shù)據(jù)發(fā)送至電機運動控制器(7)，電機運動控制器(7)把反饋控制信號通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊(9)發(fā)送至上位機，用以系統(tǒng)校正；電源模塊(12)分別為可變焦攝像頭G)、電機運動控制器(7)、圖像采集處理器(8)以及電機(11)供電。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多目視覺物理平臺，尤其是一種可以作為機器人頭部使用的視覺平臺。本發(fā)明參考蜥蜴亞目避役科生物的視覺系統(tǒng)，通過四組獨立云臺分別模擬蜥蜴亞目避役科生物的頸部、眼睛。還可以在其內(nèi)部加載各種電子器件研究機器人視覺的相關問題，為機器視覺的算法實現(xiàn)提供一種實驗研究平臺。本發(fā)明的優(yōu)點在于，首先利用仿生的脖頸結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)在平面和空間定位上，首先通過中部的獨立云臺及攝像頭獲得興趣點所在區(qū)域，其后通過底部云臺的轉(zhuǎn)動達到興趣點所在區(qū)域，然后再通過兩側(cè)獨立云臺和攝像頭進行精確定位和視覺捕捉。這樣使得本系統(tǒng)可以獲得更廣闊的視覺范圍，并且加快對興趣點的捕捉速度和精度，有很高的實時處理能力和后續(xù)拓展空間。
文檔編號B25J19/04GK102528821SQ20111046039
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者于乃功, 李均, 許鋒, 阮曉鋼 申請人:北京工業(yè)大學