專(zhuān)利名稱：智能導(dǎo)航控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自動(dòng)化與檢測(cè)技術(shù)，尤其涉及一種基于無(wú)標(biāo)定機(jī)器視覺(jué)的智能導(dǎo)航控 制系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
智能自主移動(dòng)機(jī)器人是當(dāng)今國(guó)際機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。而路徑規(guī)劃則是智能 移動(dòng)機(jī)器人中的一個(gè)重要組成部分，其研究目的是使機(jī)器人能在不同的環(huán)境中自主路徑規(guī) 劃。環(huán)境感知是移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行自主路徑規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)，獲取這些信息的傳感器即需要 足夠大的視場(chǎng)來(lái)覆蓋整個(gè)工作區(qū)，又需要較高的采集速率以保證在運(yùn)動(dòng)的環(huán)境中能夠提供 實(shí)時(shí)的信息。近幾年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)圖像處理能力和技術(shù)的飛速發(fā)展以及大量的數(shù)字圖像 處理設(shè)備性能價(jià)格比的提高，加之視覺(jué)系統(tǒng)具有信號(hào)探測(cè)范圍寬、目標(biāo)信息完整等優(yōu)勢(shì)，視 覺(jué)傳感器在移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航中的應(yīng)用越來(lái)越受到人們的重視并表現(xiàn)出很好的發(fā)展前景。在傳統(tǒng)的機(jī)器人視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)中，無(wú)論是基于位置的還是基于圖像的往往都 是采用基于模型的控制方法。其中模型包括攝像機(jī)模型、機(jī)器人模型、目標(biāo)物體模型和工 作環(huán)境模型。攝像機(jī)模型指攝像機(jī)內(nèi)、外參數(shù)，內(nèi)參數(shù)一般指有效焦距f，圖像平面x、y方向 單位距離中的像素?cái)?shù)Nx、Ny，圖像中心點(diǎn)的坐標(biāo)u0、v0，若考慮鏡頭的非線性畸變還有畸變 因子等；外參數(shù)則指攝像機(jī)相對(duì)于機(jī)器人末端或固定坐標(biāo)系的位姿；機(jī)器人模型主要指機(jī) 器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；目標(biāo)物體模型主要指目標(biāo)的深度，在固定坐標(biāo)系下的位姿以及運(yùn)動(dòng)參數(shù)。 整個(gè)伺服系統(tǒng)控制精度在很大程度上依賴于標(biāo)定的精度。然而在實(shí)際中，由于以下原因，這 種基于標(biāo)定的機(jī)器人視覺(jué)伺服方法受到了很大的限制1)由于多種因素的影響，即使理論上精度很高的標(biāo)定算法在實(shí)際中也難以得到控 制和系統(tǒng)性能所要求的模型；2)系統(tǒng)的標(biāo)定結(jié)果只有在標(biāo)定條件成立時(shí)才有效。所以，一旦攝像機(jī)的位置、焦距 等發(fā)稍微的變化，根據(jù)原標(biāo)定參數(shù)計(jì)算出的結(jié)果會(huì)有很大誤差，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新標(biāo)定。3)由于攝像機(jī)鏡頭畸變等因素的影響，攝像機(jī)的標(biāo)定區(qū)域一般限制在一個(gè)比較小 的區(qū)域，如果機(jī)器人的工作范圍比較大時(shí)，難以得到一個(gè)滿足工作范圍內(nèi)所有位置的參數(shù) 模型。在這樣的情況下，雖然可以采取分區(qū)域標(biāo)定的方法，但這又增加了系統(tǒng)操作的復(fù)雜 度。4)標(biāo)定的結(jié)果只在機(jī)器人工作區(qū)域中完成標(biāo)定的位置及其有限的鄰域內(nèi)有效，而 標(biāo)定好的模型卻要在整個(gè)工作空間中使用。因此一旦機(jī)器人離開(kāi)標(biāo)定的區(qū)域，控制系統(tǒng)的 伺服性能會(huì)下降。5)許多視覺(jué)伺服標(biāo)定方法需要輔助參考物，這只能在實(shí)驗(yàn)室這樣的結(jié)構(gòu)化環(huán)境中 才能圓滿實(shí)現(xiàn)，而在某些特定環(huán)境下是難以對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定的，如搶險(xiǎn)救災(zāi)等一些危險(xiǎn) 的或?qū)θ梭w有害的工作環(huán)境中。這些缺陷使得視覺(jué)機(jī)器人在工作一段時(shí)間后，累積的系統(tǒng)誤差將達(dá)到不能接受的 程度，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致導(dǎo)航任務(wù)的失敗。如果每過(guò)一定時(shí)間就對(duì)系統(tǒng)重新進(jìn)行標(biāo)定，則無(wú)論從重新標(biāo)定時(shí)機(jī)的選擇，還是從工作量以及可實(shí)現(xiàn)性考慮，都是不現(xiàn)實(shí)的。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是消除傳統(tǒng)標(biāo)定視覺(jué)方案中技術(shù)效果的好壞嚴(yán)重依賴 于標(biāo)定參數(shù)的局限性弊端；提高機(jī)器人在不同環(huán)境中的適應(yīng)能力以及工作效率；提高對(duì)機(jī) 器人的控制性能，有效保持圖像處理過(guò)程的速度以及精度；增強(qiáng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的魯棒性 和穩(wěn)定性；降低技術(shù)方案實(shí)施過(guò)程中的成本投入以及能源消耗。(二)技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種智能導(dǎo)航控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括上 位機(jī)以及移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，所述上位機(jī)包括計(jì)算機(jī)和無(wú)線通訊裝置，通過(guò)無(wú)線通訊方式與 所述移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)通訊，所述移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)包括移動(dòng)機(jī)器人本體、無(wú)線通訊單元以及 電源；此外，所述移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)還包括圖像提取單元、圖像處理單元、導(dǎo)航控制單元 以及嵌入式控制單元；所述移動(dòng)機(jī)器人本體用于根據(jù)所述導(dǎo)航控制單元所提供的導(dǎo)航線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；所述 導(dǎo)航線為移動(dòng)機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵循的預(yù)定路線；所述圖像提取單元用于在所述移動(dòng)機(jī)器人本體啟動(dòng)后對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行圖像/視 頻模擬信號(hào)的提取，并將所提取的圖像/視頻模擬信號(hào)發(fā)送至所述嵌入式控制單元；所述嵌入式控制單元用于將所述圖像/視頻模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后得 到的圖像/視頻數(shù)字信號(hào)傳送給所述圖像處理單元；所述圖像處理單元用于對(duì)所述圖像/視頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析，計(jì)算得到當(dāng)前機(jī)器 人本體運(yùn)動(dòng)路線的導(dǎo)航線偏差值，并發(fā)送至所述導(dǎo)航控制單元；所述導(dǎo)航控制單元用于根據(jù)所述導(dǎo)航線偏差值來(lái)調(diào)整導(dǎo)航線，并將所述調(diào)整后得 到的導(dǎo)航線數(shù)據(jù)發(fā)送給所述機(jī)器人本體。優(yōu)選地，所述移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)還包括避障傳感器單元；所述避障傳感器單元用于檢測(cè)所述機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中周?chē)霈F(xiàn)的障礙物，并 將障礙物的圖像/視頻模擬信號(hào)傳送至所述嵌入式控制單元。優(yōu)選地，所述嵌入式控制單元為數(shù)字信號(hào)處理器，包括用于執(zhí)行多路圖像/視頻 數(shù)據(jù)輸入輸出處理的數(shù)字信號(hào)處理芯片、多路數(shù)字輸入輸出接口、多路異步串口以及無(wú)線 通訊接口。優(yōu)選地，所述圖像處理單元包括圖像預(yù)處理器以及導(dǎo)航線提取單元；所述圖像預(yù)處理器用于選擇導(dǎo)航線顏色來(lái)對(duì)圖像/視頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，弱 化背景及噪聲干擾，突出并得到導(dǎo)航線上若干個(gè)已知點(diǎn)的數(shù)據(jù)；所述導(dǎo)航線提取單元用于按照預(yù)設(shè)規(guī)則對(duì)所述若干個(gè)已知點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行投票求 得當(dāng)前機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)路線的直線斜率，并將該直線斜率轉(zhuǎn)化為角度，基于該角度來(lái)提取 單條或多條路線的導(dǎo)航線偏差值。優(yōu)選地，所述導(dǎo)航線偏差值包括導(dǎo)航線角度偏差值和橫向偏差值。優(yōu)選地，所述導(dǎo)航控制單元包括最優(yōu)路徑規(guī)劃單元以及機(jī)器人本體控制單元；
所述最優(yōu)路徑規(guī)劃單元用于以當(dāng)前導(dǎo)航線作為參考值，根據(jù)所述導(dǎo)航線偏差值采 用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-預(yù)描點(diǎn)的方式對(duì)導(dǎo)航線進(jìn)行機(jī)器人本體速度以及轉(zhuǎn)彎角度的修正，并將修正 后得到的導(dǎo)航線數(shù)據(jù)發(fā)送給所述機(jī)器人本體控制單元；所述機(jī)器人本體控制單元用于根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)_預(yù)描點(diǎn)的方式，結(jié)合修正后得到的 導(dǎo)航線數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)器人本體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制。優(yōu)選地，所述避障傳感器單元為紅外光電傳感器，其包括集發(fā)射器與接收器，用于 采用高低電平的方式對(duì)障礙物進(jìn)行檢測(cè)。此外，本發(fā)明還提供一種智能導(dǎo)航控制方法，包括如下步驟Sl 機(jī)器人本體根據(jù)導(dǎo)航線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；S2 提取機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中當(dāng)前的圖像/視頻模擬信號(hào)；S3 對(duì)所述圖像/視頻模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出圖像/視頻數(shù)字信號(hào)；S4 對(duì)所述圖像/視頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析，得到導(dǎo)航線偏差值；S5:根據(jù)所述導(dǎo)航線偏差值對(duì)當(dāng)前導(dǎo)航線數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器人本體速度以及轉(zhuǎn)彎角度 的修正；S6 機(jī)器人本體根據(jù)修正后得到的導(dǎo)航線數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。優(yōu)選地，所述方法還包括步驟在機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，檢測(cè)所述機(jī)器人本體運(yùn) 動(dòng)過(guò)程中周?chē)霈F(xiàn)的障礙物，若發(fā)現(xiàn)障礙物，對(duì)出現(xiàn)的障礙物的圖像/視頻模擬信號(hào)進(jìn)行 分析處理，并根據(jù)分析處理結(jié)果指示機(jī)器人本體停止運(yùn)動(dòng)。(三)有益效果本發(fā)明技術(shù)方案所提供的智能導(dǎo)航控制系統(tǒng)及方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比較，其具備 如下幾點(diǎn)有益效果1)本發(fā)明技術(shù)方案采用模塊化設(shè)計(jì)理念，各模塊可隨時(shí)進(jìn)行升級(jí)或替換，具有很 好的通用性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成度高，有助于提高機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力和工作效率；2)在基于已知點(diǎn)的Hough變換的基礎(chǔ)上提出了一種新的直線檢測(cè)方法，將按照一 定規(guī)則向已知點(diǎn)投票求得的直線斜率轉(zhuǎn)化為角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)單條或多條直線導(dǎo)航線偏差值的 提取，不僅能加快圖像處理的速度，而且能保持最高的檢測(cè)精度；3)導(dǎo)航控制單元采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)_預(yù)描點(diǎn)的方法，進(jìn)行機(jī)器人本體控制，能夠提高 對(duì)機(jī)器人的控制性能，并且無(wú)須再次進(jìn)行攝像頭的標(biāo)定和機(jī)器人本體模型的建立，快速準(zhǔn) 確完成轉(zhuǎn)向決策，提高智能導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性；4)圖像處理單元根據(jù)實(shí)際情況的需要，選取合適的導(dǎo)航線顏色，快速而準(zhǔn)確地進(jìn) 行導(dǎo)航線提取，達(dá)到了實(shí)時(shí)處理的效果；5)圖像處理單元和導(dǎo)航控制單元的設(shè)計(jì)皆基于嵌入式處理平臺(tái)，更適于高溫、潮 濕等的工作環(huán)境，具有集成能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、運(yùn)算速度快、系統(tǒng)成本低、功耗小等優(yōu)勢(shì)。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的智能導(dǎo)航系統(tǒng)所涉及的機(jī)器人本體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的嵌入式控制單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例的圖像處理單元的處理流程圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例的提取導(dǎo)航線的方法流程圖5為本發(fā)明實(shí)施例的智能導(dǎo)航控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例的智能導(dǎo)航控制方法的流程圖；其中1、移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)；2、彩色攝像機(jī)；3、無(wú)線通訊模塊；4、機(jī)器人本體電源模 塊。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容、和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。首先，對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案所提供的智能導(dǎo)航控制系統(tǒng)進(jìn)行描述，如圖1及圖5所 示，所述控制系統(tǒng)包括上位機(jī)以及移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)1，所述上位機(jī)包括計(jì)算機(jī)和無(wú)線通訊裝 置，其通訊方式基于IEEE802. 11的無(wú)線局域網(wǎng)連接，采用TCP/IP協(xié)議通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)來(lái)實(shí) 現(xiàn)上位機(jī)與移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)之間圖像/視頻數(shù)據(jù)的傳輸，所述移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)包括移動(dòng)機(jī) 器人本體、無(wú)線通訊模塊3、圖像提取單元、嵌入式處理平臺(tái)以及機(jī)器人本體電源模塊4，所 述嵌入式處理平臺(tái)包括模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、圖像處理單元以及導(dǎo)航控制單元；所述移動(dòng)機(jī)器人本體用于根據(jù)所述導(dǎo)航控制單元所提供的導(dǎo)航線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；所述 導(dǎo)航線為移動(dòng)機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵循的預(yù)定路線；所述圖像提取單元包括彩色攝像機(jī)2，用于在所述移動(dòng)機(jī)器人本體啟動(dòng)后對(duì)目標(biāo) 區(qū)域進(jìn)行圖像/視頻模擬信號(hào)的提取，并將所提取的圖像/視頻模擬信號(hào)發(fā)送至所述模數(shù) 轉(zhuǎn)換單元；如圖2所示，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換單元用于將所述圖像/視頻模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將 轉(zhuǎn)換后得到的圖像/視頻數(shù)字信號(hào)傳送給所述圖像處理單元；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換單元為數(shù)字信 號(hào)處理器，CPU選用高性能32位定點(diǎn)DSP TMS320DM642，DM642是美國(guó)德州儀器公司(Tl)專(zhuān) 門(mén)為多路圖像/視頻數(shù)據(jù)輸入輸出處理而設(shè)計(jì)的數(shù)字信號(hào)處理芯片，其運(yùn)算功能強(qiáng)大，建 立在第二代高性能超常指令字結(jié)構(gòu)上，可以并行處理8條指令，非常適用于數(shù)字圖像處理。 在本硬件設(shè)計(jì)中，其工作主頻選擇為600MHz，根據(jù)項(xiàng)目的需要，硬件系統(tǒng)除了擴(kuò)展必須的存 儲(chǔ)器部分以及視頻采集與播放部分外，主要擴(kuò)展了多路數(shù)字?jǐn)?shù)字輸入輸出接口和多路異步 串口以及無(wú)線通訊接口功能，方便與移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)相互通信。所述圖像處理單元包括圖像預(yù)處理器以及導(dǎo)航線提取單元；如圖3所示，所述圖 像預(yù)處理器采用尋線導(dǎo)航方式對(duì)當(dāng)前機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)的圖像/視頻數(shù)字信號(hào)所得的導(dǎo)航 線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選擇合適的導(dǎo)航線顏色來(lái)對(duì)圖像/視頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，弱化背景 及噪聲干擾，突出并得到導(dǎo)航線路上若干個(gè)已知數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后由導(dǎo)航線提取單元計(jì) 算得到當(dāng)前機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)路線的導(dǎo)航線偏差值并發(fā)送給所述導(dǎo)航控制單元；所述尋線導(dǎo)航方式通過(guò)對(duì)所采集的彩色圖像進(jìn)行處理。主要對(duì)比R、G、B三原色。 因?yàn)锽分量較容易受到外界干擾，R分量自然界多用做停止線，因此最終確定采用G為導(dǎo)航 線顏色；圖像預(yù)處理流程圖如圖3所示，為了驗(yàn)證算法的可靠性，采集各種光照環(huán)境下彩色 圖像，并采用(2G-R-B)作為彩色特征因子，將采集的三維彩色圖像變?yōu)橐痪S的灰度圖像； 再采用圖像拉伸的方式，有效突出導(dǎo)航信息；為了克服室外光照不均勻的情況，采用自動(dòng)閾 值的方法，將灰度圖像二值化；接著對(duì)二值圖像采用移動(dòng)窗口的方法除去噪聲；然后采用 行掃描的方法提取導(dǎo)航線中心線，減少Hough變換計(jì)算數(shù)據(jù)量；最后根據(jù)已知點(diǎn)Hough變換，提取導(dǎo)航線，計(jì)算偏移角度以及偏移距離，作為導(dǎo)航控制算法的依據(jù)。如圖4所示，所述導(dǎo)航線提取單元按照預(yù)設(shè)的一定規(guī)則對(duì)所述若干個(gè)已知點(diǎn)的數(shù) 據(jù)進(jìn)行投票求得當(dāng)前機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)路線的直線斜率，并將該直線斜率轉(zhuǎn)化為角度，基于 該角度來(lái)提取單條或多條路線的導(dǎo)航線，進(jìn)而得到導(dǎo)航線偏差值；導(dǎo)航線提取單元采用改 進(jìn)的Hough變換的方法。Hough變換具有優(yōu)異的魯棒性和極佳的抗干擾能力，利用Hough 變換進(jìn)行直線檢測(cè)，是圖像分析和計(jì)算機(jī)視覺(jué)的一個(gè)重要內(nèi)容。但是傳統(tǒng)的Hough變換計(jì) 算量非常大，從而阻礙了其在快速、精確檢測(cè)直線方面的應(yīng)用。目前已存在基于已知點(diǎn)的 Hough變換方式，極大的提高了直線檢測(cè)的速度。但是由于基于已知點(diǎn)的Hough變換采用倒 數(shù)的形式將斜率限制在固定區(qū)間，因此精度不易控制，并且在斜率為-45°、45°時(shí)容易產(chǎn) 生極大誤差。因此本發(fā)明在基于已知點(diǎn)的Hough變換的基礎(chǔ)上提出了一種新的直線檢測(cè)方 法，將按照一定規(guī)則向已知點(diǎn)投票求得的直線斜率轉(zhuǎn)化為角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)單條或多條直線的 提取，不僅能加快圖像處理的速度，而且能保持最高的檢測(cè)精度。下面來(lái)詳細(xì)描述這種新的 直線檢測(cè)方法。如圖4所示，按照一定規(guī)則向已知點(diǎn)投票求得的直線斜率轉(zhuǎn)化為角度，角度在 [-90°，90° ]范圍內(nèi)，將[-90°，90° ]區(qū)間分成10等份，進(jìn)行投票，第一次分割區(qū)間的大 小為18°。選出投票次數(shù)最多的區(qū)間，再次進(jìn)行分割，為了減小誤差，將該區(qū)間的前、后相鄰 區(qū)間合并后再次進(jìn)行10等份分割。則第二次分割區(qū)間的大小為5. 4°。在實(shí)際應(yīng)用中可以 根據(jù)試驗(yàn)精度要求，再次進(jìn)行分割，分割的次數(shù)越多，精度越高。所述導(dǎo)航線偏差值包括導(dǎo) 航線偏移距離和偏移角度。所述導(dǎo)航控制單元用于根據(jù)所述導(dǎo)航線偏差值來(lái)調(diào)整導(dǎo)航線，并將所述調(diào)整后得 到的導(dǎo)航線數(shù)據(jù)發(fā)送給所述機(jī)器人本體。所述導(dǎo)航線偏差值包括導(dǎo)航線偏移距離和偏移角度。所述導(dǎo)航控制單元包括最優(yōu)路徑規(guī)劃單元以及機(jī)器人本體控制單元；所述最優(yōu)路徑規(guī)劃單元用于以當(dāng)前導(dǎo)航線作為參考值，根據(jù)所述導(dǎo)航線偏差值采 用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-預(yù)描點(diǎn)的方式對(duì)當(dāng)前導(dǎo)航線進(jìn)行機(jī)器人本體速度以及轉(zhuǎn)彎角度的調(diào)整，并將 調(diào)整過(guò)后的導(dǎo)航線數(shù)據(jù)發(fā)送給所述機(jī)器人本體控制單元從而對(duì)機(jī)器人本體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 的控制，無(wú)須再次進(jìn)行攝像頭的標(biāo)定和機(jī)器人本體模型的建立。對(duì)于機(jī)器人本體為履帶式 機(jī)器人的情況，采用雙輪差速的方法來(lái)控制機(jī)器人本體的速度和轉(zhuǎn)向，因此，本發(fā)明技術(shù)方 案根據(jù)提取導(dǎo)航線的特征直接推出機(jī)器人本體左右輪速，以達(dá)到機(jī)器人本體沿到航線行走 的目的。所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)_預(yù)描點(diǎn)方法是一種將預(yù)描點(diǎn)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法有效結(jié)合的方法。預(yù) 描點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)形式是先設(shè)置系統(tǒng)未來(lái)的輸出狀態(tài)，然后再確定當(dāng)前的控制動(dòng)作，因此，控制 動(dòng)作具有明顯的預(yù)見(jiàn)性，從而明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的依靠信息反饋產(chǎn)生控制動(dòng)作的控制算法。在 本發(fā)明技術(shù)方案中，機(jī)器人本體速度控制在0. 2m/s 0. 5m/s，預(yù)描點(diǎn)依據(jù)機(jī)器人本體速度 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)預(yù)描點(diǎn)位置；本發(fā)明技術(shù)方案選用一種多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Back Propagation Neural Network)，其根據(jù)預(yù)描點(diǎn)位置控制機(jī)器人本體轉(zhuǎn)向。經(jīng)基于已知點(diǎn)的 Hough變換得到偏移距離和偏移角度，能夠準(zhǔn)確反應(yīng)導(dǎo)航線信息，因此采用這兩個(gè)變量作為 導(dǎo)航控制單元進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)_預(yù)描點(diǎn)方式運(yùn)算的輸入特征量。本發(fā)明選用履帶式導(dǎo)航車(chē)輛 作為移動(dòng)平臺(tái)，該導(dǎo)航車(chē)輛通過(guò)雙輪差速的方式控制車(chē)體的轉(zhuǎn)角，因此移動(dòng)機(jī)器人兩輪的差速作為導(dǎo)航控制單元進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)_預(yù)描點(diǎn)方式運(yùn)算的輸出特征量。所述機(jī)器人本體控制單元用于根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-預(yù)描點(diǎn)的方式，結(jié)合調(diào)整后的導(dǎo)航 線數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)器人本體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制。所述移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)還包括避障傳感器單元；所述避障傳感器單元用于檢測(cè)所述機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中周?chē)霈F(xiàn)的障礙物，并 在出現(xiàn)障礙物的情況下通過(guò)I/O接口發(fā)送電平信號(hào)至所述嵌入式處理平臺(tái)，嵌入式處理平 臺(tái)根據(jù)所述電平信號(hào)對(duì)機(jī)器人本體發(fā)送停止運(yùn)動(dòng)的指令。所述嵌入式處理平臺(tái)與移動(dòng)機(jī) 器人本體采用串口通訊方式，通訊方式為RS232，通訊波特率為115200，無(wú)校驗(yàn)位，8數(shù)據(jù) 位，1停止位。所述避障傳感器單元為紅外光電傳感器、其包括發(fā)射器與接收器，用于采用高 低電平的方式對(duì)障礙物進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)前面有障礙物時(shí)，物體將發(fā)射器發(fā)出的紅外光線反射 回接收器，于是光電傳感器就“感知” 了物體的存在，產(chǎn)生輸出信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)輸 出低電平(OV)，沒(méi)有檢測(cè)到障礙物時(shí)輸出高電平(+5V)；當(dāng)然也可以設(shè)置為當(dāng)檢測(cè)到障礙 物時(shí)輸出高電平(+5V)，沒(méi)有檢測(cè)到障礙物時(shí)輸出低電平(OV)。下面對(duì)本發(fā)明所提供的智能導(dǎo)航控制方法進(jìn)行描述，如圖6所示，該方法包括如 下步驟步驟1 機(jī)器人本體根據(jù)導(dǎo)航線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；步驟2 提取機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中當(dāng)前的圖像/視頻模擬信號(hào)；步驟3 對(duì)所述圖像/視頻模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出圖像/視頻數(shù)字信號(hào)；步驟4 對(duì)所述圖像/視頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析，得到導(dǎo)航線偏差值；步驟5 根據(jù)所述導(dǎo)航線偏差值對(duì)當(dāng)前機(jī)器人本體速度以及轉(zhuǎn)彎角度進(jìn)行調(diào)整；步驟6 機(jī)器人本體根據(jù)調(diào)整后的導(dǎo)航線數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。所述方法還包括步驟在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，檢測(cè)所述機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中周 圍出現(xiàn)的障礙物，發(fā)現(xiàn)障礙物的情況下，則通過(guò)I/O 口向嵌入式處理平臺(tái)發(fā)送高電平或低 電平信號(hào)，并指示機(jī)器人本體停止運(yùn)動(dòng)。下面結(jié)合具體情況來(lái)簡(jiǎn)要描述本發(fā)明所提供的控制系統(tǒng)的實(shí)施過(guò)程。如圖1、圖5及圖6所示，本實(shí)施方式所提供的無(wú)標(biāo)定機(jī)器視覺(jué)智能導(dǎo)航控制系統(tǒng) 包括移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)1、彩色攝像機(jī)2、無(wú)線通訊模塊3、機(jī)器人本體電源模塊4，移動(dòng)機(jī)器人 平臺(tái)1采用電機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)方式。當(dāng)接收到導(dǎo)航控制單元發(fā)送的啟動(dòng)指令后，機(jī)器人本體尋 線行走，安裝與機(jī)器人本體正前方的彩色攝像機(jī)2實(shí)時(shí)獲取導(dǎo)航線路徑信息，嵌入式控制 單元對(duì)單路采集的彩色圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，輸出數(shù)字信號(hào)至圖像處理單元，圖像處理單元 進(jìn)行圖像處理，利用改進(jìn)的Hough變換計(jì)算得到導(dǎo)航線偏移距離和偏移角度并發(fā)送給導(dǎo)航 控制單元，由導(dǎo)航控制單元根據(jù)導(dǎo)航線偏移距離、偏移角度及機(jī)器人本體速度計(jì)算出預(yù)描 點(diǎn)，輸入給BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到移動(dòng)機(jī)器人兩輪速度，通過(guò)RS232串口控制機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)， 兩輪差速值可以調(diào)整機(jī)器人本體進(jìn)行路徑跟蹤。在導(dǎo)航過(guò)程中實(shí)時(shí)向上位機(jī)傳送導(dǎo)航圖 像，并實(shí)時(shí)通過(guò)紅外光電傳感器檢測(cè)障礙物，本光電傳感器有效檢測(cè)范圍為250mm，一旦障 礙物出現(xiàn)在有效檢測(cè)范圍內(nèi)，則通過(guò)I/O接口向嵌入式處理平臺(tái)發(fā)送電平信號(hào)。嵌入式處 理平臺(tái)對(duì)I/O接口電平信號(hào)進(jìn)行分析后通過(guò)導(dǎo)航控制單元控制機(jī)器人本體停止運(yùn)動(dòng)，待障 礙物消除后，繼續(xù)循線導(dǎo)航，直到完成導(dǎo)航任務(wù)后，導(dǎo)航機(jī)器人本體停止。整個(gè)導(dǎo)航圖像可 以通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。
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以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種智能導(dǎo)航控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)包括上位機(jī)以及移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，所述上位機(jī)包括計(jì)算機(jī)和無(wú)線通訊裝置，通過(guò)無(wú)線通訊方式與所述移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)通訊，所述移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)包括移動(dòng)機(jī)器人本體、無(wú)線通訊單元、圖像提取單元、嵌入式處理平臺(tái)以及電源；所述嵌入式處理平臺(tái)包括模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、圖像處理單元以及導(dǎo)航控制單元；所述移動(dòng)機(jī)器人本體用于根據(jù)所述導(dǎo)航控制單元所提供的導(dǎo)航線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；所述導(dǎo)航線為移動(dòng)機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵循的預(yù)定路線；所述圖像提取單元用于在所述移動(dòng)機(jī)器人本體啟動(dòng)后對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行圖像/視頻模擬信號(hào)的提取，并將所提取的圖像/視頻模擬信號(hào)發(fā)送至所述模數(shù)轉(zhuǎn)換單元；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換單元用于將所述圖像/視頻模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后得到的圖像/視頻數(shù)字信號(hào)傳送給所述圖像處理單元；所述圖像處理單元用于對(duì)所述圖像/視頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析，計(jì)算得到當(dāng)前機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)路線的導(dǎo)航線偏差值，并發(fā)送至所述導(dǎo)航控制單元；所述導(dǎo)航控制單元用于根據(jù)所述導(dǎo)航線偏差值來(lái)調(diào)整導(dǎo)航線，并將所述調(diào)整后得到的導(dǎo)航線數(shù)據(jù)發(fā)送給所述移動(dòng)機(jī)器人本體。
2.如權(quán)利要求1所述的智能導(dǎo)航控制系統(tǒng)，其特征在于，所述移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)還包括 避障傳感器單元；所述避障傳感器單元用于檢測(cè)所述機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中周?chē)霈F(xiàn)的障礙物，并在出 現(xiàn)障礙物的情況下通過(guò)I/O接口發(fā)送電平信號(hào)至所述嵌入式處理平臺(tái)。
3.如權(quán)利要求1所述的智能導(dǎo)航控制系統(tǒng)，其特征在于，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換單元為數(shù)字信 號(hào)處理器，包括用于執(zhí)行多路圖像/視頻數(shù)據(jù)輸入輸出處理的數(shù)字信號(hào)處理芯片、多路數(shù) 字輸入輸出接口、多路異步串口以及無(wú)線通訊接口。
4.如權(quán)利要求1所述的智能導(dǎo)航控制系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像處理單元包括圖像 預(yù)處理器以及導(dǎo)航線提取單元；所述圖像預(yù)處理器用于選擇導(dǎo)航線顏色來(lái)對(duì)圖像/視頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，弱化背 景及噪聲干擾，突出并得到導(dǎo)航線上若干個(gè)已知點(diǎn)的數(shù)據(jù)；所述導(dǎo)航線提取單元用于按照預(yù)設(shè)規(guī)則對(duì)所述若干個(gè)已知點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行投票求得當(dāng) 前機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)路線的直線斜率，并將該直線斜率轉(zhuǎn)化為角度，基于該角度來(lái)提取單條 或多條路線的導(dǎo)航線偏差值。
5.如權(quán)利要求1所述的智能導(dǎo)航控制系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)航線偏差值包括導(dǎo)航 線偏移距離和偏移角度。
6.如權(quán)利要求1所述的智能航控制系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)航控制單元包括最優(yōu)路 徑規(guī)劃單元以及機(jī)器人本體控制單元；所述最優(yōu)路徑規(guī)劃單元用于以當(dāng)前導(dǎo)航線作為參考值，根據(jù)所述導(dǎo)航線偏差值采用神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-預(yù)描點(diǎn)的方式對(duì)導(dǎo)航線進(jìn)行機(jī)器人本體速度以及轉(zhuǎn)彎角度的調(diào)整，并將調(diào)整后得 到的導(dǎo)航線數(shù)據(jù)發(fā)送給所述機(jī)器人本體控制單元；所述機(jī)器人本體控制單元用于根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)_預(yù)描點(diǎn)的方式，結(jié)合調(diào)整后得到的導(dǎo)航 線數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)器人本體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制。
7.如權(quán)利要求2所述的智能導(dǎo)航控制系統(tǒng)，其特征在于，所述避障傳感器單元為紅外光電傳感器，其包括集發(fā)射器與接收器，用于采用輸出電平信號(hào)的方式對(duì)障礙物進(jìn)行檢測(cè)。
8.一種智能導(dǎo)航控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步驟51機(jī)器人本體根據(jù)導(dǎo)航線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；52采集機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中當(dāng)前的圖像/視頻模擬信號(hào)；53對(duì)所述圖像/視頻模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出圖像/視頻數(shù)字信號(hào)；54對(duì)所述圖像/視頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析，得到導(dǎo)航線偏差值；55根據(jù)所述導(dǎo)航線偏差值對(duì)當(dāng)前導(dǎo)航線數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器人本體速度以及轉(zhuǎn)彎角度的調(diào)整；56機(jī)器人本體根據(jù)調(diào)整后得到的導(dǎo)航線數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。
9.如權(quán)利要求8所述的智能導(dǎo)航控制方法，其特征在于，所述方法還包括步驟在機(jī)器 人本體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，檢測(cè)所述機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中周?chē)霈F(xiàn)的障礙物，若發(fā)現(xiàn)障礙物，則 通過(guò)I/O接口向嵌入式處理平臺(tái)發(fā)送電平信號(hào)，并指示機(jī)器人本體停止運(yùn)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于無(wú)標(biāo)定機(jī)器視覺(jué)的智能導(dǎo)航控制系統(tǒng)及方法，屬于自動(dòng)化與檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。為消除傳統(tǒng)方案中技術(shù)效果的好壞依賴于標(biāo)定參數(shù)的弊端，本發(fā)明技術(shù)方案基于視覺(jué)系統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)器人實(shí)時(shí)避障以及導(dǎo)航控制方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)的控制為目的，進(jìn)行圖像的自動(dòng)獲取與分析，利用機(jī)器視覺(jué)的原理，從直接得到的圖像反饋信息中，快速進(jìn)行圖像處理，在盡量短的時(shí)間內(nèi)給出反饋信息，參與控制決策的產(chǎn)生，構(gòu)成移動(dòng)機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置閉環(huán)控制。該方案了提高機(jī)器人的適應(yīng)能力及工作效率，有效保持了圖像處理過(guò)程的速度以及精度，增強(qiáng)了機(jī)器人控制系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性，降低了技術(shù)方案實(shí)施過(guò)程中的成本投入以及能源消耗。
文檔編號(hào)G01C21/34GK101976079SQ20101026488
公開(kāi)日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月27日
發(fā)明者曹倩, 王庫(kù) 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)