專利名稱：一種基于視覺和超聲波的導航控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機器人導航與控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于視覺和超聲波的履帶式機器人導航控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
導航技術(shù)是移動機器人實現(xiàn)智能化及完全自主的關(guān)鍵技術(shù)，而導航的精度和實時性仍然有待進一步提高。視覺導航具有信號探測范圍寬、目標信息完整、靈敏度高等優(yōu)勢，是機器人導航的一個主要發(fā)展方向。在視覺導航方式中，應(yīng)用最多的是采用在機器人上安裝車載攝像機的基于局部視覺的導航方式。采用這種導航方式，控制設(shè)備和傳感器裝置都裝載在機器人車體上，圖像識別、路徑規(guī)劃等高層決策都由車載計算機完成，圖像處理計算量大，所以實時性差是一個有待解決的問題。另外，當障礙物不在視野之內(nèi)或光線很暗時，機器人的視覺導航活動受到限制；超聲波導航具有結(jié)構(gòu)簡單，采集信息速率快，時間分辨率高等特點，同時超聲波傳感器不易受到天氣條件、環(huán)境光照等外界環(huán)境條件的影響。目前超聲波導航技術(shù)成熟，已被廣泛應(yīng)用到各種移動機器人的感知系統(tǒng)中。但是由于超聲波傳感器自身有缺陷，存在探測盲區(qū)，給充分獲得機器人周邊環(huán)境信息造成困難。不同的機器人導航傳感器從不同方面反映機器人的導航狀態(tài)，為了最大限度的綜合利用這些傳感器信息，避免單個傳感器的工作盲區(qū)，很有必要建立適當?shù)亩鄠鞲衅鹘M合導航系統(tǒng)，從而使機器人適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，提高導航的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服一般的機器人導航控制系統(tǒng)實時性較低、導航精度不高、移動不靈活等不足，本發(fā)明提供一種基于視覺和超聲波的導航控制系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種基于視覺和超聲波的導航控制系統(tǒng)，包括履帶式機器人本體，設(shè)置在履帶式機器人左前方、正前方、右前方的超聲波測距子系統(tǒng)和正上方的的視覺子系統(tǒng)，以及位于履帶式機器人上方的運動控制子系統(tǒng)。視覺子系統(tǒng)包括兩個CXD攝像機和DSP圖像處理器，兩個CXD攝像機安裝在履帶式機器人的正上方，當履帶式機器人行走時攝像機實時采集前方路況的視頻信息，該視頻信息經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路發(fā)送給DSP圖像處理器；DSP圖像處理器中的圖像處理算法對該數(shù)字視頻信息進行處理，得到導航參數(shù)，再通過接口電路將得到的該導航參數(shù)傳輸?shù)竭\動控制子系統(tǒng)。超聲波測距子系統(tǒng)包括超聲波發(fā)射器和超聲波接收器及相應(yīng)的電路，履帶式機器人工作時三組超聲波發(fā)射器連續(xù)發(fā)射超聲波信號用來探測履帶式機器人周圍的障礙物，當障礙物有反射回來的回波信號時，超聲波接收器接收該回波信號并產(chǎn)生距離信息傳輸?shù)竭\動控制子系統(tǒng)。 運動控制子系統(tǒng)包括DSP運動控制器和外圍電路，DSP運動控制器接收視覺子系統(tǒng)傳輸?shù)膶Ш絽?shù)以及超聲波測距子系統(tǒng)傳輸?shù)木嚯x信息，并將這些信號加以融合。采用模糊控制方法，設(shè)計兩個模糊控制子系統(tǒng)。其一是基于超聲波傳感器的模糊控制子系統(tǒng)，即根據(jù)超聲波測距子系統(tǒng)傳輸?shù)娜M距離值為模糊輸入量，將所述履帶式機器人左右兩個驅(qū)動輪的離合器在斷開狀態(tài)下的持續(xù)時間作為輸出量設(shè)計一個模糊控制器，并將該控制器嵌入在運動控制子系統(tǒng)中。其二是基于視覺傳感器的模糊控制子系統(tǒng)，即根據(jù)視覺子系統(tǒng)傳輸?shù)膶Ш絽?shù)作為模糊輸入量，將所述履帶式機器人左右兩個驅(qū)動輪的離合器在斷開狀態(tài)下的持續(xù)時間作為輸出量，并根據(jù)履帶式機器人的位姿，設(shè)計一個模糊控制器，也將該控制器嵌入在運動控制子系統(tǒng)中。所設(shè)計的兩個模糊控制器通過一個設(shè)定值來協(xié)調(diào)工作，當至少有一組超聲波測距子系統(tǒng)獲得的障礙區(qū)距離小于或等于該設(shè)定值時，進入基于超聲波傳感器的模糊控制子系統(tǒng)；否則，進入基于視覺傳感器的模糊控制子系統(tǒng)。運動控制子系統(tǒng)根據(jù)履帶式機器人的運動情況產(chǎn)生控制信號，由驅(qū)動電路對該控制信號進行處理，進而控制履帶式機器人左、右驅(qū)動輪在下一周期的控制量，實現(xiàn)履帶式機器人的轉(zhuǎn)彎、直行和停止。本發(fā)明技術(shù)方案所提供的導航控制系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相比較，其具備如下幾點有益效果(I)本發(fā)明將視覺導航種超聲波導航融合起來，綜合兩者的優(yōu)勢，具有導航精度高、可靠性好、適應(yīng)能力強的特點；(2)視覺子系統(tǒng)種運動控制子系統(tǒng)均采用DSP高速處理器，能解決導航實時性不高的問題，還可利用該處理器豐富的接口進行相應(yīng)功能的擴展，提高了擴展升級的靈活性；(3)運動控制子系統(tǒng)采用模糊控制，模糊規(guī)則庫來自操作者和專家的經(jīng)驗，操作方便，而且提高了系統(tǒng)的魯棒性、抗干擾性。


圖I是本發(fā)明實施例的總體結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明實施例的導航控制方法的流程圖；圖3是本發(fā)明實施例的視覺子系統(tǒng)中的履帶式機器人與導航路徑的位置關(guān)系示意圖；圖4是本發(fā)明實施例的基于視覺傳感器的模糊控制子系統(tǒng)示意圖；圖5是本發(fā)明實施例的基于超聲波傳感器的模糊控制子系統(tǒng)示意圖；圖中I為視覺子系統(tǒng)，2為超聲波測距子系統(tǒng)，3為運動控制子系統(tǒng)，4為世界坐標系，5為導航路徑中心線，6為履帶式機器人行駛的方向。
具體實施例方式
(I)本發(fā)明的工作原理為履帶機器人開始工作后，視覺子系統(tǒng)和超聲波測距子系統(tǒng)同時開始協(xié)調(diào)工作。履帶式機器人在移動過程中，視覺子系統(tǒng)的CCD攝像機(安裝在履帶式機器人的正上方)實時采集機器人前方路況的視頻信息，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將該視頻信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由視頻接口傳送給DSP圖像處理器(采用TMS320DM642芯片)進行信息處理，得到導航參數(shù)，并將該視覺子系統(tǒng)得到的信息通過DSP (采用TMS320C2812芯片)運動控制器的UART串口傳輸?shù)竭\動控制子系統(tǒng)中；同時超聲波測距子系統(tǒng)也協(xié)同工作，超聲波諧振頻率發(fā)生電路、調(diào)理電路產(chǎn)生超聲波信號并由超聲波發(fā)射器發(fā)射，超聲波回波接收處理電路對障礙物反射同來的超聲波信號進行接收處理，由超聲波接收器將超聲波測距子系統(tǒng)得到的信號通過DSP運動控制器的數(shù)字輸入接口傳輸?shù)竭\動控制子系統(tǒng)。至此，分兩路進行工作，超聲波測距子系統(tǒng)和運動控制子系統(tǒng)為一路，這一路工作在至少有一組超聲波檢測的障礙物距離小于或等于設(shè)定值的情況下，由所設(shè)計的基于超聲波傳感器的模糊控制子系統(tǒng)得到左右驅(qū)動輪的離合器在斷開狀態(tài)下的持續(xù)時間信號，經(jīng)相應(yīng)的驅(qū)動電路處理后控制離合器斷開，從而控制履帶式機器人的移動狀態(tài)；視覺子系統(tǒng)和運動控制子系統(tǒng)為另一路，當超聲波檢測的障礙物距離均大于設(shè)定值的情況下，由所設(shè)計的基于視覺傳感器的模糊控制子系統(tǒng)得到左右驅(qū)動輪的離合器在斷開狀態(tài)下的時持續(xù)間信號，由該信號控制履帶式機器人移動。(2)本發(fā)明構(gòu)建的基于視覺傳感器的模糊控制器，其輸入量為導航參數(shù)航向偏角￥w和橫向偏差P ,輸出的控制量為轉(zhuǎn)向控制U115橫向偏差P位于Zw左側(cè)為負，P位于Zw右側(cè)為正；航向偏角Vw位于Zw左側(cè)為負，Vw位于ZwS側(cè)為正，范圍是[-90°，90° ]。將航向偏角的論域定義為7個等級{-3，-2，-1，0，1，2，3}，語言變量為7檔{NB，匪，NS，0，PS, PM，PB}，量化因子經(jīng)模糊控制參數(shù)尋優(yōu)控制。橫向偏差同樣劃分為7個等級，但不是均勻分配，量化等級為{_5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}，語言變量為 7 檔{NB (-5)，NM(_2. 5)，NS(-1) ,0(0), PS(I)，PM(2. 5)，PB(5)} 0輸出變量轉(zhuǎn)向控制U1是對作業(yè)機的轉(zhuǎn)向方向種程度的控制，由描述語言劃分7檔{LB，LM, LS, 0，RS, RM, RB}，LB、LM、LS均表示左轉(zhuǎn)向，分別代表左轉(zhuǎn)向保持I. 8s、I. 3s、0. 8s ;0表示保持當前行駛狀態(tài)，不轉(zhuǎn)向；RS、RM、RB均代表右轉(zhuǎn)向，分別表示右轉(zhuǎn)向保持0. 8s、l. 3s、l. 8s。模糊控制器采用操作人員及專家經(jīng)驗編制出模糊控制規(guī)則，如下表所示表I基于視覺傳感器的模糊控制規(guī)則
權(quán)利要求
1.一種基于視覺和超聲波的導航控制系統(tǒng)，其特征是該系統(tǒng)包括履帶式機器人本體，設(shè)置在履帶式機器人左前方、正前方、右前方的超聲波測距子系統(tǒng)和正上方的的視覺子系統(tǒng)，以及位于履帶式機器人上方的運動控制子系統(tǒng)；所述履帶式機器人本體用于根據(jù)視覺子系統(tǒng)所提供的導航路徑進行運動，運動過程中根據(jù)超聲波測距子系統(tǒng)檢測履帶式機器人周圍的障礙物從而實現(xiàn)實時避障。
2.如權(quán)利要求I所述的基于視覺和超聲波的導航控制系統(tǒng)，其特征在于所述履帶式機器人本體的轉(zhuǎn)彎、直行和停止動作由履帶式機器人左右驅(qū)動輪的離合器協(xié)調(diào)控制，離合器的動作由相應(yīng)的液壓缸自動控制。
3.如權(quán)利要求I所述的基于視覺和超聲波的導航控制系統(tǒng)，其特征在于視覺子系統(tǒng)包括兩個CCD攝像機、兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和一個DSP圖像處理器，兩個CCD攝像機用于實時采集履帶式機器人前方路況的視頻信息，并將所提取的視頻信息經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路后發(fā)送給DSP圖像處理器；DSP圖像處理器對所得視頻信息進行處理而得到導航路徑和導航參數(shù)。
4.如權(quán)利要求I所述的基于視覺和超聲波的導航控制系統(tǒng)，其特征在于所述超聲波測距子系統(tǒng)包括超聲波發(fā)射器和超聲波接收器及信號處理電路，發(fā)射器連續(xù)發(fā)射超聲波信號來探測履帶式機器人正前方、左前方、右前方是否有障礙物，超聲波接收器接收障礙物反射回來的回波信號并將其傳輸?shù)叫盘柼幚黼娐罚恍盘柼幚黼娐穼λ邮盏降男盘栠M行處理來獲得距離信息，然后將該距離信息傳送給運動控制子系統(tǒng)來控制履帶式機器人避障。
5.如權(quán)利要求I所述的基于視覺和超聲波的導航控制系統(tǒng)，其特征在于所述運動控制子系統(tǒng)包括DSP運動控制器和外圍電路，所述運動控制子系統(tǒng)用于根據(jù)所述DSP圖像處理器提供的導航參數(shù)以及超聲波測距子系統(tǒng)提供的距離信息來控制履帶式機器人自主行走和避障； 所述運動控制子系統(tǒng)分為基于超聲波傳感器的控制子系統(tǒng)和基于視覺傳感器的控制子系統(tǒng)，均采用模糊控制方法，當至少有一組超聲波測距子系統(tǒng)獲得的障礙物距離小于或等于設(shè)定值時，采用基于超聲波傳感器的控制子系統(tǒng)，即將所述三組超聲波測距子系統(tǒng)檢測的障礙物的距離信息作為模糊輸入量，設(shè)計模糊控制器，將所述履帶式機器人左右兩個驅(qū)動輪的離合器在斷開狀態(tài)下的持續(xù)時間作為輸出量，通過控制該時間來控制履帶式機器人的轉(zhuǎn)彎、直行和停止；當三組超聲波測距子系統(tǒng)獲得的障礙物距離均大于設(shè)定值時，采用基于視覺傳感器的控制子系統(tǒng)，即將所述導航參數(shù)作為模糊輸入量，設(shè)計模糊控制器，將所述履帶式機器人左右兩個驅(qū)動輪的離合器在斷開狀態(tài)下的持續(xù)時間作為輸出量，通過控制該時間來控制履帶式機器人的轉(zhuǎn)彎、直行和停止。
全文摘要
一種基于視覺和超聲波的導航控制系統(tǒng)，包括履帶式機器人本體，設(shè)置在機器人前方的超聲波測距子系統(tǒng)和正上方的視覺子系統(tǒng)，以及位于機器人上方的運動控制子系統(tǒng)；超聲波測距子系統(tǒng)包括超聲波發(fā)射器和超聲波接收器及信號處理電路，多個發(fā)射器之間以及多個接收器之間均等間距分布；視覺子系統(tǒng)包括CCD攝像機、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和DSP圖像處理器；運動控制子系統(tǒng)包括DSP運動控制器和相應(yīng)的外圍電路。視覺子系統(tǒng)和超聲波測距子系統(tǒng)處理后的信息傳輸?shù)角度朐谶\動控制子系統(tǒng)中的模糊控制器，模糊控制器輸出控制信息控制機器人運動。本系統(tǒng)的優(yōu)點是，將視覺導航和超聲波導航的優(yōu)點相結(jié)合提高了導航精度，采用DSP高速處理器提高了實時性、可擴展性，運用模糊控制方法增強了抗干擾能力。
文檔編號G01S15/93GK102621986SQ201210113079
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月13日
發(fā)明者夏海生, 孫立江, 徐新星, 楊福增, 蘇磊, 蒲應(yīng)俊, 陳晨宗 申請人:西北農(nóng)林科技大學