專利名稱：一種偵察機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及移動式機器人領域，尤其涉及一種能夠半自主移動進行目標跟蹤的偵
察機器人。
背景技術：
偵察機器人作為移動機器人的一種，已有十幾年的發(fā)展歷史，它主要應用于反恐 防暴、排爆、防化、危險品探測、災難救援等領域，因此該類機器人常用于如山丘、草地、災害 現(xiàn)場等非結構環(huán)境中。 在非結構化的環(huán)境中，機器人的圖像采集系統(tǒng)常常面臨著圖像成像不穩(wěn)定等現(xiàn) 象，影響了圖像采集系統(tǒng)的相關算法的有效性，因此，克服機器人在移動過程中的物理抖動 對圖像采集的影響是亟待解決的問題。 同時，通常情況下，偵察機器人的移動需要人工的不斷監(jiān)控、判斷，形成人在控制 環(huán)路中的控制格局，這種人為控制格局至少存在如下問題常因操作人員的失誤和缺勤而 出現(xiàn)錯誤。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例提供一種偵察機器人，能夠?qū)崿F(xiàn)半自主移動進行目標跟蹤。
本發(fā)明實施例是通過以下技術方案實現(xiàn)的 本發(fā)明實施例提供一種偵察機器人，包括圖像處理跟蹤系統(tǒng)、具有無線模擬搖桿 鼠標功能的控制箱系統(tǒng)、底盤運動系統(tǒng)； 所述圖像處理跟蹤系統(tǒng)，用于運動目標的半自主跟蹤和手動跟蹤，采集所跟蹤的 運動目標的圖像，對采集的圖像進行處理，并在圖像處理中通過電子穩(wěn)像的算法，克服機器 人在行進中對圖像造成的晃動； 所述具有無線模擬搖桿鼠標功能的控制箱系統(tǒng)，用于實現(xiàn)上位機界面中的鼠標光 標的基本功能，輔助圖像處理跟蹤系統(tǒng)對運動目標的檢測； 所述底盤運動系統(tǒng)，用于接收所述具有無線模擬搖桿鼠標功能的控制箱系統(tǒng)或所 述圖像處理跟蹤系統(tǒng)的目標跟蹤命令，根據(jù)所述目標跟蹤命令運動來跟蹤目標。
所述圖像處理跟蹤系統(tǒng)為基于兩軸框架的陀螺穩(wěn)定平臺的圖像處理跟蹤系統(tǒng)。
所述圖像處理跟蹤系統(tǒng)在兩軸框架的陀螺穩(wěn)定平臺上，將滑模變結構控制算法用 于平臺的兩軸電機速度環(huán)控制，并配合PID穩(wěn)定校正，形成雙環(huán)結構的穩(wěn)定控制算法。
所述圖像處理跟蹤系統(tǒng)包括電子穩(wěn)像單元、圖像采集單元、背景建模單元、目標 檢測單元、特征提取單元及目標跟蹤控制單元； 所述電子穩(wěn)像單元，用于對機器人在行進過程中采集的圖像的若干幀進行電子穩(wěn) 像處理； 所述圖像采集單元，用于采集經(jīng)過電子穩(wěn)像處理后的圖像的若干幀； 所述背景建模單元，用于對所述圖像采集單元采集的若干幀圖像，采用中值濾波
4法進行背景建模； 所述目標檢測單元，用于在運動目標進入所述背景中時，以接收人工選擇的方式
或根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫保存的前景圖像信息檢測目標，提取其前景圖； 所述特征提取單元，用于采用前景圖直方圖的方式統(tǒng)計目標特征； 所述目標跟蹤控制單元，用于發(fā)送目標跟蹤命令，控制底盤系統(tǒng)運動來跟蹤目標、
控制云臺進行視角鎖定以及控制兩軸陀螺轉(zhuǎn)向跟蹤，以保持對目標的持續(xù)偵察和跟蹤。 所述電子穩(wěn)像單元通過對比當前幀和上一幀的圖像模型，分析圖像的運動矢量，
通過圖像像素點逆行移動一個運動矢量，達到電子穩(wěn)像的目的。 所述目標跟蹤控制單元采用CamShift圖像處理算法發(fā)送目標跟蹤命令，其中使 用下面的公式來近似表示Camshift中的Bhattacharyya系數(shù)，并據(jù)此分析是否丟失目標；》'(力三P*["x),f (w]=f 、/ i(，、 ，、 = 「、1廣、t
L 」 V max(々)max(々) max(《)max(4 ) 3 其中，《(力為候選目標的特征直方圖，呔,(X)為目標模型的特征直方圖。
所述具有無線模擬搖桿鼠標功能的控制箱系統(tǒng)采用單片機作為搖桿鼠標數(shù)據(jù)的 核心處理單元。 所述具有無線模擬搖桿鼠標功能的控制箱系統(tǒng)包括搖桿、按鈕及無線數(shù)據(jù)傳送單 元部件，所述鼠標光標的基本功能包括移動、框選、單擊、雙擊。
所述底盤運動系統(tǒng)采用單片機作為核心處理單元。 所述底盤運動系統(tǒng)由所述具有無線模擬搖桿鼠標功能的控制箱系統(tǒng)控制，所述具 有無線模擬搖桿鼠標功能的控制箱系統(tǒng)采用單片機的A/D轉(zhuǎn)換功能實現(xiàn)底盤雙軸電位器、 搖桿鼠標雙軸電位器、云臺雙軸電位器的電壓信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，為具有無線模擬搖 桿鼠標功能的控制箱系統(tǒng)提供可靠的傳輸數(shù)據(jù)，用單片機的I/O功能和中斷功能實現(xiàn)液晶 顯示器的顯示和檔位開關的選擇，再通過無線數(shù)據(jù)傳送單元傳給底盤運動系統(tǒng)，所述底盤 運動系統(tǒng)通過傳輸數(shù)據(jù)實現(xiàn)模擬鼠標控制和D/A轉(zhuǎn)換，用以驅(qū)動機器人的運動輪，達到人 為控制的目的，同時該底盤運動系統(tǒng)通過接收圖像處理跟蹤系統(tǒng)的目標跟蹤命令實現(xiàn)偵察 機器人的自主跟蹤。 由上述本發(fā)明實施例提供的技術方案可以看出，本發(fā)明實施例所述偵察機器人實 現(xiàn)了能夠在非結構環(huán)境中進行人為控制和半自主控制移動的雙控模式，從而能夠?qū)崿F(xiàn)運動 目標的自動跟蹤和檢測，為偵察機器人尾隨并保持視角，鎖定目標提供了更為先進的技術。
另外，本發(fā)明實施例的偵察機器人采集所跟蹤的運動目標的圖像，對采集的圖像 進行處理，并在圖像處理中通過電子穩(wěn)像的算法，有效克服了機器人在行進中對圖像造成 的晃動，加強了圖像采集的每一幀圖像的穩(wěn)定性和可觀測性。
圖1為本發(fā)明實施例偵察機器人和具有無線模擬搖桿鼠標功能控制箱的結構示 意圖； 圖2為本發(fā)明實施例基于兩軸框架陀螺穩(wěn)定平臺圖像處理跟蹤系統(tǒng)示意圖；
圖3為本發(fā)明實施例圖像處理跟蹤系統(tǒng)結構圖；
圖4為本發(fā)明實施例底盤運動系統(tǒng)結構示意圖。
具體實施例方式
下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，可以理解的是，所描述的實施例僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施 例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的 所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。 本發(fā)明一個實施例提供一種偵察機器人，如圖1所示，該偵察機器人包括圖像處 理跟蹤系統(tǒng)、具有無線模擬搖桿鼠標功能的控制箱系統(tǒng)、底盤運動系統(tǒng)； 所述圖像處理跟蹤系統(tǒng)，用于運動目標的半自主跟蹤和手動跟蹤，采集所跟蹤的 運動目標的圖像，對采集的圖像進行處理，達到目標跟蹤的目的。并可以在圖像處理中通過 電子穩(wěn)像的算法，克服機器人在行進中對圖像造成的晃動。 本發(fā)明實施例所述的圖像處理跟蹤系統(tǒng)為基于兩軸框架的陀螺穩(wěn)定平臺的圖像 處理跟蹤系統(tǒng)，如圖2所示為基于兩軸框架的陀螺穩(wěn)定平臺的圖像處理跟蹤系統(tǒng)的示意 圖，本發(fā)明實施例的偵察機器人的圖像處理跟蹤系統(tǒng)的圖像采集部分位于兩軸框架的陀螺 穩(wěn)定平臺上，平臺采用了基于陀螺反饋穩(wěn)定的雙軸框架，輔助提高了圖像采集的每一幀圖 像的穩(wěn)定性和可觀測性。該平臺將滑模變結構控制算法應用于電機的速度環(huán)控制，并配合 PID穩(wěn)定校正算法，形成了雙環(huán)結構的穩(wěn)定控制算法。
所述圖像處理跟蹤系統(tǒng)結構一種實施例如圖3所示，包括電子穩(wěn)像單元、圖像采
集單元、背景建模單元、目標檢測單元、特征提取單元及目標跟蹤控制單元。 所述的電子穩(wěn)像單元，用于對機器人在行進過程中采集的圖像的若干幀進行電子
穩(wěn)像處理，以消除機器人在行進過程中對圖像造成的晃動，該電子穩(wěn)像單元通過對比當前
幀和上一幀的圖像模型，分析圖像的運動矢量，通過圖像像素點逆行移動一個運動矢量，達
到電子穩(wěn)像的目的； 所述圖像采集單元，建立在雙軸陀螺穩(wěn)定平臺上，用于采集經(jīng)過電子穩(wěn)像處理后 的圖像的若干幀，為后續(xù)的圖像處理算法提供對象； 所述背景建模單元，用于對所述圖像采集單元采集的若干幀圖像，采用中值濾波 法進行背景建模； 所述目標檢測單元，用于在運動目標進入所述背景中時，以接收人工選擇的方式 將運動目標設定為檢測對象，提取其前景圖，實現(xiàn)目標檢測；也可以根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫保存 的前景圖像信息，設置需要跟蹤的目標，當目標進入所述背景中時，將會對圖像進行自動跟
蹤o 所述特征提取單元，用于采用前景圖直方圖的方式統(tǒng)計目標特征； 所述目標跟蹤控制單元，用于采用本發(fā)明改進的CamShift圖像處理算法發(fā)送目
標跟蹤命令，控制底盤系統(tǒng)運動來跟蹤目標、控制云臺進行視角鎖定以及控制兩軸陀螺轉(zhuǎn)
向跟蹤，以保持對目標的持續(xù)偵察和跟蹤。本發(fā)明后續(xù)實施例將對所述改進的CamShift算
法進行詳細介紹。 實現(xiàn)自主跟蹤的過程包括當待跟蹤目標出現(xiàn)在視野中時，通過鼠標來框選目標， 之后對所選中的目標進行建模，建模完成之后開始進行跟蹤。跟蹤過程中若發(fā)現(xiàn)目標丟失 則進行相應的丟失處理。其跟蹤處理過程參看后續(xù)介紹的改進的Camshift跟蹤算法。
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所述具有無線模擬搖桿鼠標空能的控制箱系統(tǒng)，用于通過搖桿、按鈕及無線數(shù)據(jù) 傳送單元等部件組成控制箱，來實現(xiàn)上位機界面中的鼠標光標的基本功能，包括移動、框 選、單擊、雙擊等功能，輔助了圖像處理跟蹤系統(tǒng)對運動目標的檢測，實現(xiàn)了機器人的跟蹤 運動。本發(fā)明實施例所述具有無線模擬搖桿鼠標功能的控制箱系統(tǒng)采用單片機作為搖桿鼠 標數(shù)據(jù)的核心處理單元。 所述底盤運動系統(tǒng)，用于接收具有無線模擬搖桿鼠標功能的控制箱系統(tǒng)或所述圖 像處理跟蹤系統(tǒng)的目標跟蹤命令，根據(jù)所述目標跟蹤命令運動來跟蹤目標。本發(fā)明實施例 提供的底盤運動系統(tǒng)采用單片機作為核心處理單元。 本發(fā)明實施例提供的底盤運動系統(tǒng)可以由具有無線模擬搖桿鼠標功能的控制箱 系統(tǒng)控制，其結構示意圖如圖4所示，所述具有無線模擬搖桿鼠標功能的控制箱系統(tǒng)采用 單片機作為核心處理單元，采用單片機的A/D轉(zhuǎn)換功能實現(xiàn)底盤雙軸電位器、搖桿鼠標雙 軸電位器、云臺雙軸電位器的電壓信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，為具有無線模擬搖桿鼠標功能 的控制箱系統(tǒng)提供可靠的傳輸數(shù)據(jù)，用單片機的I/O功能和中斷功能實現(xiàn)液晶點陣顯示器 的顯示和檔位開關的選擇，再通過無線數(shù)據(jù)傳送單元傳給底盤運動系統(tǒng)，該底盤運動系統(tǒng) 采用單片機為核心，通過傳輸數(shù)據(jù)實現(xiàn)模擬鼠標控制和D/A轉(zhuǎn)換，得到模擬鼠標信息和云 臺控制信息，用以驅(qū)動機器人的運動輪，包括左輪和右輪，達到人為控制的目的。同時該底 盤運動系統(tǒng)通過接收圖像處理跟蹤系統(tǒng)的目標跟蹤命令實現(xiàn)偵察機器人的自主跟蹤，因此 該系統(tǒng)實現(xiàn)了偵察機器人的自主控制和人為控制雙控制模式。 本發(fā)明實施例所述偵察機器人實現(xiàn)了能夠在非結構環(huán)境中進行人為控制和半自 主控制移動的雙控模式，從而能夠?qū)崿F(xiàn)運動目標的自動跟蹤和檢測，為偵察機器人尾隨并 保持視角鎖定目標提供了更為先進的技術。 本發(fā)明實施例提供的偵察機器人的跟蹤算法為改進的CamShift算法，該算法實
現(xiàn)了機器人視覺中前景信息的提取，并實現(xiàn)了對相關目標的有效跟蹤。 本發(fā)明實施例使用下面的公式(1)來近似表示Camshift中的Bhattacharyya系
數(shù)，并據(jù)此分析是否丟失目標，從而針對不同情況進行應急措施處理。
三〃e(x),f (力]=t、 "，、=廣、1 「,、l:在(w:o0
L 」max(《)max(g ) max(g)max(《)^ (1) 其中，^ (力為候選目標的特征直方圖，《a(x)為目標模型的特征直方圖。
系統(tǒng)在接收到檢測算法中得到的運動目標形心位置及目標大小之后，首先進行 RGB空間到HSV空間的轉(zhuǎn)換，提取出色度分量Hue，并由此建立運動目標的一維直方圖作為 運動目標的模型；其次，對于每一幀更新的圖像，再進行RGB空間到HSV空間的轉(zhuǎn)換，提取出 Hue分量之后，利用目標建模階段得到的直方圖，計算候選目標的概率分布密度(直方圖反 向投影)；再次，根據(jù)公式(1)計算相似度系數(shù)，用來評估候選目標與運動目標模型之間的 相似程度；然后通過CamShift迭代算法，獲得當前幀圖像中與目標模型最為"相似"的候選 目標位置；通過計算相似度，確定要跟蹤的目標是否發(fā)生了丟失，如果未丟失，則對其后的 圖像重復上述過程，不斷獲得最近的目標位置，如果丟失，則重新檢測運動目標，執(zhí)行上述 改進的CamShift跟蹤算法。 綜上所述，本發(fā)明實施例所述偵察機器人實現(xiàn)了能夠在非結構環(huán)境中進行人為控
7制和半自主控制移動的雙控模式，從而能夠?qū)崿F(xiàn)運動目標的自動跟蹤和檢測，為偵察機器 人尾隨并保持視角鎖定目標提供了更為先進的技術。 另外，本發(fā)明實施例的偵察機器人采集所跟蹤的運動目標的圖像，對采集的圖像 進行處理，并在圖像處理中通過電子穩(wěn)像的算法，有效克服了機器人在行進中對圖像造成 的晃動，加強了圖像采集的每一幀圖像的穩(wěn)定性和可觀測性。 以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍 為準。
權利要求
一種偵察機器人，其特征在于，包括圖像處理跟蹤系統(tǒng)、具有無線模擬搖桿鼠標功能的控制箱系統(tǒng)、底盤運動系統(tǒng)；所述圖像處理跟蹤系統(tǒng)，用于運動目標的半自主跟蹤和手動跟蹤，采集所跟蹤的運動目標的圖像，對采集的圖像進行處理，并在圖像處理中通過電子穩(wěn)像的算法，克服機器人在行進中對圖像造成的晃動；所述具有無線模擬搖桿鼠標功能的控制箱系統(tǒng)，用于實現(xiàn)上位機界面中的鼠標光標的基本功能，輔助圖像處理跟蹤系統(tǒng)對運動目標的檢測；所述底盤運動系統(tǒng)，用于接收所述具有無線模擬搖桿鼠標功能的控制箱系統(tǒng)或所述圖像處理跟蹤系統(tǒng)的目標跟蹤命令，根據(jù)所述目標跟蹤命令運動來跟蹤目標。
2. 如權利要求1所述的偵察機器人，其特征在于，所述圖像處理跟蹤系統(tǒng)為基于兩軸 框架的陀螺穩(wěn)定平臺的圖像處理跟蹤系統(tǒng)。
3. 如權利要求2所述的偵察機器人，其特征在于，所述圖像處理跟蹤系統(tǒng)在兩軸框架 的陀螺穩(wěn)定平臺上，將滑模變結構控制算法用于平臺的兩軸電機速度環(huán)控制，并配合PID 穩(wěn)定校正，形成雙環(huán)結構的穩(wěn)定控制算法。
4. 如權利要求1或2所述的偵察機器人，其特征在于，所述圖像處理跟蹤系統(tǒng)包括電 子穩(wěn)像單元、圖像采集單元、背景建模單元、目標檢測單元、特征提取單元及目標跟蹤控制 單元；所述電子穩(wěn)像單元，用于對機器人在行進過程中采集的圖像的若干幀進行電子穩(wěn)像處理；所述圖像采集單元，用于采集經(jīng)過電子穩(wěn)像處理后的圖像的若干幀； 所述背景建模單元，用于對所述圖像采集單元采集的若干幀圖像，采用中值濾波法進 行背景建模；所述目標檢測單元，用于在運動目標進入所述背景中時，以接收人工選擇的方式或根 據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫保存的前景圖像信息檢測目標，提取其前景圖；所述特征提取單元，用于采用前景圖直方圖的方式統(tǒng)計目標特征；所述目標跟蹤控制單元，用于發(fā)送目標跟蹤命令，控制底盤系統(tǒng)運動來跟蹤目標、控制 云臺進行視角鎖定以及控制兩軸陀螺轉(zhuǎn)向跟蹤，以保持對目標的持續(xù)偵察和跟蹤。
5. 如權利要求4所述的偵察機器人，其特征在于，所述電子穩(wěn)像單元通過對比當前幀 和上一幀的圖像模型，分析圖像的運動矢量，通過圖像像素點逆行移動一個運動矢量，達到 電子穩(wěn)像的目的。
6. 如權利要求4所述的偵察機器人，其特征在于，所述目標跟蹤控制單元采用 CamShift圖像處理算法發(fā)送目標跟蹤命令，其中使用下面的公式來近似表示Camshift中 的Bhattacharyya系數(shù)，并據(jù)此分析是否丟失目標；f (力三["x), ^ (力]=;￡ 、/ ， ，、 = "1 ,、 t vi^^」 S V max(《)max(^ )max(Wmax(^ )其中，《(力為候選目標的特征直方圖，&(x)為目標模型的特征直方圖。
7. 如權利要求1所述的偵察機器人，其特征在于，所述具有無線模擬搖桿鼠標功能的 控制箱系統(tǒng)采用單片機作為搖桿鼠標數(shù)據(jù)的核心處理單元。
8. 如權利要求1所述的偵察機器人，其特征在于，所述具有無線模擬搖桿鼠標功能的 控制箱系統(tǒng)包括搖桿、按鈕及無線數(shù)據(jù)傳送單元部件，所述鼠標光標的基本功能包括移動、 框選、單擊、雙擊。
9. 如權利要求1所述的偵察機器人，其特征在于，所述底盤運動系統(tǒng)采用單片機作為 核心處理單元。
10. 如權利要求8所述的偵察機器人，其特征在于，所述底盤運動系統(tǒng)由所述具有無線 模擬搖桿鼠標功能的控制箱系統(tǒng)控制，所述具有無線模擬搖桿鼠標功能的控制箱系統(tǒng)采用 單片機的A/D轉(zhuǎn)換功能實現(xiàn)底盤雙軸電位器、搖桿鼠標雙軸電位器、云臺雙軸電位器的電 壓信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，為具有無線模擬搖桿鼠標功能的控制箱系統(tǒng)提供可靠的傳輸數(shù) 據(jù)，用單片機的1/0功能和中斷功能實現(xiàn)液晶顯示器的顯示和檔位開關的選擇，再通過無 線數(shù)據(jù)傳送單元傳給底盤運動系統(tǒng)，所述底盤運動系統(tǒng)通過傳輸數(shù)據(jù)實現(xiàn)模擬鼠標控制和 D/A轉(zhuǎn)換，用以驅(qū)動機器人的運動輪，達到人為控制的目的，同時該底盤運動系統(tǒng)通過接收 圖像處理跟蹤系統(tǒng)的目標跟蹤命令實現(xiàn)偵察機器人的自主跟蹤。
全文摘要
本發(fā)明實施例涉及移動式機器人領域一種偵察機器人，包括圖像處理跟蹤系統(tǒng)，用于運動目標的半自主跟蹤和手動跟蹤，采集所跟蹤的運動目標的圖像，對采集的圖像進行處理，以克服機器人在行進中對圖像造成的晃動；具有無線模擬搖桿鼠標功能的控制箱系統(tǒng)，用于實現(xiàn)上位機界面中的鼠標光標的基本功能；底盤運動系統(tǒng)，用于接收具有無線模擬搖桿鼠標功能的控制箱系統(tǒng)或所述圖像處理跟蹤系統(tǒng)的目標跟蹤命令，根據(jù)所述目標跟蹤命令運動來跟蹤目標。本發(fā)明實施例所述偵察機器人實現(xiàn)了能夠在非結構環(huán)境中進行人為控制和半自主控制移動的雙控模式，并有效克服了機器人在行進中對圖像造成的晃動，加強了圖像采集的每一幀圖像的穩(wěn)定性和可觀測性。
文檔編號G05D1/00GK101763117SQ20091024250
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月15日 優(yōu)先權日2009年12月15日
發(fā)明者李喜玉, 李鵬, 王田苗, 陳彧欣, 陳殿生 申請人:北京航空航天大學