專利名稱：一種基于視覺和超聲波的導(dǎo)航控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于機(jī)器人導(dǎo)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(jī)器人導(dǎo)航控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
導(dǎo)航技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能化及完全自主的關(guān)鍵技術(shù)，而導(dǎo)航的精度和實(shí)時(shí)性仍然有待進(jìn)一步提高。視覺導(dǎo)航具有信號(hào)探測范圍寬、目標(biāo)信息完整、靈敏度高等優(yōu)勢，是機(jī)器人導(dǎo)航的一個(gè)主要發(fā)展方向。在視覺導(dǎo)航方式中，應(yīng)用最多的是采用在機(jī)器人上安裝車載攝像機(jī)的基于局部視覺的導(dǎo)航方式。采用這種導(dǎo)航方式，控制設(shè)備和傳感器裝置都 裝載在機(jī)器人車體上，圖像識(shí)別、路徑規(guī)劃等高層決策都由車載計(jì)算機(jī)完成，圖像處理計(jì)算量大，所以實(shí)時(shí)性差是一個(gè)有待解決的問題。另外，當(dāng)障礙物不在視野之內(nèi)或光線很暗時(shí)，機(jī)器人的視覺導(dǎo)航活動(dòng)受到限制；超聲波導(dǎo)航具有結(jié)構(gòu)簡單，采集信息速率快，時(shí)間分辨率高等特點(diǎn)，同時(shí)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(dǎo)航技術(shù)成熟，已被廣泛應(yīng)用到各種移動(dòng)機(jī)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(jī)器人周邊環(huán)境信息造成困難。不同的機(jī)器人導(dǎo)航傳感器從不同方面反映機(jī)器人的導(dǎo)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(gè)傳感器的工作盲區(qū)，很有必要建立適當(dāng)?shù)亩鄠鞲衅鹘M合導(dǎo)航系統(tǒng)，從而使機(jī)器人適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，提高導(dǎo)航的可靠性。
實(shí)用新型內(nèi)容為了克服一般的機(jī)器人導(dǎo)航控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較低、導(dǎo)航精度不高、移動(dòng)不靈活等不足，本實(shí)用新型提供一種基于視覺和超聲波的導(dǎo)航控制系統(tǒng)。本實(shí)用新型的技術(shù)方案為一種基于視覺和超聲波的導(dǎo)航控制系統(tǒng)，包括履帶式機(jī)器人本體，設(shè)置在履帶式機(jī)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(jī)器人上方的運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)。視覺子系統(tǒng)包括兩個(gè)CXD攝像機(jī)和DSP圖像處理器，兩個(gè)CXD攝像機(jī)安裝在履帶式機(jī)器人的正上方，當(dāng)履帶式機(jī)器人行走時(shí)攝像機(jī)實(shí)時(shí)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(jìn)行處理，得到導(dǎo)航參數(shù)，再通過接口電路將得到的該導(dǎo)航參數(shù)傳輸?shù)竭\(yùn)動(dòng)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(jī)器人工作時(shí)三組超聲波發(fā)射器連續(xù)發(fā)射超聲波信號(hào)用來探測履帶式機(jī)器人周圍的障礙物，當(dāng)障礙物有反射回來的回波信號(hào)時(shí)，超聲波接收器接收該回波信號(hào)并產(chǎn)生距離信息傳輸?shù)竭\(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)包括DSP運(yùn)動(dòng)控制器和外圍電路，DSP運(yùn)動(dòng)控制器接收視覺子系統(tǒng)傳輸?shù)膶?dǎo)航參數(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(hào)加以融合。采用模糊控制方法，設(shè)計(jì)兩個(gè)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(jī)器人左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的離合器在斷開狀態(tài)下的持續(xù)時(shí)間作為輸出量設(shè)計(jì)一個(gè)模糊控制器，并將該控制器嵌入在運(yùn)動(dòng)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?dǎo)航參數(shù)作為模糊輸入量，將所述履帶式機(jī)器人左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的離合器在斷開狀態(tài)下的持續(xù)時(shí)間作為輸出量，并根據(jù)履帶式機(jī)器人的位姿，設(shè)計(jì)一個(gè)模糊控制器，也將該控制器嵌入在運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)中。所設(shè)計(jì)的兩個(gè)模糊控制器通過一個(gè)設(shè)定值來協(xié)調(diào)工作，當(dāng)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(shí)，進(jìn)入基于超聲波傳感器的模糊控制子系統(tǒng)；否則，進(jìn)入基于視覺傳感器的模糊控制子系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)根據(jù)履帶式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況產(chǎn)生控制信號(hào)，由驅(qū)動(dòng)電路對該控制信號(hào)進(jìn)行處理，進(jìn)而控制履帶式機(jī)器人左、右驅(qū)動(dòng)輪在下一周期的控制量，實(shí)現(xiàn)履帶式機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎、直行和停止。本實(shí)用新型技術(shù)方案所提供的導(dǎo)航控制系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相比較，其具備如下幾點(diǎn)有益效果(I)本實(shí)用新型將視覺導(dǎo)航和超聲波導(dǎo)航融合起來，綜合兩者的優(yōu)勢，具有導(dǎo)航精度高、可靠性好、適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)；(2)視覺子系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)均采用DSP高速處理器，能解決導(dǎo)航實(shí)時(shí)性不 高的問題，還可利用該處理器豐富的接口進(jìn)行相應(yīng)功能的擴(kuò)展，提高了擴(kuò)展升級的靈活性；(3)運(yùn)動(dòng)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(yàn)，操作方便，而且提高了系統(tǒng)的魯棒性、抗干擾性。

圖I是本實(shí)用新型實(shí)施例的總體結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例的導(dǎo)航控制方法的流程圖；圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例的視覺子系統(tǒng)中的履帶式機(jī)器人與導(dǎo)航路徑的位置關(guān)系不意圖；圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例的基于視覺傳感器的模糊控制子系統(tǒng)示意圖；圖5是本實(shí)用新型實(shí)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(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)，4為世界坐標(biāo)系，5為導(dǎo)航路徑中心線，6為履帶式機(jī)器人行駛的方向。
具體實(shí)施方式
(I)本實(shí)用新型的工作原理為履帶機(jī)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(shí)開始協(xié)調(diào)工作。履帶式機(jī)器人在移動(dòng)過程中，視覺子系統(tǒng)的CCD攝像機(jī)(安裝在履帶式機(jī)器人的正上方)實(shí)時(shí)采集機(jī)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(hào)，由視頻接口傳送給DSP圖像處理器(采用TMS320DM642芯片)進(jìn)行信息處理，得到導(dǎo)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(yùn)動(dòng)控制器的UART串口傳輸?shù)竭\(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)中；同時(shí)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(hào)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回來的超聲波信號(hào)進(jìn)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(hào)通過DSP運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)字輸入接口傳輸?shù)竭\(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)。至此，分兩路進(jìn)行工作，超聲波測距子系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)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(jì)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(dòng)輪的離合器在斷開狀態(tài)下的持續(xù)時(shí)間信號(hào)，經(jīng)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路處理后控制離合器斷開，從而控制履帶式機(jī)器人的移動(dòng)狀態(tài)；視覺子系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)為另一路，當(dāng)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(jì)的基于視覺傳感器的模糊控制子系統(tǒng)得到左右驅(qū)動(dòng)輪的離合器在斷開狀態(tài)下的時(shí)持續(xù)間信號(hào)，由該信號(hào)控制履帶式機(jī)器人移動(dòng)。(2)本實(shí)用新型構(gòu)建的基于視覺傳感器的模糊控制器，其輸入量為導(dǎo)航參數(shù)航向偏角Vw和橫向偏差P，輸出的控制量為轉(zhuǎn)向控制七。橫向偏差P位于Zw左側(cè)為負(fù)，P位于Zw右側(cè)為正；航向偏角Vw位于Zw左側(cè)為負(fù)，UTw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(gè)等級{-3，-2，-1，0，1，2，3}，語言變量為7檔{他，匪，NS, O, 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(gè)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(-l), 0(0)，PS(I), PM (2. 5)，PB (5)}。輸出變量轉(zhuǎn)向控制U1是對作業(yè)機(jī)的轉(zhuǎn)向方向和程度的控制，由描述語言劃分7檔{LB，LM, LS, O, RS, RM, RB}，LB、LM、LS均表示左·轉(zhuǎn)向，分別代表左轉(zhuǎn)向保持1.8s、1.3s、0.8s ;0表示保持當(dāng)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O. 8s、I. 3s、I. 8s。模糊控制器采用操作人員及專家經(jīng)驗(yàn)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(dǎo)航控制系統(tǒng)，其特征是該系統(tǒng)包括履帶式機(jī)器人本體，設(shè)置在履帶式機(jī)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(jī)器人上方的運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)；所述履帶式機(jī)器人本體用于根據(jù)視覺子系統(tǒng)所提供的導(dǎo)航路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程中根據(jù)超聲波測距子系統(tǒng)檢測履帶式機(jī)器人周圍的障礙物從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)避障。
2.如權(quán)利要求I所述的基于視覺和超聲波的導(dǎo)航控制系統(tǒng)，其特征在于所述履帶式機(jī)器人本體的轉(zhuǎn)彎、直行和停止動(dòng)作由履帶式機(jī)器人左右驅(qū)動(dòng)輪的離合器協(xié)調(diào)控制，離合器的動(dòng)作由相應(yīng)的液壓缸自動(dòng)控制。
3.如權(quán)利要求I所述的基于視覺和超聲波的導(dǎo)航控制系統(tǒng)，其特征在于視覺子系統(tǒng)包括兩個(gè)CCD攝像機(jī)、兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和一個(gè)DSP圖像處理器，兩個(gè)CCD攝像機(jī)用于實(shí)時(shí)采集履帶式機(jī)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
4.如權(quán)利要求I所述的基于視覺和超聲波的導(dǎo)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(hào)處理電路，發(fā)射器連續(xù)發(fā)射超聲波信號(hào)來探測履帶式機(jī)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(hào)并將其傳輸?shù)叫盘?hào)處理電路；信號(hào)處理電路對所接收到的信號(hào)進(jìn)行處理來獲得距離信息，然后將該距離信息傳送給運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)來控制履帶式機(jī)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(dǎo)航控制系統(tǒng)，其特征在于所述運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)包括DSP運(yùn)動(dòng)控制器和外圍電路，所述運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)用于根據(jù)所述DSP圖像處理器提供的導(dǎo)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(jī)器人自主行走和避障；所述運(yùn)動(dòng)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)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于視覺和超聲波的導(dǎo)航控制系統(tǒng)，包括履帶式機(jī)器人本體，設(shè)置在機(jī)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(jī)器人上方的運(yùn)動(dòng)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(hào)處理電路，多個(gè)發(fā)射器之間以及多個(gè)接收器之間均等間距分布；視覺子系統(tǒng)包括CCD攝像機(jī)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和DSP圖像處理器；運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)包括DSP運(yùn)動(dòng)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\(yùn)動(dòng)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)。本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，將視覺導(dǎo)航和超聲波導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合提高了導(dǎo)航精度，采用DSP高速處理器提高了實(shí)時(shí)性、可擴(kuò)展性，運(yùn)用模糊控制方法增強(qiáng)了抗干擾能力。
文檔編號(hào)G05D1/02GK202677195SQ20122016364
公開日2013年1月16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)明者楊福增, 陳晨宗, 徐新星, 蒲應(yīng)俊, 孫立江, 夏海生, 蘇磊 申請人:西北農(nóng)林科技大學(xué)