CN101239466A - 一种微型迷宫机器人 - Google Patents

Abstract

本发明是一种微型迷宫机器人，能对随机复杂迷宫进行自主搜索最优路径并实时修正机器人在迷宫中的运动，属于人工智能领域。包括有下位机和上位机。上位机包括有DSP和与DSP相连接的CCD摄像头和无线发送模块，CCD摄像头采集迷宫的全局图像并通过视频解码器解码后传送给DSP，DSP对图像进行处理后通过无线发送模块发送给下位机。下位机包括有小车和设置在小车内的控制系统，小车的底部连接有车轮和步进电机，控制系统包括有单片机无线接收模块。无线接收模块接收上位机中的无线发送模块发送的信息，对其进行解析后，通过步进电机驱动电路驱动步进电机带动小车行走。本发明实现了自主迷宫搜索最优路径并能实时修正机器人的行走轨迹。

Description

一种微型迷宫机器人

技术领域

本发明是一种微型移动式迷宫机器人，能对随机复杂迷宫进行自主搜索最优路径并实时修正机器人在迷宫中的运动，属于人工智能领域。

背景技术

迷宫机器人系统的实验可以直观的体现许多控制理论的基本概念如系统的稳定性、可控性和系统抗干扰能力及路径最优规划等等，因此有很多研究机构及大学对其进行研究。

目前多数迷宫机器人都是搭载若干个光电传感器对迷宫地面的白色引导线进行识别来行走迷宫，如上海交通大学钱真彦等人设计的走迷宫机器人(参见《网络科技时代》2004年03期)，搭载了8个反射式光电传感器对迷宫地面白线进行检测来实现前进转弯等动作，按照左手法则或右手法则(即机器人沿着迷宫壁始终向左或向右转)来进行迷宫搜索。在完成既定功能的前提下，由于搭载传感器过多，增加了制造成本，同时也使传感器误动作导致系统不稳定的概率增加，而且这类机器人缺乏智能性和自主性，对于最优路径的选择缺乏认知能力，每次都要在迷宫中行走完全程才能搜索出路径，对于在可重构的迷宫中行走问题无法解决，因此在实际应用中有很大的局限性。

正是由于其存在的很多问题都不易解决，如机器人的微型化问题，最优路径的规划及对迷宫机器人的实时路径修正问题，因此这些都成为研究的重点和难点，人们在不断的寻求他们之间的制约关系，以期找到一种多方面的平衡使其能应用在更广阔的领域。

发明内容

本发明提供了一种微型迷宫机器人系统，本机器人系统在迷宫中行走时，既不需要使用白线进行引导，也不需要让机器人在迷宫中行走一遍后才能搜索出路径，因此本发明有很大的自主性和智能性。同时还具有体积小的优点，可以在棋盘般大小的复杂迷宫中进行工作，

本发明的总体思路：采用DSP开发板作为上位机，使用全局摄像头CCD对迷宫图像进行采集，将采集到的图像信号送到DSP开发板中进行图像识别及路径规划(采用A*算法)后，产生一组控制指令，通过DSP开发板端的无线发送模块与微型移动式机器人进行通信，当机器人车体电控部分接收到DSP开发板无线发送模块发送来的控制信息时，机器人的微控制器对信息进行解析，解析出来的是步进电机组态运动，微控制器通过I/O口控制步进电机驱动模块进而控制小车顺利走出迷宫。

具体技术方案如下：

一种微型迷宫机器人，包括有上位机和用于在迷宫16中行走的下位机15。其中，上位机包括有DSP开发板18和与DSP开发板18相连接的CCD摄像头17、无线发送模块20。CCD摄像头17采集整个迷宫16的全局图像并通过视频解码器解码后传送给DSP，DSP对图像进行处理后通过无线发送模块发送给下位机15。所述的下位机15包括有小车和设置在小车内的控制系统，小车的底部连接有车轮11和步进电机10，控制系统包括有单片机和与单片机相连接的无线接收模块5、步进电机驱动电路3，无线接收模块5接收上位机中的无线发送模块20发送的信息，对其进行解析后，通过步进电机驱动电路3驱动步进电机10带动小车行走。所述的迷宫16的墙、迷宫的路、迷宫的出口及小车的车头、车尾用不同的颜色标记。

所述的上位机还包括有与DSP相连接的触摸屏，DSP将CCD摄像头17采集的图像送至触摸屏显示。

本发明中的微型迷宫机器人的控制方法是按以下步骤实现的：

1)CCD摄像头17采集迷宫16的全部图像信息，并将采集到的图像信息通过视频解码器解码后传送给DSP的CoreA，此时的图像格式为720x576YUV422，CoreA从两个场信号中取其中一场，也就是720x288YUV422的图像信息，将其转换为320x240YUV444的图像后传送给CoreB，同时也将320x240YUV444的图像转换为320x240的RGB图像送至触摸屏显示；

2)CoreB对CoreA预处理后的图片进行阀值分割，从图像的颜色信息中找出小车所在的位置、迷宫状态及迷宫出口位置，在阀值分割的基础上抽象出6x8的标准迷宫；

3)CoreB通过人工智能领域中的A*算法寻找到小车行走的最优路径，并将迷宫最优路径的各拐点坐标标定为一系列的目标点；

4)通过小车的车头车尾和迷宫的不同颜色信息确定小车在迷宫16中的位置，并生成一套控制指令，该控制指令通过无线发送模块20发送给下位机15中的控制系统；

5)下位机15中的单片机对控制信号进行解析后控制步进电机10，进而控制小车在迷宫内作相应运动；

如果小车已经到达迷宫出口即终点处将不再发送指令，否则，重复步骤1～步骤5，直到小车走出迷宫。

本发明中的机器人在迷宫中行走时不需要使用白线进行引导，能够在可重构迷宫中寻找出最优路径并能实时进行路径修正。由于本发明采用的电路结构，使得机器人体积较小，可以在棋盘般大小的复杂迷宫中进行行走。

附图说明

图1是本实用新型的机电结构设计示意图

图2是本实用新型的车体部分前视图

图3是本实用新型的车体部分左视图

图4是本实用新型的整体系统效果图

图5是本实用新型的供电设计框图

图6是本实用新型的系统硬件总体框图

图7是本实用新型的车体控制部分原理图

图8是本实用新型的电机驱动原理图

图9是本实用新型的系统总流程图

图10是本实用新型的DSP图像识别及路径搜索子流程图

图11是本实用新型的车体控制算法子流程图

图中：1、底座，2、滑轮座，3、步进电机驱动模块，4、下位机微控制器电路板，5、无线接收模块，6、DC-DC模块，7、串口电平转换芯片，8、锂电池，9、机身，10、减速步进电机，11、双轮，12、橡胶轮外胎，13、轴套，14、轴承，15、下位机，16、迷宫，17、CCD摄像头，18、DSP，20、无线发送模块。

具体实施方式

下面结合附图1～图8进一步说明本发明的具体实施例。

如图4所示，本实施例主要包括有上位机18和下位机15两部分，上位机包括有DSP开发板18、CCD摄像头17、触摸屏和无线发送模块20。下位机15包括有车体部分和控制部分，下面分别对其进行说明。

下位机包括有小车和设置在小车内的控制系统。小车的结构如图1～图3所示，包括有底座1、机身9和双轮11。

如图1所示，底座1为内空的盒式结构，左右两边各开一个孔，通过轴承14和轴套13将轮子11和步进电机10固定。步进电机10为空调专用减速步进电机，与电机驱动芯片3相连。双轮11规格相同，为金属轮毂，橡胶轮外胎12可增加车轮摩擦力，有利于增强其在光滑路面的扒地能力。

机身9为内空的盒式结构，其控制部分都内置在盒体内。机身使用强度较高的PVC材料制作，减轻车身质量同时可以更好的绝缘。

下位机中的控制部分包括有单片机和与单片机相连接的无线接收模块5、步进电机驱动电路。本实施例中的单片机采用的是ATMEL公司的ATmaga8L芯片，该系列芯片采用精简指令集，具有高速，低成本，低功耗等优点而被广泛应用。单片机与电机驱动电路的连接关系详见图7、图8(左右驱动相同只给出一个)，PortC端口连接到步进电机驱动模块：PC3-2控制左电机正反转及转速，PC3为低电平反转，高电平正转，PC2脉冲脚控制脉冲数来控制左电机转动角度；PC1-0控制右电机正反转及转速，同上PC1低电平反转，PC1高电平时正转，PC0脉冲脚控制脉冲数来控制右电机转动角度。机器人的行走是通过这两个主动轮和两个滑轮座导向来实现的，通过主动轮的转速差来实现机器人的转弯。控制直线精度可以达到1.8mm(即每个脉冲机器人前进1.8mm)，转角精度达到1.8度(即每个脉冲机器人可原地转动1.8度)。车体控制部分子流程图见图11，当机器人上电时首先进行自检及初始化动作，然后判断中断是否到来，如果是将解析上位机发来的控制信息并产生控制指令控制步进电机相应动作。

迷宫机器人的供电采用的高容量3.7V锂电池，首先用两个DC-DC变电模块将电压从3.7V转换到12V，从而分别为两个步进电机供电，另外再将一路12V电经三端稳压芯片转换为标准5V为单片机及无线模块供电。

上位机包括有DSP开发板和与DSP相连接的CCD摄像头17和无线发送模块20。

上位机DSP控制系统控制机器人走迷宫16是通过全局摄像头CCD来采集迷宫的黑白颜色信息并实时检测机器人的头尾不同色标(蓝红圆形色标信息)来标识的，黑色块为迷宫的墙，白色块为迷宫的路，蓝色标为车头，红色标为车尾，绿色标为迷宫出口，可以参见图4。其工作流程可以参见图10，程序开始时CCD摄像头17首先捕获到D1格式的图像信息，经ADV7181VideoDecoder将图像信息送到BF561-DSP开发板的CoreA，此时的图像格式为720x576YUV422格式，CoreA从两个场信号取其中一场，也就是720x288YUV422的图像信息，将其转换为320x240YUV444的图像以供CoreB进行进一步的识别及运算，并且将320x240YUV444的图像转换为320x240的RGB图像，以供在触摸屏上显示。

开发板的CoreA负责人机交互和对CCD摄像头采集的图像进行预处理以供CoreB进行识别和运算，CoreA上运行μcosII操作系统，编写了外设驱动和GUI及应用程序，通过一块触摸屏来实现人机交互。CoreB负责将CoreA预处理好的图像信息进行识别，主要是对预处理后的图片进行阀值分割，从图像的颜色信息中找出小车位置(通过概率滤波法对蓝色圆形色标求取均值标记为车头坐标点，对红色圆形标求取均值并标记为车尾坐标点)、迷宫状态及迷宫出口位置，在阀值分割的基础上抽象出6x8(也就是将320x240YUV444的图像进行阀值分割后处理成6x8个40x40的大小的图像块，并将阀值分割后的黑色定为迷宫的墙，白色定为迷宫的路)的标准迷宫，此时就完成了迷宫地图的转化和搜索车头车尾及目标点等工作；这时已经得到了迷宫中的全部路径信息，此时CoreB通过人工智能领域中的A*算法(目标点为主要参数)寻找到最优路径，并将迷宫最优路径上的各拐点(P1-P6点及入口点、出口点)坐标标定为一系列的目标点。

在实时控制算法上，给迷宫建立广域坐标系，给车体建立局域坐标系，首先计算出车体局域坐标系(车头车尾连线作为纵坐标，蓝圆形色标为车头，红圆形色标为车尾)与迷宫广域坐标系的差角，再计算出车体中心与相邻目标点连线在迷宫广域坐标系中的角度η，并求出与η的差角θ，和车体中心与相邻目标点的连线长度，从而生成一套控制指令，该控制指令通过无线发送模块发送给下位机中的单片机，单片机对控制信号进行解析后控制步进电机，进而控制机身运动，保证机器人在迷宫的正确行走，不与迷宫的墙相撞并能够根据路径的变化调整前进的方向。如果机器人已经到达迷宫出口即终点处将不再执行指令，否则，重复以上流程，直到机器人正确走出迷宫。

BF561双核工作过程及上位机与下位机的通讯流程可以参见图6，整体系统流程参见图9。

本发明采用的电路结构和机械结构，使得机器人体积小巧，而且也满足了走棋盘般大小迷宫的精度要求，并在软件编程的支持下采用人工智能领域中的先进算法对迷宫路径进行实时识别和修正。

本实用新型的特点在于迷宫机器人的微小型，并且为迷宫机器人设计了新型结构，将机械部分和控制部分分成上下两层，不仅减小了体积而且提高了整体精度和稳定性，同时，控制系统也体现了迷宫机器人在软件方面的鲁棒性和抗干扰能力，解决了可重构迷宫的路径规划和实时路径修正问题，它能够作为新型研究对象应用于机器人学和控制理论学科的研究和实验，并且可以广泛应用于智能交通，超小型多用途机器人的研究。

本实施例中提供的一种尺寸微小的基于DSP控制的迷宫机器人，可以自主的走出特定的迷宫区域，可以代替作战人员执行特种作战任务或是人为作业困难的地方执行任务，其核心技术也可广泛应用于智能交通领域，各车辆可在视觉系统的指挥下完成自动驾驶，视觉系统的整体路径规划将大大改善交通拥堵状况，并减少交通事故的发生；应用于军事领域，利用GPS定位其可自动完成军事目标识别定位、搜索，并可远程自主控制机器人干扰敌军等；应用于城市搜救领域，其可在复杂地形中寻出最佳救援路线并迅速到达事故现场，对重伤患人员进行初步应急处理，从而最大限度地帮助搜救队员进行救援工作；由于其应用前景广阔，对于我国的科学研究也会有一定的积极意义，如超小型多用途机器人的研究。

Claims (2)

1、一种微型迷宫机器人，包括有在迷宫中行走的下位机(15)；其特征在于：还包括有上位机；其中，上位机包括有DSP(18)和与DSP(18)相连接的CCD摄像头(17)和无线发送模块(20)，CCD摄像头(17)采集迷宫(16)的全局图像并通过视频解码器解码后传送给DSP，DSP对图像进行处理后通过无线发送模块发送给下位机(15)；所述的下位机(15)包括有小车和设置在小车内的控制系统，小车的底部连接有车轮(11)和与车轮(11)相连接的步进电机(10)，控制系统包括有单片机和与单片机相连接的无线接收模块(5)、步进电机驱动电路(3)，无线接收模块(5)接收上位机中的无线发送模块(20)发送的信息，对其进行解析后，通过步进电机驱动电路(3)驱动步进电机(10)带动小车行走；所述的迷宫(16)的墙、迷宫的路、迷宫的出口及小车的车头、车尾用不同的颜色标记。

2、根据权利要求1所述的一种微型迷宫机器人，其特征在于：所述的上位机还包括有与DSP相连接的触摸屏，DSP将CCD摄像头(17)采集的图像送至触摸屏显示。

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