CN102393741A - 视觉引导移动机器人的控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制系统，用于视觉引导移动机器人的转向舵机的控制。该系统包括：接收表征道路信息的图像的图像接收模块；从所接收的表征道路信息的图像中提取路径信息点的路径信息点提取模块；用于判断路径信息点的数目的判断模块，用于进行比例控制的比例控制模块，以及用于进行微分控制的微分控制模块。本发明还涉及相应的控制方法。本发明解决了舵机系统发生振荡的问题，并增加了抗干扰能力。

Description

视觉引导移动机器人的控制系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种视觉引导移动机器人的控制系统，尤其是机器人的转向舵机的控制系统。本发明还涉及一种相应的控制方法。

背景技术

视觉引导移动机器人又叫智能车，也是一种典型的高新技术综合体，具有重要的军用及民用价值。智能车在野外、道路、现代物流业及柔性制造系统中都有广泛的运用，该研究已成为人工智能领域的热点。对于智能车系统来说，其自动控制算法是整个系统的核心，它直接决定了系统的性能。

现有技术中，视觉引导移动机器人的转向舵机控制采用PID控制算法，其本身是一种基于对“过去”、“现在”和“未来”信息进行估计的简单控制算法，其流程图参见图1。

现有的PID控制系统主要由PID控制器和被控对象组成。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称为PID控制器。其控制规律如下：

$u\left(t\right)=K_p[e\left(t\right)+\frac{1}{T_1}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}+\frac{T_D\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]$

其中，P＝Kp，I＝TI，D＝TD，而PID是比例、积分、微分的缩写。

比例调节(P)的作用是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，会使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。

积分调节(I)的作用是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，一旦停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越小，积分作用越强。反之TI大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应慢。

微分调节(D)的作用是微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态特性。在微分时间选择合适的情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。

PID控制规律中，引入积分的目的是为了消除静差，提高控制精度，但积分作用强了，又会产生过大的超调，引起系统振荡，这是某些控制过程绝不允许的。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。

因此，在现有技术中，存在积分引发的超调，使舵机系统发生振荡的问题以及微分引发的抗干扰能力下降的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种视觉引导移动机器人的控制系统以及一种相应的控制方法，尤其是机器人的转向舵机的控制系统和控制方法，以消除上述缺陷。

在本发明中，为了避免积分引发的超调而使舵机系统发生振荡，因此只使用比例、微分控制，而放弃了积分控制。不过这样可能会导致误差率上升，而且沿用了微分控制还会产生抗干扰能力下降的问题。

为了克服上述问题，本发明的一个主要方面提供一种控制系统，用于视觉引导移动机器人的转向舵机的控制，该系统包括：接收表征道路信息的图像的图像接收模块；从所接收的表征道路信息的图像中提取路径信息点的路径信息点提取模块；用于判断路径信息点的数目的判断模块，用于进行比例控制的比例控制模块，以及用于进行微分控制的微分控制模块；其中，如果路径信息点的数目低于阈值，则所述系统保持转向舵机原来的转向和转动程度；如果图像中路径信息点的总数目高于阈值，则对所接收到的图像分若干处分别做比例控制，然后进行加权平均，其中每一处比例控制所需的路径信息点的数目根据图像上的路径信息点的总数目而动态变化地选取；然后进行微分控制。

根据本发明的另一方面，图像接收模块是摄像头，摄像头安装在视觉引导移动机器人上。

根据本发明的另一方面，路径信息点提取模块包括微分边缘检测子模块和阈值比较检测子模块。

根据本发明的另一方面，在比例控制模块中，对所接收到的图像分近、中、远三处分别做比例控制，然后加权平均。

根据本发明的另一方面，在比例控制模块中，每一处比例控制所需的路径信息点的数目随图像上的路径信息点的总数目的增加而增加。

本发明的另一个主要方面提供一种控制方法，用于视觉引导移动机器人的转向舵机的控制，该方法包括：接收表征道路信息的图像；从所接收的表征道路信息的图像中提取路径信息点；如果路径信息点的数目低于阈值，则保持转向舵机原来的转向和转动程度；如果图像中路径信息点的总数目高于阈值，则对所接收到的图像分若干处分别做比例控制，然后进行加权平均，其中每一处比例控制所需的路径信息点的数目根据图像上的路径信息点的总数目而动态变化地选取；进行微分控制。

根据本发明的另一方面，表征道路信息的图像通过摄像头采集。

根据本发明的另一方面，通过微分边缘检测和阈值比较检测从所接收的表征道路信息的图像中提取路径信息点。

根据本发明的另一方面，对所接收到的图像分近、中、远三处分别做比例控制，然后加权平均。

根据本发明的另一方面，每一处比例控制所需的路径信息点的数目随图像上的路径信息点的总数目的增加而增加。

应当认识到，本发明以上各方面中的特征可以在本发明的范围内自由组合，而并不受其顺序的限制——只要组合后的技术方案落在本发明的实质精神内。

附图说明

为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对本发明的附图作简单地介绍，其中：

图1显示了现有技术中PID控制算法的流程图；

图2-5显示了在本发明的一个实施例中如何根据图像上的路径信息点的总数目而动态变化地选取比例控制所需的路径信息点的数目；

图6显示了根据本发明的一个实施例的控制方法的流程图。

具体实施方式

需要明白，以下的描述仅仅是示例性的，而非对本发明的限制性描述。在以下描述中会涉及到具体数字，然而也需要明白的是，这些数字也仅仅是示例性的，本领域技术人员可以参照本发明任意选取适当的数字。

以下结合本发明的优选实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

在本发明的一个实施例中，优选地在视觉引导移动机器人头部安装有摄像头，其可以是CCD摄像头或者是CMOS摄像头。在机器人行驶时，摄像头根据行驶路线采集图像，然后通过微分边缘检测模块和阈值比较检测模块将实际道路情况转化成机器人可识别的路径信息，例如，找出每一行的黑线的左右边界点，把中间点作为路径，然后利用若干行相加，取最黑点作为路径信息点。

在本发明的实施例中，为了避免积分引发的超调而使舵机系统发生振荡，只使用比例、微分控制，而放弃了积分控制。不过放弃了积分控制可能会导致误差率上升，而且其后沿用微分控制还会产生抗干扰能力下降的问题。

为了克服放弃积分控制带来的问题，即，为了降低系统的误差率增强系统的抗干扰能力。本发明的一个实施例进行如下设计：

(1)为了降低误差率，本发明的比例控制不是简简单单只对近处的图像做一次，而是对接收到的图像分优选地近、中、远三处分别做比例控制(P控制)，进行加权平均。这样就能最为准确地描述接收到图像的情况，因为如果只求近处的偏差，那么道路的弯曲程度就无法最为准确地描述，尤其是在近处弯曲度不大，但是到中间弯曲度突然增大的情况下。

(2)为了增强系统的抗干扰能力，本发明在取参照点(即路径信息点)的数目时随着图像上的总参照点点数动态变化的，使得所取参照点信息能够比较准确地描述图像的变化。具体而言：

(a)如果接收到的图像上的总点数R_count小于例如5，则此时可信度不够，不足以判断出舵机的转向和转动程度，因此保留原来的转向和转动程度；

(b)如果接收到的图像上的总点数R_count为例如5～12，则近、中、远各取例如1个点，总共取三个点(如图2所示)；

(c)如果接收到的图像上的总点数R_count为例如13～20，则近、中、远各取例如3个点，并逐个求均值，总共取3*3＝9个点(如图3所示)。；

(d)如果接收到的图像上的总点数R_count为例如21～30，则近、中、远各取例如5个点，并逐个求均值，总共取3*5＝15个点(如图4所示)；

(e)如果接收到的图像上的总点数R_count大于例如30个点，则近、中、远各取例如8个点，并逐个求均值，总共取3*8＝24个点(如图5所示)。

对于(b)、(c)、(d)、(e)四种情况，分近、中、远三处分别做比例控制，进行加权平均。接着，进行微分控制(D控制)。

应该认识到，根据本发明的精神，也可以选取两处或四处。五处甚至更多出进行比例控制，然后再进行加权平均。并且，每一处所需的参照点的个数可以是其他数字，而图像上的总点数的阈值也可以设置成其它数字。

以上根据优选的实施方式对本发明作了详细的描述，不过需要理解的是，本发明的范围并不局限于这些具体的实施方式，而是包括本领域技术人员根据本发明的公开能够做出的任何改动和变更。

Claims (10)

1.一种控制系统，用于视觉引导移动机器人的转向舵机的控制，所述系统包括：

接收表征道路信息的图像的图像接收模块；

从所接收的表征道路信息的图像中提取路径信息点的路径信息点提取模块；

用于判断路径信息点的数目的判断模块；

用于进行比例控制的比例控制模块，以及

用于进行微分控制的微分控制模块；

其中，如果路径信息点的数目低于阈值，则所述系统保持转向舵机原来的转向和转动程度；如果图像中路径信息点的总数目高于阈值，则对所接收到的图像分若干处分别做比例控制，进行加权平均，其中每一处比例控制所需的路径信息点的数目根据图像上的路径信息点的总数目而动态变化地选取；然后进行微分控制。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述图像接收模块是摄像头，所述摄像头安装在所述视觉引导移动机器人上。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述路径信息点提取模块包括微分边缘检测子模块和阈值比较检测子模块。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，在所述比例控制模块中，对所接收到的图像分近、中、远三处分别做比例控制，然后加权平均。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，在所述比例控制模块中，每一处比例控制所需的路径信息点的数目随图像上的路径信息点的总数目的增加而增加。

6.一种控制方法，用于视觉引导移动机器人的转向舵机的控制，该方法包括：

接收表征道路信息的图像；

从所接收的表征道路信息的图像中提取路径信息点；

如果路径信息点的数目低于阈值，则保持转向舵机原来的转向和转动程度；如果图像中路径信息点的总数目高于阈值，则对所接收到的图像分若干处分别做比例控制，进行加权平均，其中每一处比例控制所需的路径信息点的数目根据图像上的路径信息点的总数目而动态变化地选取；

进行微分控制。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述表征道路信息的图像通过摄像头采集，所述摄像头安装在所述视觉引导移动机器人上。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，通过微分边缘检测和阈值比较检测从所接收的表征道路信息的图像中提取所述路径信息点。

9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，对所接收到的图像分近、中、远三处分别做所述比例控制，然后进行所述加权平均。

10.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，每一处所述比例控制所需的路径信息点的数目随图像上的路径信息点的总数目的增加而增加。

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