CN102880180A - 一种基于LabVIEW Robotics的视觉化远程机器人 - Google Patents

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宋国荣
刘兴奇
王洋
高忠阳
何存富
吴斌
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Beijing University of Technology
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Abstract

本发明设计一种基于LabVIEW Robotics的视觉化远程机器人，属于视觉化、无线化机器人开发和研究领域，可实现机器人无线化远程运动控制、视觉图像获取和障碍距离监测等功能。该系统主要包括主控的微型计算机、环境监测摄像头、机器人视觉摄像头、超声波测距传感器以及NI LabVIEW Robotics Starter Kit 2.0硬件平台几部分。该发明主要针对机器人的视觉化和无线化进行开发设计，所搭建系统可以用于对特定环境的物理信息的获取和处理，并通过机器人控制对特殊情况作出实时响应。

Description

一种基于LabVIEW Robotics的视觉化远程机器人
技术领域
本发明属于视觉化、无线化机器人开发和研究领域。
背景技术
机器人技术是一种以自动化技术和计算机技术为主体，有机融合多种现代信息技术的集成性应用技术。随着计算机、微电子、自动控制、网络等技术的不断发展，机器人技术也得到了长足进步。目前，国内外针对智能化机器人的应用研究已经发展了近半个世纪，在这段时间内，机器人应用由工业生产领域起步，逐渐发展到农业、医疗、国防和航空航天等诸多领域。这些应用的开发使得机器人逐渐代替人工作业，成为生产生活中不可或缺的重要生产力量，常见应用有工业机械手臂、军事勘察机器人、太空勘测机器人以及娱乐服务型机器人等。
具有环境感知能力是移动机器人实现智能化的基础，在机器人控制中传感器的利用起到了关键性作用。视觉传感器作为一种能为自主移动机器人提供最为丰富的环境信息的传感设备，逐渐成为机器人研究领域的热点，并在实际生活中不断得到应用。
本发明以NI LabVIEW Robotics Starter Kit 2.0硬件平台为基础进行拓展开发，以该硬件平台的实时性、高效性处理能力为依托，实现轮式移动机器人的视觉化和无线化功能，并开发控制软件，利用该机器人实现远程无线化视觉监测，且能够通过功能传感器的架设实现对机器人所处环境物理信息的获取。因此，构建一个以无线化信息交互平台为通讯媒介，实现主机、机器人与摄像头之间的信号交互，成为本项目开发的前提。该功能设计，一方面可实现视觉化远程机器人对陌生环境进行实时图像采集，并利用无线传输方式将机器人的检测信息发送给主机实现环境监控，另一方面机器人可实时处理主机发送的控制指令，并对预警监测数据做出实时响应。
发明内容
本发明开发了一种基于NI LabVIEW Robotics Starter Kit 2.0机器人硬件开发平台的无线视觉化方案，通过无线网络平台的搭建和NI LabVIEW Robotics 2011的软件编程控制，实现机器人的视觉化监测和运动控制。并依靠对多传感器的信号处理，实现对机器人所处环境物理信息的获取和监测。
为了实现上述目的，本发明专利采用了如下方案：基于LabVIEW Robotics的视觉化远程机器人，其特征在于：包括包含有嵌入式控制器5和机器人轮式运动机构6的NI LabVIEW Robotics Starter Kit2.0硬件平台7、无线路由器8、超声波测距传感器4、机器人视觉摄像头3、环境监测摄像头2和安装有NI LabVIEW Robotics 2011软件的微型计算机1；所述包含有嵌入式控制器5和机器人轮式运动机构6的NI LabVIEW Robotics Starter Kit 2.0硬件平台7与超声波测距传感器4和无线路由器8相连，所述无线路由器8以无线方式与机器人视觉摄像头3、安装有NI LabVIEW Robotics 2011软件的微型计算机1相连，所述安装有NI LabVIEW Robotics 2011软件的微型计算机1与环境监测摄像头2相连。
如图1所示，所述基于LabVIEW Robotics的视觉化远程机器人由包含视觉化远程机器人控制软件的微型计算机发出运动控制指令，经无线路由器创建的无线网络，送至包含有嵌入式控制器的NI LabVIEW Robotics Starter Kit 2.0硬件平台，并控制左右运动电机，带动机器人轮式运动机构运动，实现了机器人的运动控制。
所述视觉摄像头通过无线网络将视觉图像信息送至无线路由器，并经其转送至微型计算机中视觉化远程机器人控制软件的相应界面。所述环境监测摄像头将机器人运动环境信号送至视觉化远程机器人控制软件的相应界面。所述超声波测距传感器获取信号，送至嵌入式控制器，并经过无线路由器创建的无线网络将信号送至视觉化远程机器人控制软件的相应界面。
该发明实现了NI LabVIEW Robotics Starter Kit 2.0硬件平台下，轮式运动机器人的无线化远程控制和视觉化监测，同时开发出相应控制程序，使得使用者可以在电脑前同时完成机器人运动情况监测和机器人视角下的视觉化环境监测，并通过机器人移动，实现对其所在环境中物理信息的获取和监测。
附图说明
图1 基于LabVIEW Robotics的视觉化远程机器人组成框图
图2 视觉化远程机器人的使用示例图
具体实施方式
结合图1对本发明做进一步说明：
参照图1：基于LabVIEW Robotics的视觉化远程机器人，主要由主控的微型计算机1、环境监测摄像头2、机器人视觉摄像头3、超声波测距传感器4以及NI LabVIEW Robotics Starter Kit 2.0硬件平台7组成。系统以NI sbRIO-9632嵌入式控制器为机器人部件的核心，利用其运算处理和数字I/O输入输出功能实现机器人机构的运动控制；利用PING）））系列超声波测距传感器发射40M超声波信号，并对超声回波进行接收，经嵌入式控制器运算处理，实现机器人对其与前端障碍距离的检测；利用EasyN-F系列网络摄像头作为机器人视觉信号采集设备，从机器人的角度对环境信号进行采集，并通过无线路由器创建的无线网络发送给微型计算机，实现机器人视觉化信号的无线传输；通过与微型计算机有线化连接的环境摄像头，采集机器人运行环境的视频信号，并送至微型计算机的相应软件界面显示。
参照图1所示：微型计算机是整套视觉化远程机器人的核心控制部分，主要实现机器人部分的运动控制、超声波测距信号采集、分析与处理，实现机器人视觉摄像头和环境监测摄像头的视觉图像的获取、分析与处理等，且与NI LabVIEW Robotics Starter Kit 2.0硬件平台和机器人视觉摄像头的信号通讯全部由无线路由器创建的无线网络实现交互。
NI LabVIEW Robotics Starter Kit 2.0硬件平台以NI sbRIO-9632嵌入式控制器为核心，其处理器速度为400MHz，内存128M。在单一板卡中集成了实时处理器，2M可重复设置现场可编程门阵列（FPGA）、模拟和数字I/O等，并可扩展内置模拟和数字I/O。
参照图1所示：所述机器人视觉摄像头采用EasyN品牌下的F系列网络摄像头，该产品采用MJPEG硬件压缩技术，可以在LAN/WAN上以30帧/每秒传输高质量（VGA或CIF）的实时视频图像，同时内嵌的WEB服务器，支持IE浏览和网页化的远程配置。该设备固定在机器人硬件平台上，可实现垂直方向上90度，以及水平方向上270度的旋转运动，用于实现对周围环境的监测，其信号通过无线局域网形式与微型计算机进行交互。所述超声波距离传感器采用Parallax公司的PING)))系列产品，其测量范围在2厘米（0.8英寸）到3米（3.3公尺）之间，可完成精确的、非接触式距离测量。该设备安装在机器人前端舵机上，通过舵机旋转实现对不同角度的超声测距。
本系统在使用时，操作人员只需将机器人放在相应的运动环境中，打开微型计算机中的视觉化远程机器人控制软件，通过机器人视觉摄像头和环境监测摄像头无线化的实时画面传输，对机器人的运动环境进行监测，同时对机器人进行控制，实现其对多种环境的物理信息的获取和对特殊条件下的实时响应。
下面结合附图2，通过具体实施例对本发明作进一步的说明，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此来限定本发明的保护范围。本实施例的具体工作过程如下：
（1）将基于LabVIEW Robotics的视觉化远程机器人放在如图2所示L形环境中几何空间中，空间由一主长方形和一个小拐角区域组成。在拐角处放置环境监测摄像头2，对环境进行视觉化图像采集，用于监测该固定角度下机器人的运行情况和一定范围内的环境信息。
（2）机器人由1a位置出发，沿1a→1b→1c→1d→1a的路线在环境中循环运动。在该过程中，机器人在1a→1b过程中做匀速直线运动，机器人视觉摄像头正对机器人运动方向，实时采集前方图像信息。
（3）机器人到达1b后，停止运动，且保持原运动方向；机器人视觉摄像头缓慢转向左侧，对机器人左侧的空间环境进行图像采集，该旋转运动在水平方向上的最大转角可达270°。待摄像头转回机器人运动方向后停止转动。
（4）机器人继续沿1b→1c→1d→1a路径做匀速运动，此过程中机器人视觉摄像头保持正对机器人运动方向不动，如此循环往复。
通过该模式下的对机器人的运动控制，可以有效实现对机器人的远程无线化控制，同时通过环境监测摄像头和机器人视觉摄像头的搭配使用，可以有效监测环境信息和机器人运动情况。作为环境监控实例，该方法可以有效改变定点摄像头对环境监测的角度限制和监测范围局限，有效提高环境监测能力。

Claims (1)

1.一种基于LabVIEW Robotics的视觉化远程机器人，其特征在于：包括包含有嵌入式控制器和机器人轮式运动机构的NI LabVIEW Robotics Starter Kit 2.0硬件平台、无线路由器、超声波测距传感器、机器人视觉摄像头、环境监测摄像头和安装有NI LabVIEW Robotics 2011软件的微型计算机；所述包含有嵌入式控制器和机器人轮式运动机构的NI LabVIEW Robotics Starter Kit 2.0硬件平台与超声波测距传感器和无线路由器相连，所述无线路由器以无线方式与机器人视觉摄像头、安装有NI LabVIEW Robotics 2011软件的微型计算机相连，所述安装有NI LabVIEW Robotics 2011软件的微型计算机相连与环境监测摄像头相连。
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