CN103955150A - 半自主智能捡网球机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半自主智能捡网球机器人及其控制方法，包括信息采集系统、控制系统、移动载体以及捡球机构，所述信息采集系统固定于移动载体上，并与控制系统相连接，所述控制系统与移动载体和捡球机构相连接；所述捡球机构设置于移动载体的前端；所述信息采集系统采用超声波测距模块检测移动载体与前方障碍物的距离，并将产生的高电平脉冲信息反馈至控制系统；所述超声波测距模块包括两个超声波传感器，两个超声波传感器分别固定于移动载体的前部，并与地面保持一定的高度。本发明采用简单的路径规划，移动载体的捡球范围能覆盖整个网球场，不需要复杂的图像处理模块，节省成本。

Description

半自主智能捡网球机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及智能机器人技术领域，具体是一种半自主智能捡网球机器人及其控制方法。

背景技术

近年来随着我国国民经济的不断发展，我们身边有了越来越多的网球场，也有越来越多的人爱上了网球这项运动，网球作为一种时尚的运动已经走入大家的生活当中。但是捡网球的过程会消耗运动员大量的体力与精力，因此设计这样一台智能一体化捡网球移动载体具有非常重要的意义。

目前已有一些能够实现捡球功能的设计，例如专利号为CN200520059678.3等专利文献中提到的一种手推式的捡球机，此类方案需要靠人推着车去捡球，无智能装置。专利号为CN2000910047811.6等专利文献中提到的电动控制的捡球机，此类方案仍然需要靠人操纵完成捡球，无智能装置。专利号为CN200710190398.X等专利文献中提到的自动控制的捡球车，此类方案每次只能捡一个球，效率较低，而且没有避人避障等一些基本的控制，仅限用于实验，智能性较差。专利号为CN200810188136.4等专利文献中提到的基于使用上位机和场地摄像头总体控制下的机器人，此类方案的控制方式仅适用于大规模的网球场，系统控制方式较为复杂，成本较高，且机器人必须依靠外部通讯，更换场地就无法顺利工作，自主性较差。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种半自主智能捡网球机器人及其控制方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种半自主智能捡网球机器人，包括信息采集系统、控制系统、移动载体以及捡球机构，所述信息采集系统固定于移动载体上，并与控制系统相连接，所述控制系统与移动载体和捡球机构相连接；所述捡球机构设置于移动载体的前端；所述信息采集系统采用超声波测距模块检测移动载体与前方障碍物的距离，并将产生的高电平脉冲信息反馈至控制系统；所述超声波测距模块包括两个超声波传感器，两个超声波传感器分别固定于移动载体的前部，并与地面保持一定的高度。

优选地，所述移动载体包括外壳、设置于外壳后部下方的驱动轮、与驱动轮相连接的步进电机、设置于外壳前部下方的牛眼万向轮、设置于外壳左右两侧的左扩张板和右扩张板、以及设置于外壳前端捡球机构下方的斜坡；所述外壳内部的后端设有储球舱，所述储球舱与捡球机构相连通；所述两个超声波传感器分别设置于左扩张板和右扩张板的上部，并与外壳保持垂直。

优选地，所述控制系统包括总体控制模块和电机驱动模块，所述总体控制模块固定在储球舱的横隔板上，用于捕捉超声波传感器反馈的高电平脉冲信息，并进行处理与分析，计算出前方障碍物的距离，以判断是否要发生转向；所述电机驱动模块分别与总体控制模块和移动载体相连接。

优选地，所述总体控制模块采用DSP控制器，所述DSP控制器不断产生脉冲波，并将脉冲波送至电机驱动模块和超声波测距模块，从而驱动步进电机带动驱动轮转动以及触发超声波传感器。

优选地，所述电机驱动模块包括两个步进电机驱动器，其中，每一个步进电机驱动器均设有三部分接口，具体为：电源接口、脉冲波接口以及步进电机接口；所述步进电机驱动器设有多速度档位。

优选地，所述捡球机构包括直流电机、驱动滚筒个单项门，所述单项门设置于滚筒的外部，所述直流电机的电机轴与滚筒的滚筒轴过盈配合，并驱动滚筒滚动。

根据本发明的另一个方面，提供了一种上述半自主智能捡网球机器人的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，半自主智能捡网球机器人从规划路径的起始位置出发，总体控制模块发出三组脉冲波，其中两组脉冲波送到电机驱动模块，用以驱动步进电机，保持移动载体直线前进；行进速度由电机驱动模块的步进电机驱动器上的开关进行档位选择；另外一组脉冲波用以触发超声波传感器；

步骤2，超声波传感器每隔一段时间检测一次距离，当检测到距离小于转向距离时，总体控制模块发出指令使得左或右边步进电机脱机不转，此时，另外一只步进电机保持旋转，实现移动载体的右转或左转；

步骤3，移动载体在移动过程中，捡球机构的直流电机一直工作，带动滚筒顺时针旋转，拨取地面上的网球通过斜坡进入储球舱。

本发明提供的半自主智能捡网球机器人，采用简单的路径规划，无需依靠外部通讯和场地摄像头，且不需要人为操控，通过自身的超声波测距模块即可实现避障转弯。该智能捡网球机器人捡球范围能覆盖整个网球场，且一次能捡多个球，能储存几十个球，具有很高的效率。

本发明通过移动载体不断前进和转弯，同时滚筒不断拨球，将网球收集进储球舱，且能同时收集多个网球，脱离了人的控制，减轻了劳动力，实现了采用移动载体自主捡球。采用特定的简单的路径规划，起始位置位于网球场俯视图左下角，然后保持直线前进，在到达网球场上边沿时右转180度，然后继续保持直线前进，在到达网球场下边沿时左转180度再继续保持直线前进，依次循环，直到走完整个网球场。移动载体的捡球范围能覆盖整个网球场，另一方面不需要复杂的图像处理模块，因此能节省成本。

本发明采用简单的路径规划，不需要很复杂的控制算法，同时也无需与外界通讯的情况下实现单机工作模式，很大程度上减小了成本，具有储球能力高、捡球效率高、且不依靠机器人以外的设备、自主能力强的特点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的半自主智能捡网球机器人的正等轴测图；

图2是本发明的半自主智能捡网球机器人的正等轴测图；

图3是本发明的半自主智能捡网球机器人的正等轴测图；

图4是本发明的半自主智能捡网球机器人的路径规划。

图中：1为外壳，2为步进电机，3为驱动轮，4为牛眼万向轮，5为单向门，6为滚筒，7为电机固定座，8为直流电机，9为斜坡，10为左扩张板，11为右扩张板，12为电机驱动器，13为DSP控制器，14为超声波传感器。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

请同时参阅图1至图4。

根据本实施例的一个方面，提供了一种半自主智能捡网球机器人，包括信息采集系统、控制系统、移动载体以及捡球机构，所述信息采集系统固定于移动载体上，并与控制系统相连接，所述控制系统与移动载体和捡球机构相连接；所述捡球机构设置于移动载体的前端；所述信息采集系统采用超声波测距模块检测移动载体与前方障碍物的距离，并将产生的高电平脉冲信息反馈至控制系统；所述超声波测距模块包括两个超声波传感器，两个超声波传感器分别固定于移动载体的前部，并与地面保持一定的高度。

进一步地，所述移动载体包括外壳、设置于外壳后部下方的驱动轮、与驱动轮相连接的步进电机、设置于外壳前部下方的牛眼万向轮、设置于外壳左右两侧的左扩张板和右扩张板、以及设置于外壳前端捡球机构下方的斜坡；所述外壳内部的后端设有储球舱，所述储球舱与捡球机构相连通；所述两个超声波传感器分别设置于左扩张板和右扩张板的上部，并与外壳保持垂直。

进一步地，所述控制系统包括总体控制模块和电机驱动模块，所述总体控制模块固定在储球舱的横隔板上，用于捕捉超声波传感器反馈的高电平脉冲信息，并进行处理与分析，计算出前方障碍物的距离，以判断是否要发生转向；所述电机驱动模块分别与总体控制模块和移动载体相连接。

进一步地，所述总体控制模块采用DSP控制器，所述DSP控制器不断产生脉冲波，并将脉冲波送至电机驱动模块和超声波测距模块，从而驱动步进电机带动驱动轮转动以及触发超声波传感器。

进一步地，所述电机驱动模块包括两个步进电机驱动器，其中，每一个步进电机驱动器均设有三部分接口，具体为：电源接口、脉冲波接口以及步进电机接口；所述步进电机驱动器设有多速度档位。

进一步地，所述捡球机构包括直流电机、驱动滚筒个单项门，所述单项门设置于滚筒的外部，所述直流电机的电机轴与滚筒的滚筒轴过盈配合，并驱动滚筒滚动。

具体为，

如图1、图2和图3所示，本发明的半自主智能捡网球机器人包括信息采集系统，控制系统，移动载体和捡球机构。

信息采集系统包括两个超声波传感器14，分别固定在外壳1的前部，分别位于左扩张板10和右扩张板11上部，距离地面保持一定的高度，与移动载体外壳1保持垂直。以保证在移动载体前进的过程中不断发出超声波进行测距，并返回产生一段高电平脉冲送给控制系统。

控制系统包括总体控制模块和电机驱动模块。总体控制模块采用DSP控制器13，固定在储球舱上的横隔板，通过捕捉超声波传感器14送来的高电平，进行处理与分析后，计算出前方障碍物的距离，以判断是否要发生转向。另一方面，DSP控制器13会在开机后不断产生脉冲波，送到步进电机驱动模块。步进电机驱动模块由两个步进电机驱动器12组成，每个步进电机驱动器有三部分接口，一部分是电源接口，一部分是总体控制模块产生的脉冲波，另一部分连接到步进电机2。步进电机驱动器12有很多速度档位，可以根据需要进行选取。

移动载体即是智能捡球机器人的本体，包括一体化的外壳1、两个步进电机2及驱动轮3、牛眼万向轮4、左、右扩张板10、11和斜坡9。本机器人采用后轮驱动，用步进电机2作为驱动电机，两个牛眼万向轮4作为前轮，通过后轮的差速即可实现转向。左右扩张板10是便于在移动载体行进的过程中收集前面的网球。斜坡9是便于网球进入移动载体的储球舱。

捡球机构采用直流电机8驱动滚筒6，直流电机轴与滚筒轴采用过盈配合。滚筒6在移动载体前进与转弯的时候都在保持旋转，因此能实现高效捡球，且无捡球死角。

信息采集系统采用超声波测距模块，用来检测移动载体与前方障碍物的距离，以判断是否需要转向；控制系统包括总体控制模块和电机驱动模块；移动载体包括外壳、步进电机、驱动轮、牛眼万向轮、左右扩张板和斜坡；捡球机构包括直流电机及其控制的滚筒。

超声波模块包括两个超声波传感器，固定于移动载体的前部，在移动载体前进的过程中不断发出超声波进行测距，返回产生一段高电平脉冲送给控制系统。

控制系统的总体控制模块采用DSP控制器，通过捕捉信息采集系统送来的高电平，进行处理与分析后，计算出前方障碍物的距离，以判断是否要发生转向。另一方面，控制系统会在开机后不断产生脉冲波，送到步进电机驱动模块。步进电机驱动模块有三部分接口，一部分是电源接口，一部分是总体控制模块产生的脉冲波，另一部分连接到步进电机。电机驱动模块有很多速度档位，可以根据需要进行选取。

移动载体即是智能捡球机器人的本体，包括一体化的外壳、两个步进电机及驱动轮、牛眼万向轮、左右扩张板和斜坡。本机器人采用后轮驱动，用步进电机作为驱动电机，两个牛眼万向轮作为前轮，通过后轮的差速即可实现转向。左右扩张板是便于在移动载体行进的过程中收集前面的网球。斜坡是便于网球进入移动载体的储球舱。

捡球机构采用直流电机驱动滚筒，直流电机轴与滚筒轴采用过盈配合。滚筒在移动载体前进与转弯的时候都在保持旋转，因此能实现高效捡球，且无捡球死角。

根据本实施例的另一个方面，提供了一种上述半自主智能捡网球机器人的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，半自主智能捡网球机器人从规划路径的起始位置出发，总体控制模块发出三组脉冲波，其中两组脉冲波送到电机驱动模块，用以驱动步进电机，保持移动载体直线前进；行进速度由电机驱动模块的步进电机驱动器上的开关进行档位选择；另外一组脉冲波用以触发超声波传感器；

步骤2，超声波传感器每隔一段时间检测一次距离，当检测到距离小于转向距离时，总体控制模块发出指令使得左或右边步进电机脱机不转，此时，另外一只步进电机保持旋转，实现移动载体的右转或左转；

步骤3，移动载体在移动过程中，捡球机构的直流电机一直工作，带动滚筒顺时针旋转，拨取地面上的网球通过斜坡进入储球舱。

图4是本发明半自主捡网球机器人的路径规划示意图。从图可知，本实施例提供的半自主捡网球机器人起始位置位于网球场俯视图左下角，然后保持直线前进，在到达网球场上边沿时右转180度，然后继续保持直线前进，在到达网球场下边沿时左转180度再继续保持直线前进，依次循环，直到走完整个网球场。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种半自主智能捡网球机器人，其特征在于，包括信息采集系统、控制系统、移动载体以及捡球机构，所述信息采集系统固定于移动载体上，并与控制系统相连接，所述控制系统与移动载体和捡球机构相连接；所述捡球机构设置于移动载体的前端；所述信息采集系统采用超声波测距模块检测移动载体与前方障碍物的距离，并将产生的高电平脉冲信息反馈至控制系统；所述超声波测距模块包括两个超声波传感器，两个超声波传感器分别固定于移动载体的前部，并与地面保持一定的高度。

2.根据权利要求1所述的半自主智能捡网球机器人，其特征在于，所述移动载体包括外壳、设置于外壳后部下方的驱动轮、与驱动轮相连接的步进电机、设置于外壳前部下方的牛眼万向轮、设置于外壳左右两侧的左扩张板和右扩张板、以及设置于外壳前端捡球机构下方的斜坡；所述外壳内部的后端设有储球舱，所述储球舱与捡球机构相连通；所述两个超声波传感器分别设置于左扩张板和右扩张板的上部，并与外壳保持垂直。

3.根据权利要求1或2所述的半自主智能捡网球机器人，其特征在于，所述控制系统包括总体控制模块和电机驱动模块，所述总体控制模块固定在储球舱的横隔板上，用于捕捉超声波传感器反馈的高电平脉冲信息，并进行处理与分析，计算出前方障碍物的距离，以判断是否要发生转向；所述电机驱动模块分别与总体控制模块和移动载体相连接。

4.根据权利要求3所述的半自主智能捡网球机器人，其特征在于，所述总体控制模块采用DSP控制器，所述DSP控制器不断产生脉冲波，并将脉冲波送至电机驱动模块和超声波测距模块，从而驱动步进电机带动驱动轮转动以及触发超声波传感器。

5.根据权利要求3所述的半自主智能捡网球机器人，其特征在于，所述电机驱动模块包括两个步进电机驱动器，其中，每一个步进电机驱动器均设有三部分接口，具体为：电源接口、脉冲波接口以及步进电机接口；所述步进电机驱动器设有多速度档位。

6.根据权利要求1所述的半自主智能捡网球机器人，其特征在于，所述捡球机构包括直流电机、滚筒以及单向门，所述单向门设置于滚筒的外部，所述直流电机的电机轴与滚筒的滚筒轴过盈配合，并驱动滚筒滚动。

7.一种权利要求1至6中任一项所述的半自主智能捡网球机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，半自主智能捡网球机器人从规划路径的起始位置出发，总体控制模块发出三组脉冲波，其中两组脉冲波送到电机驱动模块，用以驱动步进电机，保持移动载体直线前进；行进速度由电机驱动模块的步进电机驱动器上的开关进行档位选择；另外一组脉冲波用以触发超声波传感器；

步骤2，超声波传感器每隔一段时间检测一次距离，当检测到距离小于转向距离时，总体控制模块发出指令使得左或右边步进电机脱机不转，此时，另外一只步进电机保持旋转，实现移动载体的右转或左转；

步骤3，移动载体在移动过程中，捡球机构的直流电机一直工作，带动滚筒顺时针旋转，拨取地面上的网球通过斜坡进入储球舱。