CN104991560A - 自主移动式智能机器人 - Google Patents

Abstract

一种自主移动式智能机器人，设置有移动主体、通过电机驱动的转轮、电源管理模块、一组以上的超声波测距模块、电机控制模块和主控模块；所述转轮装配于所述移动主体，所述电源管理模块、超声波测距模块、电机控制模块和所述主控模块设置于所述移动主体，所述电源管理模块分别与所述超声波测距模块、主控模块电连接，所述超声波测距模块与所述主控模块连接，所述主控模块与所述电机控制模块连接，所述电机控制模块与所述电机连接；还设置有红外追踪模块，所述红外追踪模块与所述主控模块电连接。该自主移动式智能机器人具有成本低廉、数据处理简单、反应迅速的特点。

Description

自主移动式智能机器人

技术领域

本发明涉及智能机器人技术领域，特别是涉及一种自主移动式智能机器人。

背景技术

移动目标跟踪技术是智能机器人领域的重要问题之一，它广泛应用于智能交通、人体行为识别、智能监控系统等领域，不仅实现了人们的智能生活，也解决了在某些恶劣环境下人体无法作业的问题。虽然相关研究已经数十年的历史，但这个问题目前仍然是计算机视觉、模式识别、特别是机器人领域的一个研究热点。近几年来，随着运动人体跟踪技术在服务型机器人、反恐机器人等领域的广泛应用的发展，移动目标跟踪技术逐渐成为计算机视觉领域中最为前沿的研究方向之一。近年来，许多学者通过提取多种目标描述特征或融合多传感器信息的方法提高复杂环境下机器人目标跟踪的精度。多采用立体视觉系统，通过恢复场景三维信息为系统提供目标的有效位置，同时受光照等环境因素影响小，因此广泛应用于一些复杂的跟踪算法中，目前在跟踪移动目标的算法中，多数是借助于CCD图像传感器进行的。

CCD图像传感器特有的工艺，具有低照度效果好、信噪比高、通透感强、色彩还原能力佳等优点，在交通、医疗等高端领域中广泛应用。移动机器人目标识别与跟踪智能系统，目前多数借助于CCD图像传感器来完成目标的识别、定位、跟踪的功能，CCD图像传感器虽然功能强大，但是成本也较高，同时图像采集、识别和处理的算法也相对比较复杂。

因此，针对现有技术不足，提供一种成本低廉、数据处理简单、反应迅速的自主移动式智能机器人以克服现有技术不足甚为必要。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种自主移动式智能机器人，该自主移动式智能机器人具有成本低廉、数据处理简单、反应迅速的特点。

本发明的上述目的通过以下技术措施实现：

一种自主移动式智能机器人，设置有移动主体、通过电机驱动的转轮、电源管理模块、一组以上的超声波测距模块、电机控制模块和主控模块；

所述转轮装配于所述移动主体，所述电源管理模块、超声波测距模块、电机控制模块和所述主控模块设置于所述移动主体，所述电源管理模块分别与所述超声波测距模块、主控模块电连接，所述超声波测距模块与所述主控模块连接，所述主控模块与所述电机控制模块连接，所述电机控制模块与所述电机连接；

所述超声波测距模块探测移动主体距离障碍物的距离，并将所探测的信息输送至主控模块，主控模块输出控制信号至所述电机控制模块，通过电机控制模块控制电机的运动，从而控制转轮的速度和方向，实现对移动主体运动路径的控制。

上述超声波测距模块设置于所述移动主体的正前方位置。

上述自主移动式智能机器人还设置有红外追踪模块，所述红外追踪模块与所述主控模块电连接。

优选的，上述主控模块设置有型号为TX2440A的芯片U1，芯片U1具有GPIO接口P2、CAMERA接口P1和BUS接口P7；

所述超声波测距模块设置为型号HC-SR04的超声波测距模块；

所述电机控制模块设置为型号L298N的芯片U2；

所述红外追踪模块设置为多个型号V51838B的红外传感器H；

超声波测距模块的引脚TRIG与GPIO接口P2的引脚3、引脚5、引脚7或引脚9对应连接，超声波测距模块的引脚ECHO与GPIO接口P2的引脚4、引脚6、引脚8或引脚10对应连接；

GPIO接口P2的引脚27与芯片U2的引脚6连接，PIO接口P2的引脚28与芯片U2的引脚11连接；

BUS接口P7的引脚2与芯片U2的引脚5连接，BUS接口P7的引脚1与芯片U2的引脚7连接，BUS接口P7的引脚4与芯片U2的引脚10连接，BUS接口P7的引脚3与芯片U2的引脚12连接，芯片U2的引脚1、芯片U2的引脚15和芯片U2的引脚8均接地，芯片U2的引脚2接电机M1的正极，芯片U2的引脚3接电机M1的负极，芯片U2的引脚13接电机M2的正极、芯片U2的引脚14接电机M2的负极；

红外传感器H的信号引脚输入端与CAMERA接口P1的引脚11、CAMERA接口P1的引脚12、CAMERA接口P1的引脚13、CAMERA接口P1的引脚18或者CAMERA接口P1的引脚19对应连接。

优选的，自主移动式智能机器人在移动过程中，进行障碍物识别，具体通过如下方法进行：

首先，在一个周期内，通过超声波测距模块进行N次距离测量，3≤N≤6，且N为自然数，超声波测距模块将所测得的结果输入至所述主控模块；

主控模块判断所测得的N次距离值之间的变化误差，如果距离变化误差在Scm内，S为数值，S≤10cm，则判定为静态障碍物，进入避障操作；如果所测得的距离之间的变化误差大于Scm,则判定为动态障碍物，进入目标跟踪操作。

所述避障操作具体是：

当检测到距离障碍物之间的距离小于安全距离时，主控模块输出控制信号至所述电机控制模块，电机进行停止动作使移动主体静止；

然后主控模块输出控制信号至所述电机控制模块，所述电机控制模块控制电机进行相应转动，使移动主体先后退一段距离然后右拐或者左拐，再继续前进；

在继续前进的过程中，重新判断前进方向前面是否存在障碍物，并判定障碍物类型、采取避障操作或者目标跟踪操作。

所述目标跟踪操作具体是：

红外传感器H跟踪移动障碍物，主控模块控制电机控制模块，电机控制模块控制电机的运动，使得移动主体在保持安全距离的范围内，移动主体随着移动障碍物的运动进行行进。

优选的，上述超声波测距模块设置为三个或者四个。

优选的，上述红外追踪模块设置有五个型号V51838B的红外传感器H。

本发明的一种自主移动式智能机器人，设置有移动主体、通过电机驱动的转轮、电源管理模块、一组以上的超声波测距模块、电机控制模块和主控模块；所述转轮装配于所述移动主体，所述电源管理模块、超声波测距模块、电机控制模块和所述主控模块设置于所述移动主体，所述电源管理模块分别与所述超声波测距模块、主控模块电连接，所述超声波测距模块与所述主控模块连接，所述主控模块与所述电机控制模块连接，所述电机控制模块与所述电机连接；所述超声波测距模块探测移动主体距离障碍物的距离，并将所探测的信息输送至主控模块，主控模块输出控制信号至所述电机控制模块，通过电机控制模块控制电机的运动，从而控制转轮的速度和方向，实现对移动主体运动路径的控制。该自主移动式智能机器人采用超声波测距模块进行障碍物距离测定，通过主控模块输出控制信号至电机控制模块，通过电机控制模块控制电机的运转从而实现对转轮运动状态的控制，具有成本低廉、数据处理简单、反应迅速的特点。

附图说明

结合附图对本发明作进一步的描述，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明一种自主移动式智能机器人的结构示意图。

图2是本发明自主移动式智能机器人主控模块芯片U1的GPIO接口P2的结构示意图。

图3是本发明自主移动式智能机器人主控模块芯片U1的BUS接口P7的结构示意图。

图4是本发明自主移动式智能机器人主控模块芯片U1的CAMERA接口P1的结构示意图。

图5是本发明自主移动式智能机器人的GPIO接口P2与三组超声波测距模块的连接示意图。

图6是本发明自主移动式智能机器人的电机控制模块的电路图。

图7是本发明自主移动式智能机器人的CAMERA接口P1与五个红外追踪模块的连接示意图。

在图1至图7中，包括： 

主控模块100、超声波测距模块200、电机控制模块300、

电机400、转轮500、红外追踪模块600、电源管理模块700。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

实施例1。

一种自主移动式智能机器人，如图1所示，设置有移动主体、通过电机400驱动的转轮500、电源管理模块700、一组以上的超声波测距模块200、电机控制模块300和主控模块100。

转轮500装配于移动主体，电源管理模块700、超声波测距模块200、电机控制模块300和主控模块100设置于移动主体，电源管理模块700分别与超声波测距模块200、主控模块100电连接，超声波测距模块200与主控模块100连接，主控模块100与电机控制模块300连接，电机控制模块300与电机400连接。

超声波测距模块200探测移动主体距离障碍物的距离，并将所探测的信息输送至主控模块100，主控模块100输出控制信号至电机控制模块300，通过电机控制模块300控制电机400的运动，从而控制转轮500的速度和方向，实现对移动主体运动路径的控制。

具体的，超声波测距模块200设置于移动主体的正前方位置，以提高超声波测距装置对前方障碍物的识别。为了提高精度，可以设置多组超声波测距模块200，优选设置为三个或者四个，以在多个位置同时接收信号，实现移动主体能够更快、更稳、更安全地避开任意方向的障碍物。该自主移动式智能机器人还设置有红外追踪模块600，红外追踪模块600与主控模块100电连接。通过红外追踪模块600，可以对前方的目标移动物进行跟踪。

具体的，主控模块100设置有型号为TX2440A的芯片U1，芯片U1具有GPIO接口P2、CAMERA接口P1和BUS接口P7，如图2、图3、图4所示。

超声波测距模块200设置为型号HC-SR04的超声波测距模块200，电机控制模块300设置为型号L298N的芯片U2，红外追踪模块600设置为多个型号V51838B的红外传感器H。

超声波测距模块200的引脚TRIG与GPIO接口P2的引脚3、引脚5、引脚7或引脚9对应连接，超声波测距模块200的引脚ECHO与GPIO接口P2的引脚4、引脚6、引脚8或引脚10对应连接。GPIO接口P2的引脚3、引脚5、引脚7或引脚9与对应的超声波测距模块200的触发信号输入引脚TRIG连接，以触发对应的超声波测距模块200进行前方障碍物距离检测，超声波测距模块200的回应信号引脚ECHO输入至 GPIO接口P2的引脚4、引脚6、引脚8或引脚10，主控模块100根据超声波测距模块200检测的信号进行障碍物距离检测，输出进行避障或者进行跟踪等控制信号。图5是GPIO接口P2与三组超声波测距模块200的连接示意图，需要说明的是，超声波测距模块的数量不局限于本实施例的三个，也可以设置为四个或者其它数量。

如图6所示，主控模块100通过电机控制模块300对电机400的运动状态进行控制的。GPIO接口P2的引脚27与芯片U2的引脚6连接，PIO接口P2的引脚28与芯片U2的引脚11连接。GPIO接口P2的引脚27、引脚28是PWM生成引脚，对芯片U2提供可控制的PWM信号实现对机器人移动速度的控制。

如图7所示，BUS接口P7的引脚2与芯片U2的引脚5连接，BUS接口P7的引脚1与芯片U2的引脚7连接，BUS接口P7的引脚4与芯片U2的引脚10连接，BUS接口P7的引脚3与芯片U2的引脚12连接，芯片U2的引脚1、芯片U2的引脚15和芯片U2的引脚8均接地，芯片U2的引脚2接电机400M1的正极，芯片U2的引脚3接电机400M1的负极，芯片U2的引脚13接电机400M2的正极、芯片U2的引脚14接电机400M2的负极。BUS接口P7的引脚1、2、3、4分别提供芯片U2的端口输入信号。

主控模块100通过GPIO接口P2的引脚27、28及BUS接口P7的引脚1、2、3、4，将主控模块100的控制信号通过芯片L298N对电机400M1、M2的转速、方向进行控制，从而实现对移动主体的转轮500的运动状态进行控制，使智能机器人能够自由地进行前进、后退、左转、右转运动，在主控模块100的控制下进行障碍物避障或者进行移动目标的跟踪。

本实施例中，红外追踪模块600设置有五个型号V51838B的红外传感器H。该智能机器人没有使用CCD图像传感器，采用主控模块100的CAMERA接口P1的引脚11、12、3、14、18、19作为五个红外传感器的信号引脚输入，不使能上拉。具体的，红外传感器H的信号引脚输入端与CAMERA接口P1的引脚11、CAMERA接口P1的引脚12、CAMERA接口P1的引脚13、CAMERA接口P1的引脚18或者CAMERA接口P1的引脚19对应连接。

需要说明的是，对移动目前进行跟踪识别时，移动目标内会预先装配有红外发射管，移动目标所携带的红外发射管与该自主移动式智能机器人所设置的红外传感器相匹配，而且能够进行信号通信，二者形成红外发射、接收管。

    自主移动式智能机器人在移动过程中，进行障碍物识别，具体通过如下方法进行：

首先，在一个周期内，通过超声波测距模块200进行N次距离测量，3≤N≤6，且N为自然数，超声波测距模块200将所测得的结果输入至主控模块100；

主控模块100判断所测得的N次距离值之间的变化误差，如果距离变化误差在Scm内，S为数值，S≤10cm，则判定为静态障碍物，进入避障操作；如果所测得的距离之间的变化误差大于Scm,则判定为动态障碍物，进入目标跟踪操作。

避障操作具体是：

当检测到距离障碍物之间的距离小于安全距离时，主控模块100输出控制信号至所述电机控制模块300，电机400进行停止动作使移动主体静止；

然后主控模块100输出控制信号至所述电机控制模块300，所述电机控制模块300控制电机400进行相应转动，使移动主体先后退一段距离然后右拐或者左拐，再继续前进；

在继续前进的过程中，重新判断前进方向前面是否存在障碍物，并判定障碍物类型、采取避障操作或者目标跟踪操作。

避障操作设置安全距离，当障碍物与智能机器人之间的距离小于安全距离时，移动机器人就开始避障动作，这样做的目的，是保证移动机器人可以有充足的时间和空间执行避障动作。

在小于安全距离时，主控模块100控制智能机器人先停止、再后退，然后进行左转或者有转 ，然后前进并在前进中继续检测障碍物。

本发明的避障方式，机器人的移动轨迹圆滑，智能机器人的移动更加平稳。

目标跟踪操作具体是：

红外传感器H跟踪移动障碍物，主控模块100控制电机控制模块300，电机控制模块300控制电机400的运动，使得移动主体在保持安全距离的范围内，移动主体随着移动障碍物的运动进行行进。

该移动机器人可以在位置环境下执行移动操作，整个执行任务的过程中，全程不需要人的干预，智能移动机器人完全凭借自己所安装的各种类型的传智能传感器，实时采集、感知周边环境，正确的识别出来障碍物的种类（静态或动态），对于静态障碍物，则执行自主避障策略；若识别出来的是动态障碍物，则执行跟踪策略。本发明的智能移动机器人，虽然没有使用CCD图像传感器，而是采用超声波及红外传感器，但是同样可以达到比较理想的效果，可以实现基于某个特征的移动目标的跟踪，或基于非特定移动目标的跟踪问题。

该自主移动式智能机器人，没有采用现有技术中昂贵的CCD图像传感器，而是采用超声波测距模块200和红外传感器H结合的技术进行障碍物识别、障碍物避障及移动对象跟踪，具有结构简单，成本低廉的特点。

由于不需要对图像进行还原处理等操作，因此数据处理相对简单，处理速度快，反应迅速。

后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.一种自主移动式智能机器人，其特征在于：设置有移动主体、通过电机驱动的转轮、电源管理模块、一组以上的超声波测距模块、电机控制模块和主控模块；

所述转轮装配于所述移动主体，所述电源管理模块、超声波测距模块、电机控制模块和所述主控模块设置于所述移动主体，所述电源管理模块分别与所述超声波测距模块、主控模块电连接，所述超声波测距模块与所述主控模块连接，所述主控模块与所述电机控制模块连接，所述电机控制模块与所述电机连接；

所述超声波测距模块探测移动主体距离障碍物的距离，并将所探测的信息输送至主控模块，主控模块输出控制信号至所述电机控制模块，通过电机控制模块控制电机的运动，从而控制转轮的速度和方向，实现对移动主体运动路径的控制。

2.根据权利要求1所述的自主移动式智能机器人，其特征在于：所述超声波测距模块设置于所述移动主体的正前方位置。

3.根据权利要求2所述的自主移动式智能机器人，其特征在于：还设置有红外追踪模块，所述红外追踪模块与所述主控模块电连接。

4.根据权利要求3所述的自主移动式智能机器人，其特征在于：

所述主控模块设置有型号为TX2440A的芯片U1，芯片U1具有GPIO接口P2、CAMERA接口P1和BUS接口P7；

所述超声波测距模块设置为型号HC-SR04的超声波测距模块；

所述电机控制模块设置为型号L298N的芯片U2；

所述红外追踪模块设置为多个型号V51838B的红外传感器H；

超声波测距模块的引脚TRIG与GPIO接口P2的引脚3、引脚5、引脚7或引脚9对应连接，超声波测距模块的引脚ECHO与GPIO接口P2的引脚4、引脚6、引脚8或引脚10对应连接；

GPIO接口P2的引脚27与芯片U2的引脚6连接，PIO接口P2的引脚28与芯片U2的引脚11连接；

BUS接口P7的引脚2与芯片U2的引脚5连接，BUS接口P7的引脚1与芯片U2的引脚7连接，BUS接口P7的引脚4与芯片U2的引脚10连接，BUS接口P7的引脚3与芯片U2的引脚12连接，芯片U2的引脚1、芯片U2的引脚15和芯片U2的引脚8均接地，芯片U2的引脚2接电机M1的正极，芯片U2的引脚3接电机M1的负极，芯片U2的引脚13接电机M2的正极、芯片U2的引脚14接电机M2的负极；

红外传感器H的信号引脚输入端与CAMERA接口P1的引脚11、CAMERA接口P1的引脚12、CAMERA接口P1的引脚13、CAMERA接口P1的引脚18或者CAMERA接口P1的引脚19对应连接。

5.根据权利要求4所述的自主移动式智能机器人，其特征在于：自主移动式智能机器人在移动过程中，进行障碍物识别，具体通过如下方法进行：

首先，在一个周期内，通过超声波测距模块进行N次距离测量，3≤N≤6，且N为自然数，超声波测距模块将所测得的结果输入至所述主控模块；

主控模块判断所测得的N次距离值之间的变化误差，如果距离变化误差在Scm内，S为数值，S≤10cm，则判定为静态障碍物，进入避障操作；如果所测得的距离之间的变化误差大于Scm,则判定为动态障碍物，进入目标跟踪操作。

6.根据权利要求5所述的自主移动式智能机器人，其特征在于：

所述避障操作具体是：

当检测到距离障碍物之间的距离小于安全距离时，主控模块输出控制信号至所述电机控制模块，电机进行停止动作使移动主体静止；

然后主控模块输出控制信号至所述电机控制模块，所述电机控制模块控制电机进行相应转动，使移动主体先后退一段距离然后右拐或者左拐，再继续前进；

在继续前进的过程中，重新判断前进方向前面是否存在障碍物，并判定障碍物类型、采取避障操作或者目标跟踪操作。

7.根据权利要求5所述的自主移动式智能机器人，其特征在于：

所述目标跟踪操作具体是：

红外传感器H跟踪移动障碍物，主控模块控制电机控制模块，电机控制模块控制电机的运动，使得移动主体在保持安全距离的范围内，移动主体随着移动障碍物的运动进行行进。

8.根据权利要求6或7所述的自主移动式智能机器人，其特征在于：所述超声波测距模块设置为三个或者四个。

9.根据权利要求6或7所述的自主移动式智能机器人，其特征在于：所述红外追踪模块设置有五个型号V51838B的红外传感器H。