CN105214323A - 基于视觉检测的运动体控制系统和方法以及机电运动体 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于视觉检测的运动体控制系统和方法以及机电运动体，运动体控制系统包括移动终端以及包括机械结构部件和控制装置的机电运动体，控制装置包括电机、电机驱动单元、控制处理单元和第一通信单元，移动终端包括摄像单元和第二通信单元；摄像单元捕获机电运动体的实时动态图像，第二通信单元将该图像发送给第一通信单元，进而由控制处理单元根据该实时动态图像确定机电运动体的当前运动轨迹，并基于当前运动轨迹与参考运动轨迹之差生成控制信号，电机驱动单元输出与控制信号对应的修正驱动信号，以通过改变电机的当前运动状态来修正机械结构部件的当前运动轨迹。本发明上述技术的测量结果较准确，对运动体轨迹的修正也更加准确。

Description

基于视觉检测的运动体控制系统和方法以及机电运动体

技术领域

本发明涉及机电控制技术，尤其涉及一种基于视觉检测的运动体控制系统和方法以及机电运动体。

背景技术

机电运动体，如电动玩具车或旋翼机，在运行中都需要控制。控制系统一般由运动轨迹给定量、运动状态传感器、运动执行器(驱动器)和控制器组成，经常以微处理器为核心搭建。在一般情况下，机电运动体都是和其控制系统是设置在一起的。但是，这种传统的机电运动体通常只能采用如测量电动机转速之类的间接测量方法来获得运动体的位置，测量结果较不准确，而且需要专门搭建控制器。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本发明提供了一种基于视觉检测的运动体控制系统和方法以及机电运动体，以解决传统的机电运动体通常只能采用如测量电动机转速之类的间接测量方法来获得运动体的位置而使得测量结果不准确的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于视觉检测的运动体控制系统，所述运动体控制系统包括机电运动体和移动终端，其中，所述机电运动体包括机械结构部件和控制装置，所述控制装置包括电机、电机驱动单元、控制处理单元以及第一通信单元，所述电机与所述机械结构部件相机械连接，所述电机驱动单元与所述电机相电连接，所述控制处理单元电连接所述电机驱动单元和所述第一通信单元；所述移动终端包括摄像单元和第二通信单元；所述机电运动体通过所述控制处理单元控制所述电机驱动单元输出初始驱动信号，以利用所述初始驱动信号驱动所述电机转动并带动所述机械结构部件运动；所述移动终端通过所述摄像单元捕获所述机电运动体的实时动态图像，并通过所述第二通信单元将所述实时动态图像以无线通讯方式发送给所述机电运动体；所述机电运动体通过所述第一通信单元接收所述实时动态图像，并通过所述控制处理单元来根据所述实时动态图像确定所述机电运动体的当前运动轨迹，以基于所述机电运动体的当前运动轨迹与参考运动轨迹之差生成控制信号，并将所述控制信号发送给所述电机驱动单元，使所述电机驱动单元输出与所述控制信号对应的修正驱动信号，并利用所述修正驱动信号改变所述电机的当前运动状态，以修正所述机械结构部件的当前运动轨迹。

进一步地，所述移动终端为以下设备之一：智能手机、平板电脑。

进一步地，所述机电运动体为电动玩具车，所述机械结构部件为所述电动玩具车的两个后车轮，所述电机包括两个直流减速电动机，每个所述后车轮各自连接一个所述直流减速电动机，所述电机驱动单元包括两个L298N型电机驱动芯片，每个所述直流减速电动机分别由一个所述L298N型电机驱动芯片驱动，所述控制处理单元采用C8051F020型微处理器；所述移动终端为智能手机，所述摄像单元采用OV5640型CMOS摄像模块；所述第一通信单元和所述第二通信单元均为USR-WIFI232-T型WIFI通信模块。

根据本发明的另一方面，还提供了一种基于视觉检测的运动体控制方法，所述运动体控制方法包括：启动所述运动体内的控制处理单元，并通过所述控制处理单元控制所述运动体内的电机驱动单元输出初始驱动信号，以利用所述初始驱动信号驱动所述运动体内的电机转动并带动所述运动体内的机械结构部件运动；通过所述移动终端捕获所述机电运动体的实时动态图像，并将所述实时动态图像以无线通讯方式从所述移动终端发至所述运动体；所述运动体接收到所述实时动态图像后，通过所述控制处理单元利用所述实时动态图像确定所述机电运动体的当前运动轨迹，以根据所述机电运动体的当前运动轨迹与参考运动轨迹之差生成控制信号，使所述电机驱动单元输出与所述控制信号对应的修正驱动信号，并利用所述修正驱动信号改变所述电机的当前运动状态，来修正所述机械结构部件的当前运动轨迹。

根据本发明的其他方面，还提供了一种机电运动体，所述机电运动体包括机械结构部件和控制装置，所述控制装置包括电机、电机驱动单元、控制处理单元以及第一通信单元，其中，所述电机与所述机械结构部件相机械连接，所述电机驱动单元与所述电机相电连接，所述控制处理单元电连接所述电机驱动单元和所述第一通信单元；所述控制处理单元用于：控制所述电机驱动单元输出初始驱动信号，以利用所述初始驱动信号驱动所述电机转动并带动所述机械结构部件运动；控制所述第一通信单元通过无线通讯方式从外部的移动终端接收所述机电运动体的实时动态图像；根据所述实时动态图像确定所述机电运动体的当前运动轨迹，以基于所述机电运动体的当前运动轨迹与参考运动轨迹之差生成控制信号；将所述控制信号转发至所述电机驱动单元，以使所述电机驱动单元输出与所述控制信号对应的修正驱动信号；以及利用所述修正驱动信号改变所述电机的当前运动状态，以修正所述机械结构部件的当前运动轨迹。

本发明的基于视觉检测的运动体控制系统包括机电运动体和移动终端两部分，通过移动终端中的摄像单元捕获机电运动体的实时动态图像，以利用该动态图像进行计算来获得控制信号，从而完成轨迹修正。该系统基于视觉传感检测获得运动体的位置，是直接测量方式，相比于现有技术中的间接测量，本发明的测量结果更加准确，进而使得对运动体轨迹的修正也更准确。现有技术中，由于将传感器和运动体设置得很近(例如一体设置)，基本上无法使用视觉传感器对运动体进行运动检测，因此无法实现本发明的上述效果。

另外，本发明不需要专门搭建控制器，而可以利用诸如智能手机之类的移动终端中的处理器以及微处理器即可实现。

此外，本发明利用视觉传感检测的方式能够达到小范围的高精度的闭环控制，而相比于现有技术，即使是采用GPS定位的位置控制技术也难以实现。

通过以下结合附图对本发明的最佳实施例的详细说明，本发明的这些以及其他优点将更加明显。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：

图1是示出本发明的运动体控制系统以及机电运动体的示例性结构的视图；

图2是示出本发明的运动体控制方法的示例性处理的流程图。

本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本发明实施例的理解。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

本发明的实施例提供了一种基于视觉检测的运动体控制系统，所述运动体控制系统包括机电运动体和移动终端，其中，所述机电运动体包括机械结构部件和控制装置，所述控制装置包括电机、电机驱动单元、控制处理单元以及第一通信单元，所述电机与所述机械结构部件相机械连接，所述电机驱动单元与所述电机相电连接，所述控制处理单元电连接所述电机驱动单元和所述第一通信单元；所述移动终端包括摄像单元和第二通信单元；所述机电运动体通过所述控制处理单元控制所述电机驱动单元输出初始驱动信号，以利用所述初始驱动信号驱动所述电机转动并带动所述机械结构部件运动；所述移动终端通过所述摄像单元捕获所述机电运动体的实时动态图像，并通过所述第二通信单元将所述实时动态图像以无线通讯方式发送给所述机电运动体；所述机电运动体通过所述第一通信单元接收所述实时动态图像，并通过所述控制处理单元来根据所述实时动态图像确定所述机电运动体的当前运动轨迹，以基于所述机电运动体的当前运动轨迹与参考运动轨迹之差生成控制信号，并将所述控制信号发送给所述电机驱动单元，使所述电机驱动单元输出与所述控制信号对应的修正驱动信号，并利用所述修正驱动信号改变所述电机的当前运动状态，以修正所述机械结构部件的当前运动轨迹。

下面，结合图1来描述本发明的基于视觉检测的运动体控制系统的一个示例。

本发明的运动体控制系统包括机电运动体1和移动终端2。机电运动体1例如可以为电动玩具车或旋翼机等，而移动终端2例如可以为智能手机、平板电脑等。

如图1所示，机电运动体1包括机械结构部件110和控制装置120。机械结构部件110例如可以是机电运动体1的车轮或其他可以运动的部件。

此外，参见图1，控制装置120包括电机120-1、电机驱动单元120-2、控制处理单元120-3以及第一通信单元120-4。其中，电机120-1与机械结构部件110相机械连接，通过电机120-1的转动能够带动机械结构部件110运动。电机驱动单元120-2与电机120-1相电连接并用于驱动电机120-1。控制处理单元120-3电连接电机驱动单元120-2和第一通信单元120-4，用于对电机驱动单元120-2和第一通信单元120-4进行控制。

移动终端2包括摄像单元210和第二通信单元220。其中，摄像单元210用于捕获机电运动体1的实时动态图像，第二通信单元220用于将实时动态图像通过无线通讯方式发送给机电运动体1。

参考图1，机电运动体1启动(实际是启动控制处理单元120-3)之后，控制处理单元120-3控制电机驱动单元120-2输出初始驱动信号，该初始驱动信号是与电机120-1的类型适配的电流或其他类型信号。电机120-1由初始驱动信号驱动后开始转动，从而带动机械结构部件110运动。例如，设置初始驱动信号，使得电机120-1的转速为预设转速，并且为正转或反转，由此使得机械结构部件110按照预定的轨迹(例如直径为2米的圆形轨迹)运动。

在机电运动体1按照预定的轨迹运动期间，由于一些因素(例如路面不平、操作失误等)，可能会造成机电运动体1偏离该预定的轨迹。这样，将移动终端2布置在预定的位置，使得移动终端2能够完全捕获到机电运动体1的整个运动轨迹(例如，当机电运动体1以直径为2米的圆形轨迹运动时，可以使得移动终端2的摄像单元210的捕获范围覆盖该圆形轨迹之外一定区域，例如其捕获范围为与该圆形轨迹同圆心的直径为5米的圆形区域)，由此可以通过摄像单元210实时地捕获机电运动体1的图像，从而获得机电运动体1的实时动态图像。

然后，第二通信单元220将这些实时动态图像通过无线通讯方式发送给机电运动体1。

机电运动体1通过第一通信单元120-4接收这些实时动态图像，通过控制处理单元120-3来根据这些实时动态图像(构成一组图像序列)计算出机电运动体1的当前运动轨迹S1。其中，本领域的技术人员可以根据现有的图像处理计算获得从图像序列中提取对象的运动轨迹的方法，这里不再详述。

接着，控制处理单元120-3将其计算得到的机电运动体1的当前运动轨迹S1与预置的参考运动轨迹S0进行比较，得到当前运动轨迹S1与参考运动轨迹S0之差，并根据该差来生成用于控制电机驱动单元120-2的控制信号，然后将该控制信号发送给电机驱动单元120-2。

由此，控制信号使得电机驱动单元120-2输出对应的驱动信号，作为修正驱动信号，经由该修正驱动信号来改变电机120-1的当前运动状态，从而实现对机械结构部件110当前运动轨迹S1的修正。

在实际应用中，在完成以上修正步骤后，移动终端2可继续捕获机电运动体1的实时动态图像，并将捕获的实时动态图像发送给机电运动体1，计算此时的运动轨迹S2，若此时的运动轨迹S2与当前运动轨迹S1之差高于预设的阈值，则可继续利用S2与S0之差来修正机电运动体1的运动轨迹，修正的过程与上文类似，这里不再赘述。

进一步地，计算处理单元220可以通过内置控制器来生成上述控制信号。例如，计算处理单元220中可集成PID控制器，通过将机电运动体1的当前运动轨迹S1与参考运动轨迹S0之差输入到PID控制器中来产生上述控制信号

下面描述根据本发明实施例的运动体控制系统的一个应用实例。

在该实例中，机电运动体1为电动玩具车，移动终端2为智能手机，机械结构部件110为电动玩具车的两个后车轮，电机120-1包括两个直流减速电动机(例如型号为GA12-N20)，每个后车轮各自连接一个直流减速电动机。电机驱动单元120-2包括两个L298N型电机驱动芯片，每个直流减速电动机分别由一个L298N型电机驱动芯片(里面有2个桥式直流斩波电路)驱动，控制处理单元120-3采用C8051F020型微处理器。第一通信单元120-4采用USR-WIFI232-T型WIFI通信模块实现。

在该实例中，采用GA12-N20型直流减速电动机，具有造型小巧、质量小、转动力矩大、方便安装等优点，其内部的原始动力很大，外部安装减速齿轮，从而使扭力加大。

L298N型电机驱动芯片是一种二相和四相电机驱动芯片，可以通过单片机输出TTL逻辑电平信号来控制L298N型电机驱动芯片，继而驱动电机。

此外，在该实例中，移动终端2的摄像单元210采用OV5640型CMOS摄像模块实现。OV5640型CMOS摄像模块是先进、节能的高精度相机的内置式组件，它把实现优质VGA影像的CMOS影像传感器与高度集成的影像处理器、嵌入式电源和高质量的透镜组结合在一起，能够输出JPEG图像或视频图像，提供了完整的影像解决方案；支持8/10位数字传输JPEG图像和YCbCr接口。其小巧的体积，让设计人员即使在最小的应用中仍可以增加摄像模块。由于具有高度集成的特点，该摄像模块不再需要配备任何外部器件，可以被简便地应用。

第二通信单元220采用USR-WIFI232-T型WIFI通信模块实现，可与具有WIFI功能的手机、笔记本电脑和台式电脑之间互相通信，由此可以通过手机、笔记本电脑或台式电脑与第二通信单元220来控制机电运动体1。

USR-WIFI232-T型WIFI通信模块是集成了所有Wi-Fi功能的小巧模块，尺寸仅22mmx13.5mmx6mm。针对照明和插座等应用领域，采用了1x10管脚2mm插针连接器，易于焊装在客户的产品的硬件单板电路上。该WIFI通信模块配备有特制的焊盘或外置天线连接器，适用于各种外置天线的应用。超低功耗嵌入式Wi-Fi模组提供了一种将用户的物理设备连接到Wi-Fi无线网络上，并提供UART串口等接口传输数据的解决方案。该模块硬件上集成了MAC、基频芯片、射频收发单元以及功率放大器；嵌入式的固件则支持Wi-Fi协议及配置，以及组网的TCP/IP协议栈。USR-WIFI232-T型WIFI通信模块采用一体化的802.11b/g/nWi-Fi的低功耗解决方案，通过该模块，传统的低端串口设备或MCU控制的设备均可以很方便的接入Wi-Fi无线网络，从而实现物联网络控制与管理。

通过以上描述可知，本发明的基于视觉检测的运动体控制系统包括机电运动体和移动终端两部分，通过移动终端中的摄像单元捕获机电运动体的实时动态图像，以利用该动态图像进行计算来获得控制信号，从而完成轨迹修正。该系统基于视觉传感检测获得运动体的位置，是直接测量方式，相比于现有技术中的间接测量，本发明的测量结果更加准确，进而使得对运动体轨迹的修正也更准确。现有技术中，由于将传感器和运动体设置得很近(例如一体设置)，基本上无法使用视觉传感器对运动体进行运动检测，因此无法实现本发明的上述效果。

另外，本发明不需要专门搭建控制器，而可以利用微处理器即可实现。

此外，本发明利用视觉传感检测的方式能够达到小范围的高精度的闭环控制，而相比于现有技术，即使是采用GPS定位的位置控制技术也难以实现。

此外，本发明的实施例还提供了一种机电运动体，机电运动体包括机械结构部件和控制装置，控制装置包括电机、电机驱动单元、控制处理单元以及第一通信单元，其中，电机与机械结构部件相机械连接，电机驱动单元与电机相电连接，控制处理单元电连接电机驱动单元和第一通信单元；控制处理单元用于：控制电机驱动单元输出初始驱动信号，以利用初始驱动信号驱动电机转动并带动机械结构部件运动；控制第一通信单元通过无线通讯方式从外部的移动终端接收机电运动体的实时动态图像；根据实时动态图像确定机电运动体的当前运动轨迹，以基于机电运动体的当前运动轨迹与参考运动轨迹之差生成控制信号；将控制信号转发至电机驱动单元，以使电机驱动单元输出与控制信号对应的修正驱动信号；以及利用修正驱动信号改变电机的当前运动状态，以修正机械结构部件的当前运动轨迹。

其中，该机电运动体可以具有以上结合图1所描述的运动体控制系统中的机电运动体1的结构，并能够实现相同的功能以及效果，这里不再赘述。

其中，该移动终端可以具有以上结合图1所描述的运动体控制系统中的移动终端2的结构，并能够实现相同的功能以及效果，这里不再赘述。

此外，本发明的实施例还提供了一种基于视觉检测的运动体控制方法。运动体控制方法包括如图2所示的步骤。

如图2所示，在步骤S201中，启动运动体内的控制处理单元，通过控制处理单元控制运动体内的电机驱动单元输出初始驱动信号，以利用初始驱动信号驱动运动体内的电机转动并带动运动体内的机械结构部件运动。

接着，在步骤S202中，通过移动终端捕获机电运动体的实时动态图像，并将实时动态图像以无线通讯方式从移动终端发至运动体。

接着，在步骤S203中，运动体接收到实时动态图像后，通过控制处理单元利用实时动态图像确定机电运动体的当前运动轨迹，并根据机电运动体的当前运动轨迹与参考运动轨迹之差生成控制信号。

接着，在步骤S204中，电机驱动单元输出与控制信号对应的修正驱动信号，并利用修正驱动信号改变电机的当前运动状态，来修正机械结构部件的当前运动轨迹。

进一步地，控制信号例如可通过将机电运动体的当前运动轨迹与参考运动轨迹之差输入到PID控制器中来产生。

其中，运动体控制方法可以执行与以上结合图1所描述的运动体控制系统相同的处理，并能够实现相同的功能以及效果，这里不再赘述。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (5)

1.基于视觉检测的运动体控制系统，其特征在于，所述运动体控制系统包括机电运动体和移动终端，其中，所述机电运动体包括机械结构部件和控制装置，所述控制装置包括电机、电机驱动单元、控制处理单元以及第一通信单元，所述电机与所述机械结构部件相机械连接，所述电机驱动单元与所述电机相电连接，所述控制处理单元电连接所述电机驱动单元和所述第一通信单元；所述移动终端包括摄像单元和第二通信单元；

所述机电运动体通过所述控制处理单元控制所述电机驱动单元输出初始驱动信号，以利用所述初始驱动信号驱动所述电机转动并带动所述机械结构部件运动；

所述移动终端通过所述摄像单元捕获所述机电运动体的实时动态图像，并通过所述第二通信单元将所述实时动态图像以无线通讯方式发送给所述机电运动体；

所述机电运动体通过所述第一通信单元接收所述实时动态图像，并通过所述控制处理单元来根据所述实时动态图像确定所述机电运动体的当前运动轨迹，以基于所述机电运动体的当前运动轨迹与参考运动轨迹之差生成控制信号，并将所述控制信号发送给所述电机驱动单元，使所述电机驱动单元输出与所述控制信号对应的修正驱动信号，并利用所述修正驱动信号改变所述电机的当前运动状态，以修正所述机械结构部件的当前运动轨迹。

2.根据权利要求1所述的运动体控制系统，其特征在于，所述移动终端为以下设备之一：智能手机、平板电脑。

3.根据权利要求1或2所述的运动体控制系统，其特征在于：

所述机电运动体为电动玩具车，所述机械结构部件为所述电动玩具车的两个后车轮，所述电机包括两个直流减速电动机，每个所述后车轮各自连接一个所述直流减速电动机，所述电机驱动单元包括两个L298N型电机驱动芯片，每个所述直流减速电动机分别由一个所述L298N型电机驱动芯片驱动，所述控制处理单元采用C8051F020型微处理器；所述移动终端为智能手机，所述摄像单元采用OV5640型CMOS摄像模块；所述第一通信单元和所述第二通信单元均为USR-WIFI232-T型WIFI通信模块。

4.基于视觉检测的运动体控制方法，其特征在于，所述运动体控制方法包括：

启动所述运动体内的控制处理单元，并通过所述控制处理单元控制所述运动体内的电机驱动单元输出初始驱动信号，以利用所述初始驱动信号驱动所述运动体内的电机转动并带动所述运动体内的机械结构部件运动；

通过所述移动终端捕获所述机电运动体的实时动态图像，并将所述实时动态图像以无线通讯方式从所述移动终端发至所述运动体；

所述运动体接收到所述实时动态图像后，通过所述控制处理单元利用所述实时动态图像确定所述机电运动体的当前运动轨迹，以根据所述机电运动体的当前运动轨迹与参考运动轨迹之差生成控制信号，使所述电机驱动单元输出与所述控制信号对应的修正驱动信号，并利用所述修正驱动信号改变所述电机的当前运动状态，来修正所述机械结构部件的当前运动轨迹。

5.机电运动体，其特征在于，所述机电运动体包括机械结构部件和控制装置，所述控制装置包括电机、电机驱动单元、控制处理单元以及第一通信单元，其中，所述电机与所述机械结构部件相机械连接，所述电机驱动单元与所述电机相电连接，所述控制处理单元电连接所述电机驱动单元和所述第一通信单元；

所述控制处理单元用于：

控制所述电机驱动单元输出初始驱动信号，以利用所述初始驱动信号驱动所述电机转动并带动所述机械结构部件运动；

控制所述第一通信单元通过无线通讯方式从外部的移动终端接收所述机电运动体的实时动态图像；

根据所述实时动态图像确定所述机电运动体的当前运动轨迹，以基于所述机电运动体的当前运动轨迹与参考运动轨迹之差生成控制信号；

将所述控制信号转发至所述电机驱动单元，以使所述电机驱动单元输出与所述控制信号对应的修正驱动信号；以及

利用所述修正驱动信号改变所述电机的当前运动状态，以修正所述机械结构部件的当前运动轨迹。