CN106274626A - 可变视场高度的地面机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可变视场高度的地面机器人，飞行器架设于机器人运动底盘顶部，并与机器人运动底盘之间通过高强度线缆连接和固定；线缆对飞行器提供电源及控制信号，控制飞行器的回收和飞行高度，飞行器安装有视频采集设备和飞控系统，飞控系统控制飞行器实现上升、空中悬停和方向调整。本发明针对当前地面机器人定位与导航所存在的不足，有效解决了机器人进入小区域复杂环境中的导航问题。

Description

可变视场高度的地面机器人
技术领域
本发明属于地面遥控机器人的可视化导航系统，具体地说是一种通过改变导航视角及高度来获得对地面更大区域的预知与路径规划的地面机器人。
背景技术
在现有遥控或自主式地面机器人上，都装有视频装置，以便为遥控或规划路径提供实时地面情况，以便实时修正或改变机器人的行驶路径。视频装置一般布置在机器人前端和后端，也有在两侧、周边及顶部都布置的。从操控端屏幕上看到的都是这些视频装置（摄像头）传回的图像，当机器人进入地面较为复杂，需要及时对环境做出判断以及预知方向、路径时，由于机器人所处位置的局限，如周边杂草丛生、障碍物多且高，视频装置将不能获取足以判断方向和路径的有效信息，操控端将无法作出正确行驶路线的决定，最终导致了机器人迷失方向而丧失效能。
采用自带GPS系统，可以对地面机器人进行定位与方向导航，但由于GPS系统无法提供更精确的定位和小区域地形状态，地面机器人即便带有GPS系统在上述情况下也同样会丧失效能。
采用无人机在空中导航。可以在一定条件下解决导航问题，但无人机不能进入室内和树林等高度受限空间狭小的环境，会受留空时间制约无法连续伴随地面机器人，更不可能由单人操控实现空地导航，还会有空、地两套操控系统之间信息共享所带来的不便和滞后问题。
采用升降杆将摄像头举高。能有限的解决不太高障碍物后的导航问题，但机器人会受升降杆升高后重心提高所带来的行驶稳定性问题，不适合在地面有较大倾斜度的情况下使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有可变视场高度的地面机器人，能达到空中导航的效果，但却不存在信息共享和滞后、高度受限、留空时间、多人操作等问题，使机器人操控端能对复杂地面情况作出准确预判，进而选择正确的行驶路线；可以较好地解决地面机器人在小区域复杂环境中的导航问题，该地面机器人可以实现在各种复杂地面环境中的方向、可通过性甄别，而不会出现迷失方向丧失效能等问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种可变视场高度的地面机器人，飞行器架设于机器人运动底盘顶部，并与机器人运动底盘之间通过高强度线缆连接和固定；线缆对飞行器提供电源及控制信号，控制飞行器的回收和飞行高度，飞行器安装有视频采集设备和飞控系统，飞控系统控制飞行器实现上升、空中悬停和方向调整。
所述飞行器为具有垂直起降功能的飞行装置，飞行器底部设有电缆固定接口。
所述飞行器优选旋翼机、直升机或氦气球。
所述飞行器上安装有通信天线或通信电台。
所述视频采集设备采集的图像信号通过线缆传输给机器人无线图传设备。
所述线缆为带有涤纶线加强的高强度低重量电缆。
所述机器人运动底盘优选履带或轮式机器人。
所述机器人运动底盘顶部后方布置有停放飞行器的载台，载台顶面下部装有压力传感器，通过压力传感器实现对线缆收放的自动控制；载台内部装有线缆收放器；机器人运动底盘内部设有大容量动力电池、无线收发设备和综合控制器，大容量动力电池为整个机器人系统供电，机器人操控系统通过综合控制器发送控制指令给线缆收放器，控制线缆的收放；操控系统同时通过综合控制器由线缆发送控制指令给飞行器内的飞控系统，实现飞行器的上升、空中悬停和方向调整；无线收发设备用于操控端控制机器人运动底盘及飞行器的所有行为。
所述线缆收放器包括卷筒、导电滑环、导轮组、减速电机、自动摩擦离合器、行程传感器和机座，导电滑环位于卷筒中心，自动摩擦离合器设置于卷筒轴上，线缆收放器控制减速电机驱动卷筒转动，卷绕在卷筒上的线缆经过导轮组进行收放，行程传感器计算线缆收放的长度。
所述载台顶面上部设有与飞行器底部相匹配的凹坑。
本发明与现有技术相比，其显著优点：1、能实时准确地了解周边小区域内的地面情况，为机器人规划路径提供现场实况，较完善地解决了机器人进入小区域复杂环境中的导航问题；2、升空高度可依据地面环境适时调整，可适用于顶部高度受限制的场景，如室内、树林中等；3、能伴随机器人实施长时间导航而无需顾忌留空时间、增加操控人员和系统；4、不会因为视场升高而导致机器人重心的同步提高，因此不会影响机器人的通过能力；5、由于升起飞行器与机器人之间是柔性连接，视场不会受地面变化的影响；6、不必担心飞丢和降落不准等问题；7、有可能通过升高通信设备或天线来改善通信质量，增大地面通信距离。
附图说明
图1是本发明总体结构示意图。
图2是本发明两种工作状态示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明可变视场高度的地面机器人，包括机器人运动底盘1、视频采集设备4（高清摄像头）、线缆收放器8、操控系统、飞控系统等。飞行器3架设于机器人运动底盘1顶部后端并与机器人运动底盘1间通过高强度线缆5连接和固定，线缆对飞行器3提供电源及控制信号，也是回收和控制飞行器3高度的设施，飞行器3则依靠飞控系统实现上升、空中悬停和方向调整。
所述飞行器3是一架具有垂直起降功能的带有视频采集设备4的飞行装置（如旋翼机、直升机、氦气球等等），底部有电缆固定接口，机内不带电池但配置有飞控系统。
所述机器人运动底盘1由高通过能力的履带或轮式机器人构成，内部带有大容量动力电池、无线收发设备、综合控制器、线缆收放器8等，顶部后方布置有停放飞行器3的载台2，载台2顶面下部装有压力传感器7，通过压力传感器7能实现对线缆5收放行程的自动控制；所述线缆5由带有涤纶线加强的高强度低重量电缆构成并卷绕在收放机构的线缆卷筒上，可通过控制系统实施收放；所述线缆收放器8由卷筒、导电滑环、导轮组6、减速电机、自动摩擦离合器、行程传感器构成，安置在机器人载台2内部并受操控系统的指令控制。图像信号通过线缆5传输给机器人无线图传设备，遇到较高障碍物时操控端可控制飞行器3升空从障碍物上面更广泛的视角来控制机器人，以摆脱高障碍物对操控的影响。当然还可以利用飞行器3升空中继控制信号以改善地面无线信号传输能力。
参见图2，采用了本发明方案的地面机器人，在平坦及障碍物高度较低的地面行驶时，只需使用配置于机身上的视频设备即能正常工作；而在进入复杂地面环境行驶时，由于障碍物或地面不平，如很高的杂草、沟壑中、杂物堆积地、迷宫墙等，仅靠前述视频设备会造成机器人短视甚至盲视，无法通过视频图像找到并判别路径和方向。此时可通过操控端控制飞行器3升起一定高度（具体依据环境情况决定），将视角提升到障碍物上端，以居高临下的视角来了解并判断环境，可为操控机器人作出正确的路径和方向预判，顺利走出困境。
当机器人脱离困境后，操控端可控制线缆收放器8回收线缆（向回卷绕线缆），由于此时飞行器3具有向上的升力，线缆向下牵引的结果是飞行器3平稳而准确的降落到机器人顶面上，随着线缆的牵引飞行器3对顶面压力不断增大，直到触动平台压力传感器7，飞行器3及线缆收放器8停止工作，由于载台2顶面上部设有与飞行器3底部相匹配的凹坑，此时飞行器3完成回收并可与载台2顶面上部固定。
当机器人因为地面障碍而导致通信不稳定时，升起飞行器3将接收控制信号的通信天线拉高（需事先将通信天线或电台安置在飞行器3上）可有效改善通信质量，增大通信距离。

Claims (10)

1.一种可变视场高度的地面机器人，其特征在于：飞行器（3）架设于机器人运动底盘（1）顶部，并与机器人运动底盘（1）之间通过高强度线缆（5）连接和固定；线缆（5）对飞行器（3）提供电源及控制信号，控制飞行器（3）的回收和飞行高度，飞行器（3）安装有视频采集设备（4）和飞控系统，飞控系统控制飞行器（3）实现上升、空中悬停和方向调整。
2.根据权利要求1所述的可变视场高度的地面机器人，其特征在于：所述飞行器（3）为具有垂直起降功能的飞行装置，飞行器（3）底部设有电缆固定接口。
3.根据权利要求1所述的可变视场高度的地面机器人，其特征在于：所述飞行器（3）优选旋翼机、直升机或氦气球。
4.根据权利要求1所述的可变视场高度的地面机器人，其特征在于：所述飞行器（3）上安装有通信天线或通信电台。
5.根据权利要求1所述的可变视场高度的地面机器人，其特征在于：所述视频采集设备（4）采集的图像信号通过线缆（5）传输给机器人无线图传设备。
6.根据权利要求1所述的可变视场高度的地面机器人，其特征在于：所述线缆5为带有涤纶线加强的高强度低重量电缆。
7.根据权利要求1所述的可变视场高度的地面机器人，其特征在于：所述机器人运动底盘（1）优选履带或轮式机器人。
8.根据权利要求1-7中任意所述的可变视场高度的地面机器人，其特征在于：所述机器人运动底盘（1）顶部布置有停放飞行器（3）的载台（2），载台（2）顶面下部装有压力传感器（7），通过压力传感器（7）实现对线缆（5）收放的自动控制；载台（2）内部装有线缆收放器（8）；机器人运动底盘（1）内部设有大容量动力电池、无线收发设备和综合控制器，大容量动力电池为整个机器人系统供电，机器人操控系统通过综合控制器发送控制指令给线缆收放器（8），控制线缆（5）的收放；操控系统同时通过综合控制器由线缆发送控制指令给飞控系统，实现飞行器3的上升、空中悬停和方向调整；无线收发设备用于操控端控制机器人运动底盘（1）及飞行器（3）的所有行为。
9.根据权利要求8所述的可变视场高度的地面机器人，其特征在于：所述线缆收放器（8）包括卷筒、导电滑环、导轮组（6）、减速电机、自动摩擦离合器、行程传感器，导电滑环位于卷筒中心，自动摩擦离合器设置于卷筒轴上，线缆收放器（8）控制减速电机驱动卷筒转动，卷绕在卷筒上的线缆经过导轮组（6）进行收放，行程传感器计算线缆收放的长度。
10.根据权利要求1或8所述的可变视场高度的地面机器人，其特征在于：所述载台（2）顶面上部设有与飞行器（3）底部相匹配的凹坑。
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