CN106383518A - 一种多传感器隧道机器人避障控制系统及方法 - Google Patents

一种多传感器隧道机器人避障控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多传感器隧道机器人避障控制系统，包括车体、主控器、超声波模块、WIFI模块和显示器；所述超声波模块分别设置于车体前端、左侧和右侧的超声波模块，用于获取障碍物距离信息；所述主控器通过WIFI模块分别与超声波模块和显示器连接；所述图像采集模块，用于获取道路障碍物图像并输入到主控器中进行图像处理。本发明提供的机器人控制方法在移动机器人的路径规划过程中，采用超声波和视觉传感器的多传感器系统，准确获取障碍物的距离信息，可测量0～200cm距离内存在的障碍物，测量误差小于1％。采用超声波和视觉传感器组成测距采集系统，采集机器人不同方位的障碍物信息，该测距避障机器人低成本、低功耗、高效能。

Description

一种多传感器隧道机器人避障控制系统及方法
技术领域
本发明涉及机器人领域，特别是一种多传感器隧道机器人避障控制系统及方法。
背景技术
在自主移动机器人的实时避障和路径规划过程中，机器人须依赖于外部环境信息的获取，感知障碍物的存在，测量障碍物的距离。目前，机器人避障和测距传感器有红外、超声波、激光及视觉传感器。多数系统采用单一超声波传感器进行信息采集，但超声波传感器因为存在测量盲区的问题，测距范围一般在30～300cm之间；
因此，需要一种多传感器隧道机器人避障控制系统。
发明内容
本发明的目的是提出一种多传感器隧道机器人避障控制系统；该系统采用视觉传感器和超声波传感器进行避障控制，避免了超声波传感器近距离无法测量的缺点。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明提供的多传感器隧道机器人避障控制系统，包括车体、主控器、超声波模块、WIFI模块和显示器；
所述超声波模块分别设置于车体前端、左侧和右侧的超声波模块，用于获取障碍物距离信息；
所述主控器通过WIFI模块分别与超声波模块和显示器连接；
所述图像采集模块，用于获取道路障碍物图像并输入到主控器中进行图像处理。
进一步，所述超声波模块包括分别设置于车体前端、左侧和右侧三个方向的超声波测距模块、超声波发射电路、超声波接收电路和障碍物判断模块；
所述超声波发射电路、超声波接收电路分别与超声波测距模块连接；
所述超声波测距模块，用于根据发射和接收的超声波来获取障碍物的距离信息；
所述障碍物判断模块和超声波测距模块连接；所述障碍物判断模块接收距离信号并根据距离信息生成障碍物判断信号；
所述障碍物判断信号通过WIFI模块输入到图像采集模块并启动图像采集模块进行图像采集。
进一步，所述图像采集模块为型号为OV7670的图像采集芯片。
本实施例的控制器采用STM32F103ZET6微控制器；超声波模块与微控制器连接；图像采集芯片作为摄像头的处理芯片，并通过FIFIO数据与微控制器连接；设置外部输入输出接口和显示基本路况的实时显示器；还可以通过WIFI数据接收发送。
本发明还提供了一种多传感器隧道机器人避障控制方法，包括以下步骤：
S1：启动并初始化控制参数；
S2：通过发射超声波和接收超声波遇到障碍物后反射回来的反射超声波；
S3：计算障碍物距离；
S4：判断障碍物距离是否小于预设阈值，如果否，则返回步骤S2；
S5：如果是，则启动图像采集装置采集当前道路图像；
S6：将当前道路图像通过无线通信发送给上位机；
S7：通过上位机对当前道路图像进行图像处理并生成运动轨迹。
本实施例提供的方法使用定时器来中断外部中断初始化，进入中断现场保护状态；启动超声波模块实现图像采集隧道机器人工作环境图像进行避障控制过程，最后恢复中断现场。
进一步，所述步骤S2中发射的超声波是通过设置于车体前端、左侧和右侧三个方向的超声波模块来实现的；所述超声波模块包括超声波测距模块、超声波发射电路、超声波接收电路和障碍物判断模块；
所述超声波发射电路、超声波接收电路分别与超声波测距模块连接；
所述超声波测距模块，用于根据发射和接收的超声波来获取障碍物的距离信息；
所述障碍物判断模块和超声波测距模块连接；所述障碍物判断模块接收距离信号并根据距离信息生成障碍物判断信号；
所述障碍物判断信号通过WIFI模块输入到图像采集模块并启动图像采集模块进行图像采集。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
本发明提供的机器人控制方法在移动机器人的路径规划过程中，采用超声波和视觉传感器的多传感器系统，准确获取障碍物的距离信息，可测量0～200cm距离内存在的障碍物，测量误差小于1％；采用超声波和视觉传感器组成测距采集系统，有效地解决了单一传感器测距系统中测量盲区的缺陷问题；并且采用3组传感器组装配在机器人的3个不同位置，使得机器人可完成3个不同方位的测量任务，能适应在隧道各种情况的避障，采集机器人不同方位的障碍物信息，该测距避障机器人低成本、低功耗、高效能。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
本发明的附图说明如下。
图1为本发明的基本功能流程图。
图2为本发明的超声探测控制流程图。
图3为本发明的视觉壁障控制流程图。
图4为本发明的多传感器隧道机器人避障控制系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图所示，本实施例提供的多传感器隧道机器人避障控制系统，包括车体、主控器、超声波模块、WIFI模块和显示器；
所述超声波模块分别设置于车体前端、左侧和右侧的超声波模块，用于获取障碍物距离信息；
所述主控器通过WIFI模块分别与超声波模块和显示器连接；
所述图像采集模块，用于获取道路障碍物图像并输入到主控器中进行图像处理。
所述超声波模块包括分别设置于车体前端、左侧和右侧三个方向的超声波测距模块、超声波发射电路、超声波接收电路和障碍物判断模块；
所述超声波发射电路、超声波接收电路分别与超声波测距模块连接；
所述超声波测距模块，用于根据发射和接收的超声波来获取障碍物的距离信息；
所述障碍物判断模块和超声波测距模块连接；所述障碍物判断模块接收距离信号并根据距离信息生成障碍物判断信号；
所述障碍物判断信号通过WIFI模块输入到图像采集模块并启动图像采集模块进行图像采集。
所述图像采集模块为型号为OV7670的图像采集芯片。
本实施例提供的多传感器隧道机器人避障控制方法，包括以下步骤：
S1：启动并初始化控制参数；
S2：通过发射超声波和接收超声波遇到障碍物后反射回来的反射超声波；
S3：计算障碍物距离；
S4：判断障碍物距离是否小于预设阈值，如果否，则返回步骤S2；
S5：如果是，则启动图像采集装置采集当前道路图像；
S6：将当前道路图像通过无线通信发送给上位机；
S7：通过上位机对当前道路图像进行图像处理并生成运动轨迹。
所述步骤S2中发射的超声波是通过设置于车体前端、左侧和右侧三个方向的超声波模块来实现的；所述超声波模块包括超声波测距模块、超声波发射电路、超声波接收电路和障碍物判断模块；
所述超声波发射电路、超声波接收电路分别与超声波测距模块连接；
所述超声波测距模块，用于根据发射和接收的超声波来获取障碍物的距离信息；
所述障碍物判断模块和超声波测距模块连接；所述障碍物判断模块接收距离信号并根据距离信息生成障碍物判断信号；
所述障碍物判断信号通过WIFI模块输入到图像采集模块并启动图像采集模块进行图像采集。
实施例2
本实施例提供的基于多传感器的隧道机器人来实现避障控制，采用半导体Cortex-M4架构芯片和Stm32F407芯片为主控芯片，通过设置于前、左、右三个超声波模块进行初步的障碍物距离探测；一旦发现障碍物开启OV7670图像采集模块，采集隧道路况图像并由主控芯片进行图像处理，根据相关的图像进行移动轨迹规划；相关的路况信息缓存SRAM中并通过，Wife模块传达主控PC；人机交互界面主要用来显示机器人的行动估计和初始的示教过程。
本实施例提供的硬件采用STM32F407Zet6最小系统；STM32F407Zet6是一款高性能 CortexTMM4的微控制器。超声波采集采用三个HC-SR04超声波测距模块；它采用IO口TRIG触发测距，给最少10us的高电平信号。模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。测试距离＝(高电平时间*声速(340M/S))/2，最远射程4m最近射程2cm，测量角度15度。
本实施例采用6个STM32F407Zet6的通用IO口分别接三路超声波发射电路，接三路超声波接收电路。
本实施例提供的移动机器人供电方式采用电池供电，此采用2个NRF24L01模块，该模块是基于2.4Ghz全球开放ISM频段免许可证使用，最高工作速率2Mbps，高效GFSK调制，内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制，抗干扰能力强。低功耗1.9-3.6V工作，待机模式下状态为22uA；掉电模式下为900nA。特别适合工业控制场合。该模块采用无线转SPI通信，因此直接采用STM32F407Zet6的SPI1，SPI2接口直接控制它们的通信。
本实施例的图像采集通过OV7670图像采集模块进行数据采集，所有图像处理功能过程包括伽玛曲线、白平衡、度、色度等通过SCCB(SCCB总线全称为Serial Camera ControlBus它的工作方式与IIC类似)接口编程。摄像头模块自带了一个FIFO芯片，用于暂存图像数据。
本实施例提供的控制方法如下：
首先在软件开始时，需要初始化相印的寄存器，IO初始化和定时器TIM2,TIM3初始化，系统由TIM2通用定时器定时，每隔1S产生一次超声触。并采用TIM3的捕获功能进行回响电平宽度进行测量；超声波测距采用回声探测法，发射换能器发射声脉冲，声波遇到障碍物后反射回来被接收换能器接收，根据时间差计算障碍物距离。距离与声速、时间的关系表示为s＝1/2ct。
当超声波测距距离小于1M是时触发相机进行拍照。经STM32F407Ze6处理后进行路劲规划，直到超声测距大于1M停止拍照。
在下位机进行数据处理时，通过无线通信将图像数据发送给上位机，由上位机进行图像处理并进行轨迹规划，和当前的路径纠正，以提高避障效率。
输入输出IO主要是用来防止紧急情况下的撞车情况。
本实施例提供的系统可测量0～200cm距离内存在的障碍物，测量误差小于1％；测试方法具体如下：
1：随机分配三个前、左，右三个不同障碍物。
2：采用激光干涉仪测出以障碍物为圆心的圆周。
3：将原半径分别设成300Cm，250,220,210,200，150,100等，距离不等的圆环。
4：将下车放置于300Cm以外，5M/s的速度向前行使，观察是否绕过障碍物。
5：一旦发现障碍物，自动反馈距离信息。
测试设备：XL-80激光干涉仪，壁障小车系统。
测试结果：
目标距离cm 测试距离cm 误差％ 目标距离cm 测试距离cm 误差％
5 5.05 1.00 50 50.47 0.94
10 9.91 0.90 75 75.71 0.95
15 15.12 0.80 100 100.98 0.98
20 20.18 0.90 150 151.40 0.93
25 24.78 0.88 200 201.90 0.95
量采用超声波和视觉传感器组成测距采集系统，有效地解决了单一传感器测距系统中测量盲区的缺陷问题；并且采用3组传感器组装配在机器人的3个不同位置，使得机器人可完成3个不同方位的测量任务，能适应在隧道各种情况的避障，采集机器人不同方位的障碍物信息，该测距避障机器人低成本、低功耗、高效能。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，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，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims (5)

1.一种多传感器隧道机器人避障控制系统，其特征在于：包括车体、主控器、超声波模块、WIFI模块和显示器；
所述超声波模块分别设置于车体前端、左侧和右侧的超声波模块，用于获取障碍物距离信息；
所述主控器通过WIFI模块分别与超声波模块和显示器连接；
所述图像采集模块，用于获取道路障碍物图像并输入到主控器中进行图像处理。
2.如权利要求1所述的多传感器隧道机器人避障控制系统，其特征在于：所述超声波模块包括分别设置于车体前端、左侧和右侧三个方向的超声波测距模块、超声波发射电路、超声波接收电路和障碍物判断模块；
所述超声波发射电路、超声波接收电路分别与超声波测距模块连接；
所述超声波测距模块，用于根据发射和接收的超声波来获取障碍物的距离信息；
所述障碍物判断模块和超声波测距模块连接；所述障碍物判断模块接收距离信号并根据距离信息生成障碍物判断信号；
所述障碍物判断信号通过WIFI模块输入到图像采集模块并启动图像采集模块进行图像采集。
3.如权利要求1所述的多传感器隧道机器人避障控制系统，其特征在于：所述图像采集模块为型号为OV7670的图像采集芯片。
4.一种多传感器隧道机器人避障控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：启动并初始化控制参数；
S2：通过发射超声波和接收超声波遇到障碍物后反射回来的反射超声波；
S3：计算障碍物距离；
S4：判断障碍物距离是否小于预设阈值，如果否，则返回步骤S2；
S5：如果是，则启动图像采集装置采集当前道路图像；
S6：将当前道路图像通过无线通信发送给上位机；
S7：通过上位机对当前道路图像进行图像处理并生成运动轨迹。
5.如权利要求4所述的多传感器隧道机器人避障控制方法，其特征在于：所述步骤S2中发射的超声波是通过设置于车体前端、左侧和右侧三个方向的超声波模块来实现的；所述超声波模块包括超声波测距模块、超声波发射电路、超声波接收电路和障碍物判断模块；
所述超声波发射电路、超声波接收电路分别与超声波测距模块连接；
所述超声波测距模块，用于根据发射和接收的超声波来获取障碍物的距离信息；
所述障碍物判断模块和超声波测距模块连接；所述障碍物判断模块接收距离信号并根据距离信息生成障碍物判断信号；
所述障碍物判断信号通过WIFI模块输入到图像采集模块并启动图像采集模块进行图像采集。
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