CN106781566A - 交通指挥系统及交通警察机器人 - Google Patents

Abstract

一种交通警察机器人包括头部、颈部、左肩部、左大臂、左小臂、左手、右肩部、右大臂、右小臂、右手、腿足部、头部驱动电机、左肩关节驱动电机、左肘关节驱动电机、左腕关节驱动电机、右肩关节驱动电机、右肘关节驱动电机、右腕关节驱动电机、腿足部驱动电机、电机驱动器、通信控制部分和供电设备，各个电机相应的配装在机器人的关节处，电机驱动器与通信控制部分配装，供电设备用于向机器人整机供电。本发明还提供一种交通指挥系统。本发明提供的交通警察机器人能模仿真人交通警察实现某些动作功能，可代替交通警察的繁重劳动，以实现交通系统的自动安全管理，能够在充满汽车尾气的街道环境下工作，以保护人身安全。

Description

交通指挥系统及交通警察机器人

技术领域：

本发明设计机器人技术领域，特别涉及一种用于代替交警完成交通指挥的交通警察机器人及交通指挥系统。

技术背景：

随着我国城乡经济建设的迅猛发展，城市交通设施也得到了很大的改善，但是迅速增长的机动车辆与发展相对滞后的城市道路之间不配套的矛盾日益突出。在这个过程中人们发现，人为的违章事件，包括闯红灯、逆行、越线、超速等，成为交通事故的主要隐患。

交通警察是人民生活中必不可少的一种角色，在各个路口、各个交通事故现场都需要他们或她们的身影出现。但随着人民生活的逐渐提高，机动车数量也随之与日俱增。机动车数量的提高带来了更大的车流量、更拥堵的道路、更多的尾气排放、更多的交通事故等。日益增加的车流量带来的是不可避免的各种问题，例如：交通警察人手短缺、个别路段缺乏监管、个别路口无人指挥以及大量的机动车尾气排放对环境的影像等问题。

机器人(Robot)是自动执行工作的机器装置，它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。是在人类科技发展过程中不断发展起来的一门新兴学科。机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途，它能为人类带来许多方便之处。

据国际机器人联盟调查，不久的将来，机器人必将渗透到人类生产和生活的各个方面。而现今交警暴露出的种种问题，研发交通警察机器人必然是未来交通系统的发展趋势。交通警察机器人发展的最终目标必然是：替代人类警察进行现场指挥交通，使交通路口通行实现智能化。

类人机器人是现代的人形机器人的主要研究方向，不仅外观像人，有人的模样，还能像人样活动。有的类人机器人，不仅能运动，甚至自己去“想”，会思考，有智慧，属于智能机器人一类。交通警察机器人也是类人机器人的一种，但是现今国内外专门针对交通安全的机器人研究还是处于起步阶段，数量少、成果少。

发明内容：

有鉴于此，有必要提供一种交通指挥系统。

还有必要提供一种交通警察机器人。

一种交通指挥系统，包括红绿灯识别系统、主控系统、机械执行系统和供电系统；

红绿灯识别系统，用于实时采集红绿灯影像，并将红绿灯影像采用图像处理软件处理成相应的控制指令，并将控制指令发送给主控系统；

主控系统，用于接收控制指令，并将控制指令进行分析判断，将控制指令转换成机械执行系统的驱动指令；

机械执行系统，用于将接收到的对应的驱动指令，进行执行相应的交通指挥动作；

供电系统，用于向红绿灯识别系统、主控系统和机械执行系统供电。

优选的，红绿灯识别系统包括红绿灯影像实时拍摄模块、影像实时保存模块和影像处理模块，红绿灯影像实时拍摄模块对红绿灯进行实时拍摄，并将拍摄的影像传输给影像实时保存模块，影像实时保存模块将影像进行实时保存并实时传输给影像处理模块，影像处理模块将接收的影像进行分析并转化成控制指令，控制指令为直行指令或者左转指令或者停止指令或者右转指令。

优选的，主控系统包括控制指令接收模块、控制指令分析模块、控制指令转化模块和脉冲信号发送模块，控制指令分析模块将控制指令接收模块接收的控制指令进行分析，分析出是直行指令或者左转指令或者右转指令或者停止指令，并将分析的结果传输给控制指令转化模块，控制指令转化模块将相应的控制指令信息转化成相应的脉冲信号，脉冲信号发送模块将脉冲信号发送给机械执行系统。

优选的，机械执行系统包括电机驱动模块和电机控制机械执行模块，电机驱动模块接收脉冲信号，电机驱动模块将脉冲信号转化成对应的电机驱动指令，电机驱动指令控制电机控制机械执行模块执行相应的交通指示动作。

一种交通警察机器人，包括头部、颈部、左肩部、左大臂、左小臂、左手、右肩部、右大臂、右小臂、右手、腿足部、头部驱动电机、左肩关节驱动电机、左肘关节驱动电机、左腕关节驱动电机、右肩关节驱动电机、右肘关节驱动电机、右腕关节驱动电机、腿足部驱动电机、电机驱动器、通信控制部分和供电设备，头部与颈部的连接处配装头部驱动电机，用于连接左肩部与左大臂的左肩关节处配装左肩关节驱动器，用于连接左大臂与左小臂的左肘关节处配装左肘关节电机，用于连接左小臂与左手的左腕关节处配装左腕关节驱动电机，用于连接右肩部与右大臂的右肩关节处配装右肩关节驱动器，用于连接右大臂与右小臂的右肘关节处配装右肘关节电机，用于连接右小臂与右手的右腕关节处配装右腕关节驱动电机，腿足部驱动电机用于驱动机器人整体的转动，头部驱动电机、左肩关节驱动电机、左肘关节驱动电机、左腕关节驱动电机、右肩关节驱动电机、右肘关节驱动电机、右腕关节驱动电机和腿足部驱动电机分别与电机驱动器配装，电机驱动器与通信控制部分配装，通信控制部分用于实时拍摄交通灯影像，并将交通灯影像转化成控制信号，用于控制电机驱动器，供电设备用于向头部驱动电机、左肩关节驱动电机、左肘关节驱动电机、左腕关节驱动电机、右肩关节驱动电机、右肘关节驱动电机、右腕关节驱动电机、腿足部驱动电机、电机驱动器和通信控制部分供电。

优选的，头部驱动电机为舵机，左肩关节驱动电机包括左第一肩关节步进电机和左第二肩关节步进电机，左第一肩关节步进电机固定在左肩部，且其主轴通过轴套、连接件与左第二肩关节步进电机的托架连接，右肩关节驱动电机包括右第一肩关节步进电机和右第一肩关节步进电机，右第一肩关节步进电机固定在右肩部，且其主轴通过轴套、连接件与右第二肩关节步进电机的托架连接，左肘关节驱动电机与右肘关节驱动电机均为舵机，左腕关节驱动电机包括左第一腕关节舵机和左第二腕关节舵机，左第一腕关节舵机的主轴通过轴套和连接件与左第二腕关节舵机连接，左第二腕关节舵机与左手连接，右腕关节驱动电机包括右第一腕关节舵机和右第二腕关节舵机，右第一腕关节舵机的主轴通过轴套和连接件与右第二腕关节舵机连接，右第二腕关节舵机与右手连接，腿足部驱动电机为步进电机，电机驱动器包括舵机驱动器和步进电机驱动器，舵机驱动器和步进电机驱动器分别与通信控制部分连接。

优选，通信控制部分包括摄像机、录像机、PC机和主控板，PC机内安装图像处理软件，摄像机实施拍摄交通指示灯影像，并将交通指示灯影像发送给录像机，录像机将交通指示灯影像进行保存并实时传送至PC机，PC机的图像处理软件对图像进行裁剪并处理成指挥动作执行指令信号，PC机将指挥动作执行指令信号传输至主控板，主控板将指令信号转化为脉冲信号，并将脉冲信号传送至电机驱动器。

优选的，主控板由输入输出端口和单片机芯片构成，输入输出端口接收PC机传输的指挥动作执行指令信号，单片机芯片将该信号转化成脉冲信号，输入输出端口将脉冲信号输送给电机驱动器。

优选的，供电设备包括开关电源、蓄电池供电电源、调压板和线性稳压芯片，调压板和线性稳压芯片分别与开关电源和蓄电池供电电源配装，调压板向舵机供电，线性稳压芯片将开关电源或者蓄电池供电电源的电压降压到主控板所需的电压，用于向主控板供电。

本发明提供的交通警察机器人能模仿真人交通警察实现某些动作功能，或按固定程序实现既定功能的自动操作，它可代替交通警察的繁重劳动，以实现交通系统的自动安全管理，能够在充满汽车尾气的街道环境下工作，以保护人身安全。

附图说明：

图1为交通警察机器人的结构示意图。

图2为交通指挥系统的工作流程图。

图中：头部驱动电机1、左第一肩关节步进电机2、左第二肩关节步进电机3、右第一肩关节步进电机4、右第一肩关节步进电机5、左肘关节驱动电机6、右肘关节驱动电机7、左第一腕关节舵机8、左第二腕关节舵机9、右第一腕关节舵机10、右第二腕关节舵机11、腿足部驱动电机12、舵机驱动器13、步进电机驱动器14、摄像机15、录像机16、PC机17、主控板18、开关电源19、蓄电池供电电源20、供电系统S1、红绿灯识别系统S2、主控系统S3、机械执行系统S4。

具体实施方式：

交通警察机器人包括头部、颈部、左肩部、左大臂、左小臂、左手、右肩部、右大臂、右小臂、右手、腿足部、头部驱动电机、左肩关节驱动电机、左肘关节驱动电机、左腕关节驱动电机、右肩关节驱动电机、右肘关节驱动电机、右腕关节驱动电机、腿足部驱动电机、电机驱动器、通信控制部分和供电设备，头部与颈部的连接处配装头部驱动电机，用于连接左肩部与左大臂的左肩关节处配装左肩关节驱动器，用于连接左大臂与左小臂的左肘关节处配装左肘关节电机，用于连接左小臂与左手的左腕关节处配装左腕关节驱动电机，用于连接右肩部与右大臂的右肩关节处配装右肩关节驱动器，用于连接右大臂与右小臂的右肘关节处配装右肘关节电机，用于连接右小臂与右手的右腕关节处配装右腕关节驱动电机，腿足部驱动电机用于驱动机器人整体的转动，头部驱动电机、左肩关节驱动电机、左肘关节驱动电机、左腕关节驱动电机、右肩关节驱动电机、右肘关节驱动电机、右腕关节驱动电机和腿足部驱动电机分别与电机驱动器配装，电机驱动器与通信控制部分配装，通信控制部分用于实时拍摄交通灯影像，并将交通灯影像转化成控制信号，用于控制电机驱动器，供电设备用于向头部驱动电机、左肩关节驱动电机、左肘关节驱动电机、左腕关节驱动电机、右肩关节驱动电机、右肘关节驱动电机、右腕关节驱动电机、腿足部驱动电机、电机驱动器和通信控制部分供电。

请参阅图1，头部驱动电机1为舵机，左肩关节驱动电机包括左第一肩关节步进电机2和左第二肩关节步进电机3，左第一肩关节步进电机2固定在左肩部，且其主轴通过轴套、连接件与左第二肩关节步进电机3的托架连接，右肩关节驱动电机包括右第一肩关节步进电机4和右第一肩关节步进电机5，右第一肩关节步进电机4固定在右肩部，且其主轴通过轴套、连接件与右第二肩关节步进电机5的托架连接，左肘关节驱动电机6与右肘关节驱动电机7均为舵机，左腕关节驱动电机包括左第一腕关节舵机8和左第二腕关节舵机9，左第一腕关节舵机8的主轴通过轴套和连接件与左第二腕关节舵机9连接，左第二腕关节舵机9与左手连接，右腕关节驱动电机包括右第一腕关节舵机10和右第二腕关节舵机11，右第一腕关节舵机10的主轴通过轴套和连接件与右第二腕关节舵机11连接，右第二腕关节舵机11与右手连接，腿足部驱动电机12为步进电机，电机驱动器包括舵机驱动器13和步进电机驱动器14，舵机驱动器13和步进电机驱动器14分别与通信控制部分连接。

通信控制部分包括摄像机15、录像机16、PC机17和主控板18，PC机17内安装图像处理软件，本实施方式中采用MATLAB图像处理软件，摄像机采用TTQ甜甜圈牌的J2型1200万像素、720P分辨率的摄像头，摄像机实施拍摄交通指示灯影像，并将交通指示灯影像发送给录像机16，录像机16将交通指示灯影像进行保存并实时传送至PC机17，PC机17的MATLAB使用Image Processing Toolbox——图像处理工具箱对PC机17接收的图像逐帧进行图片截取，最后将截取的图片进行动态剪裁只留下红绿灯部分去除其他图像影像；在进行过红绿灯的图像采集后，对已经剪裁好的图片再进行灰度化、二值化后，运用Image ProcessingToolbox——图像处理工具箱确认红绿灯的具体坐标，最后再通过红绿灯的具体坐标所处位置来确认红绿灯的具体信息。最后，MATLAB程序将具体信息分为：

(1)直行：输出结果 0 1；

(2)左转：输出结果 1 0；

(3)停止：输出结果 1 1；

输出：

即输出信号分别为01、10、11，其中0代表红灯，1代表绿灯。

PC机17将输出信号传输至主控板18，主控板18通过输出组合信号驱动步进电机驱动器14，电机驱动级以设定的速度、方向、角度到达指定位置，通过输出脉宽调制PWM波信号控制舵机使其到达指定转角。通过整体调用多个电机协调运动使机器人得以实现各种动作。

本发明中PC机17与主控板18的单片机之间的通信采用串行通信，将其作为整个通信控制部分的通讯方式。主控板18的主控芯片采用STM32单片机，该芯片拥有168MHz的主频，单周期指令，192KB的RAM和512KB的ROM。芯片的封装为LQFP100，其中86个引脚作为GPIO引脚，芯片内部集成较多的各类外设。本发明的所采用的主控板18上的控制器中，使用USART串口与PC机17通信，通过主控板18芯片内部程序解析来自串口的指令，通过GPIO生成组合脉冲和脉宽调制的脉冲来控制各个电机。

对于步进电机，电路采用中央处理器发生多路PWM脉冲波输出并通过光耦耦合到驱动级电路，通过控制步进电机驱动级的使能EN、方向DIR、步进PUL三个信号输入端电平变化来达到驱动步进电机的正转、反转、旋转角度、旋转速度等参数，并通过预先设置的拨码开关控制步进电机驱动电流，使得各个步进电机能根据负载的不同输出不同的转矩，减少能源的浪费。对于舵机，根据舵机的通用驱动协议，配置中央处理器的GPIO输出脉宽调制PWM信号驱动舵机旋转至期望角度。

供电设备包括开关电源19、蓄电池供电电源20、调压板和线性稳压芯片，调压板和线性稳压芯片分别与开关电源19和蓄电池供电电源20配装，调压板向舵机供电，线性稳压芯片将开关电源或者蓄电池供电电源的电压降压到主控板18所需的电压，用于向主控板18供电。本发明采用的蓄电池供电电源20选用三节光合牌的12V8AH(20HR)蓄电池作为机器人的电源，电池的具体尺寸为：151mm×66mm×96mm(长×宽×高)，每节电池的重量为2.2Kg，本发明采用的开关电源19为24V开关电源供电，选取输入为220V，输出为24V的开关电源供电，购买了洪铭牌的24V 20A 500W开关稳压电源，其具体的尺寸为：215mm×115mm×50mm(长×宽×高)。开关电源19供电输出电压、电流稳定不易波动，但开关电源供电必须要外接220V交流电源。

交通指挥系统包括红绿灯识别系统、主控系统、机械执行系统和供电系统；

请参阅图2，交通指挥系统的工作流程为：开启供电系统S1，供电系统S1开始向整个系统供电，红绿灯识别系统S2实时拍摄交通指示灯，并将红绿灯影像采用图像处理软件处理成相应的控制指令，并将控制指令发送给主控系统S3；主控系统S3接收控制指令，并将控制指令进行分析判断，将控制指令转换成机械执行系统的驱动指令；并将驱动指令发送给机械执行系统S4，机械执行系统S4将接收到的对应的驱动指令，进行执行相应的交通指挥动作。

红绿灯识别系统S2包括红绿灯影像实时拍摄模块、影像实时保存模块和影像处理模块，红绿灯影像实时拍摄模块对红绿灯进行实时拍摄，并将拍摄的影像传输给影像实时保存模块，影像实时保存模块将影像进行实时保存并实时传输给影像处理模块，影像处理模块将接收的影像进行分析并转化成控制指令，控制指令为直行指令或者左转指令或者停止指令或者右转指令。

主控系统S3包括控制指令接收模块、控制指令分析模块、控制指令转化模块和脉冲信号发送模块，控制指令分析模块将控制指令接收模块接收的控制指令进行分析，分析出是直行指令或者左转指令或者右转指令或者停止指令，并将分析的结果传输给控制指令转化模块，控制指令转化模块将相应的控制指令信息转化成相应的脉冲信号，脉冲信号发送模块将脉冲信号发送给机械执行系统。

机械执行系统S4包括电机驱动模块和电机控制机械执行模块，电机驱动模块接收脉冲信号，电机驱动模块将脉冲信号转化成对应的电机驱动指令，电机驱动指令控制电机控制机械执行模块执行相应的交通指示动作。

本发明提供的交通警察机器人能模仿真人交通警察实现某些动作功能，或按固定程序实现既定功能的自动操作，它可代替交通警察的繁重劳动，以实现交通系统的自动安全管理，能够在充满汽车尾气的街道环境下工作，以保护人身安全。

Claims (9)

1.一种交通指挥系统，其特征在于：交通指挥系统包括红绿灯识别系统、主控系统、机械执行系统和供电系统；

红绿灯识别系统，用于实时采集红绿灯影像，并将红绿灯影像采用图像处理软件处理成相应的控制指令，并将控制指令发送给主控系统；

主控系统，用于接收控制指令，并将控制指令进行分析判断，将控制指令转换成机械执行系统的驱动指令；

机械执行系统，用于将接收到的对应的驱动指令，进行执行相应的交通指挥动作；

供电系统，用于向红绿灯识别系统、主控系统和机械执行系统供电。

2.如权利要求1所述的交通指挥系统，其特征在于：红绿灯识别系统包括红绿灯影像实时拍摄模块、影像实时保存模块和影像处理模块，红绿灯影像实时拍摄模块对红绿灯进行实时拍摄，并将拍摄的影像传输给影像实时保存模块，影像实时保存模块将影像进行实时保存并实时传输给影像处理模块，影像处理模块将接收的影像进行分析并转化成控制指令，控制指令为直行指令或者左转指令或者停止指令或者右转指令。

3.如权利要求2所述的交通指挥系统，其特征在于：主控系统包括控制指令接收模块、控制指令分析模块、控制指令转化模块和脉冲信号发送模块，控制指令分析模块将控制指令接收模块接收的控制指令进行分析，分析出是直行指令或者左转指令或者右转指令或者停止指令，并将分析的结果传输给控制指令转化模块，控制指令转化模块将相应的控制指令信息转化成相应的脉冲信号，脉冲信号发送模块将脉冲信号发送给机械执行系统。

4.如权利要求3所述的交通指挥系统，其特征在于：机械执行系统包括电机驱动模块和电机控制机械执行模块，电机驱动模块接收脉冲信号，电机驱动模块将脉冲信号转化成对应的电机驱动指令，电机驱动指令控制电机控制机械执行模块执行相应的交通指示动作。

5.一种交通警察机器人，其特征在于：交通警察机器人包括头部、颈部、左肩部、左大臂、左小臂、左手、右肩部、右大臂、右小臂、右手、腿足部、头部驱动电机、左肩关节驱动电机、左肘关节驱动电机、左腕关节驱动电机、右肩关节驱动电机、右肘关节驱动电机、右腕关节驱动电机、腿足部驱动电机、电机驱动器、通信控制部分和供电设备，头部与颈部的连接处配装头部驱动电机，用于连接左肩部与左大臂的左肩关节处配装左肩关节驱动器，用于连接左大臂与左小臂的左肘关节处配装左肘关节电机，用于连接左小臂与左手的左腕关节处配装左腕关节驱动电机，用于连接右肩部与右大臂的右肩关节处配装右肩关节驱动器，用于连接右大臂与右小臂的右肘关节处配装右肘关节电机，用于连接右小臂与右手的右腕关节处配装右腕关节驱动电机，腿足部驱动电机用于驱动机器人整体的转动，头部驱动电机、左肩关节驱动电机、左肘关节驱动电机、左腕关节驱动电机、右肩关节驱动电机、右肘关节驱动电机、右腕关节驱动电机和腿足部驱动电机分别与电机驱动器配装，电机驱动器与通信控制部分配装，通信控制部分用于实时拍摄交通灯影像，并将交通灯影像转化成控制信号，用于控制电机驱动器，供电设备用于向头部驱动电机、左肩关节驱动电机、左肘关节驱动电机、左腕关节驱动电机、右肩关节驱动电机、右肘关节驱动电机、右腕关节驱动电机、腿足部驱动电机、电机驱动器和通信控制部分供电。

6.如权利要求5所述的交通警察机器人，其特征在于：头部驱动电机为舵机，左肩关节驱动电机包括左第一肩关节步进电机和左第二肩关节步进电机，左第一肩关节步进电机固定在左肩部，且其主轴通过轴套、连接件与左第二肩关节步进电机的托架连接，右肩关节驱动电机包括右第一肩关节步进电机和右第一肩关节步进电机，右第一肩关节步进电机固定在右肩部，且其主轴通过轴套、连接件与右第二肩关节步进电机的托架连接，左肘关节驱动电机与右肘关节驱动电机均为舵机，左腕关节驱动电机包括左第一腕关节舵机和左第二腕关节舵机，左第一腕关节舵机的主轴通过轴套和连接件与左第二腕关节舵机连接，左第二腕关节舵机与左手连接，右腕关节驱动电机包括右第一腕关节舵机和右第二腕关节舵机，右第一腕关节舵机的主轴通过轴套和连接件与右第二腕关节舵机连接，右第二腕关节舵机与右手连接，腿足部驱动电机为步进电机，电机驱动器包括舵机驱动器和步进电机驱动器，舵机驱动器和步进电机驱动器分别与通信控制部分连接。

7.如权利要求5或6所述的交通警察机器人，其特征在于：通信控制部分包括摄像机、录像机、PC机和主控板，PC机内安装图像处理软件，摄像机实施拍摄交通指示灯影像，并将交通指示灯影像发送给录像机，录像机将交通指示灯影像进行保存并实时传送至PC机，PC机的图像处理软件对图像进行裁剪并处理成指挥动作执行指令信号，PC机将指挥动作执行指令信号传输至主控板，主控板将指令信号转化为脉冲信号，并将脉冲信号传送至电机驱动器。

8.如权利要求7所述的交通警察机器人，其特征在于：主控板由输入输出端口和单片机芯片构成，输入输出端口接收PC机传输的指挥动作执行指令信号，单片机芯片将该信号转化成脉冲信号，输入输出端口将脉冲信号输送给电机驱动器。

9.如权利要求7所述的交通警察机器人，其特征在于：供电设备包括开关电源、蓄电池供电电源、调压板和线性稳压芯片，调压板和线性稳压芯片分别与开关电源和蓄电池供电电源配装，调压板向舵机供电，线性稳压芯片将开关电源或者蓄电池供电电源的电压降压到主控板所需的电压，用于向主控板供电。