CN106985142A - 一种用于全向移动机器人的双视觉循迹装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于全向移动机器人的双视觉循迹装置和方法，该循迹装置包括安装在机器人前端的前端视觉循迹系统、安装在后端的后端视觉系统和运动控制器，视觉识别系统通过采集机器人前后的路径图像，提取偏距、偏角信息，为机器人运动提供引导和判断依据。前端视觉循迹系统和后端视觉循迹系统分别和运动控制器通讯，实时传送偏见和偏距的信息，运动控制器计算机器人最优的运动路径信息，然后调节机器人各轮速度使机器人前后端都沿路径运动。采用双向视觉识别系统分别检测机器人前、后两端与参考路径的偏差，获取更加完整的路径信息、提高控制精度、确定全向移动机器人循迹姿态，为机器人运动导航和避障提供更好的保障。
Description
技术领域
本发明属于机器人循迹和路径识别领域，具体来说，涉及一种用于全向移动机器人的双视觉循迹装置和方法。
背景技术
在路径已知的情况下，快速而准确地进行路径跟踪是移动机器人应用中的一个非常重要的问题。路径跟踪过程中经常通过机器人视觉识别路径，并提取路径信息。然而，普通的单向视觉只能监控机器人前端的路径偏离情况，而不能检测后端的情况，容易造成跟踪精度的下降甚至发生碰撞事故。双向视觉可以分别检测机器人前、后两端与参考路径的偏差，可以对路径高精度的跟踪和使运动更加安全平稳。
传统上多采用单视觉传感器，与普通的单向视觉相比，双向视觉可以从前、后两个角度观察机器人与引导线的相对位姿，相当于增加了汽车后视镜的功能，因此路径信息更加全面，反馈也更加准确。尤其对于车体较长的中型、大型机器人，从两个位置观测车体位姿尤其重要。“甩尾”现象是机器人前端在引导线上而后端偏离较远的情况，它会造成机器人跟踪精度下降，甚至可能发生与障碍物或墙壁的碰撞。这种现象通过单向视觉无法辨别，只有采用双向视觉从两个位置观察才能够加以区分，进而避免其发生。
机器人路径跟踪的首要任务是识别参考路径，通过图像传感器进行路径识别具有探测距离远、信号范围宽、获取信息完整等优点，因此在机器人路径跟踪中得到越来越广泛的应用。
发明内容
技术问题：本发明提供一种同时获取前后路径信息，实现全向移动机器人双视觉循迹的装置，利用双视觉装置同时采集并获取前后端路径信息，调整全向移动机器人车体使其前后端同时位于路径线上，避免机器人前后某一端不在路径范围内。本发明同时提供一种用于全向移动机器人的双视觉循迹装置的循迹方法。
技术方案：本发明的用于全向移动机器人的双视觉循迹装置，包括安装在全向移动机器人前端的前端视觉循迹系统、安装在全向移动机器人后端的后端视觉循迹系统、与所述前端视觉循迹系统、后端视觉循迹系统连接通讯的运动控制器，所述前端视觉循迹系统和后端视觉循迹系统均包括循迹相机、位于所述循迹相机上方的光源模块、与所述循迹相机和光源模块信号连接的图像处理器，所述前端视觉循迹系统用以获取机器人正前方的路径信息并发送给运动控制器，后端视觉循迹系统用以获取机器人正后方的路径信息并发送给运动控制器，所述运动控制器用以根据前后路径信息计算出机器人需要改变角度和位置，并调整机器人运动，使机器人前后端都在路径上。
进一步，本发明装置中，所述循迹相机用以获取路径图像，所述光源模块用以调整路径的光照明暗，所述图像处理器用以处理循迹相机的图像并提取出路径信息，控制光源模块。
进一步，本发明装置中，所述前端视觉循迹系统和后端视觉循迹系统的图像处理器分别根据循迹相机获取路径图像的清晰度和亮度控制光源模块改变光照亮度，使获取图像中的路径清晰完整。
进一步，本发明装置中，所述运动控制器根据获取的前端路径和后端路径的偏角和偏距信息，以及机器人前后端和路径的角度和位置关系，计算出机器人需要改变角度和位置，计算并调整机器人各轮子的速度值，使机器人前后端后都保持在路径上。
本发明的用于全向移动机器人的双视觉循迹装置的循迹方法，包括以下步骤：
步骤10)前端视觉循迹系统和后端视觉循迹系统的循迹相机分别进行图像采集：获取机器人车体前端和后端路径图像并发送给各自的图像处理器；
步骤20)前端视觉循迹系统和后端视觉循迹系统中的图像处理器分别对获取的图像进行预处理，并根据图像中路径清晰度和明亮程度调节光源模块，增强或减弱光照强度，所述预处理包括中值滤波、阀值分割和去除噪点；
步骤30)前端视觉循迹系统和后端视觉循迹系统的图像处理器对所采集图像中的路径处理和识别，获取前端路径和后端路径的偏角和偏距信息并发送给运动控制器，所述偏角通过计算图像中路径与中心线的角度得到，所述偏距信息通过计算图像中路径中心点和中心线中点距离得到；
步骤40)运动控制器接收机器人前后路径的偏角和偏距信息，根据机器人和路径的相对位置计算车体需要改变角度和位置；
步骤50)运动控制器根据车体需要改变角度和位置，采用逆运动学方程和PID算法计算并调整机器人各轮子的速度。
进一步，本发明方法中，所述步骤40)中，根据机器人和路径的相对位置计算机器人应改变的角度和位置分为以下四种情况：(1)前、后相机都在引导线上，机器人为理想位姿无需再进行调整只要按预定速度运动；(2)后相机位于引导线上、前相机偏离，根据前后几何关系和前端路径偏角和偏距计算出此时车体需要调整的角度和位置，使机器人前端向引导线靠拢的同时保持后相机中心与引导线的相对位置不变；(3)前相机位于引导线上、后相机偏离，根据前后几何关系和后端路径偏角和偏距计算出此时车体需要调整的角度和位置，使机器人后端向引导线靠拢同时保持前相机的相对位置不变；(4)前后相机都偏离引导线，机器人前后位置都需要调整，首先根据路径前端路径偏差和偏距计算此时机器人需要改变的角度和位置使前端相机位于引导线上，然后根据几何关系和后端路径偏差和偏距计算此时机器人需要改变的角度和位置使后端相机位于引导线上。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明的技术方案可以对全向机器人前后两端的路径进行采集和处理，采用双向视觉识别系统分别检测机器人前、后两端与参考路径的偏差，获取更加完整的路径信息，提高路径循迹精度，为机器人运动导航和避障提供更好的保障。
目前的单目循迹方式有：在普通差动轮机器人的单目循迹只能让车体沿路径切线方向运行，难以适应复杂的曲线路径；在全向移动机器人的单目循迹方式中，由于全向移动机器人可以沿任意方向运动，单目循迹的方式不能完全限制全向机器人的循迹姿态，在狭小的路径情况下会出现车体某一端超出路径的情况。
本发明的技术方案相比，通过机器人前后两端的双视觉循迹装置获取前后的路径信息，通过处理前后路径信息计算机器人需要改变的角度和位置，确保机器人前后端都不会超出路径的范围，实现机器人对路径精准的跟踪。
附图说明
图1是本发明装置的构成图。
图2是本发明的循迹方法的流程图。
图3是本发明的双视觉循迹示意图。
图4是本发明实施例的组成图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。
本发明的用于全向移动机器人的双视觉循迹装置，包括安装在全向移动机器人前端的前端视觉循迹系统、安装在全向移动机器人后端的后端视觉循迹系统、与所述前端视觉循迹系统、后端视觉循迹系统连接通讯的运动控制器，所述前端视觉循迹系统和后端视觉循迹系统均包括循迹相机、位于所述循迹相机上方的光源模块、与所述循迹相机和光源模块信号连接的图像处理器，所述前端视觉循迹系统用以获取机器人正前方的路径信息并发送给运动控制器，后端视觉循迹系统用以获取机器人正后方的路径信息并发送给运动控制器，所述运动控制器用以根据前后路径信息计算出机器人需要改变角度和位置，并调整机器人运动，使机器人前后端都在路径上。其中循迹相机用以获取路径图像，所述光源模块用以调整路径的光照明暗，所述图像处理器用以处理循迹相机的图像并提取出路径信息，并控制光源模块。前端视觉循迹系统和后端视觉循迹系统的图像处理器分别根据循迹相机获取路径图像的清晰度和亮度控制光源模块改变光照亮度，使获取图像中的路径清晰完整。
本发明优选实施例中，所述运动控制器根据获取的前端路径和后端路径的偏角和偏距信息，以及机器人前后端和路径的角度和位置关系，计算出机器人需要改变角度和位置，使机器人前后端后都保持在路径上。
本发明的用于全向移动机器人的双视觉循迹装置的循迹方法，包括以下步骤：
步骤10)前端视觉循迹系统和后端视觉循迹系统的循迹相机分别进行图像采集：获取机器人车体前端和后端路径图像并发送给各自的图像处理器；
步骤20)前端视觉循迹系统和后端视觉循迹系统中的图像处理器分别对获取的图像进行预处理，并根据图像中路径清晰度和明亮程度调节光源模块，增强或减弱光照强度，所述预处理包括中值滤波、阀值分割和去除噪点；
步骤30)前端视觉循迹系统和后端视觉循迹系统的图像处理器对所采集图像中的路径处理和识别，获取前端路径和后端路径的偏角和偏距信息并发送给运动控制器，所述偏角通过计算图像中路径与中心线的角度得到，所述偏距信息通过计算图像中路径中心点和中心线中点距离得到；
步骤40)运动控制器接收机器人前后路径的偏角和偏距信息，根据机器人和路径的相对位置计算车体需要改变角度和位置，使机器人前后端后都保持在路径上。
步骤50)运动控制器根据逆运动学方程和PID算法计算出各轮子需调整的速度值，并控制机器人电机速度改变机器人姿态。
本发明优选实施例中，所述步骤40)中，根据机器人和路径的相对位置计算机器人应改变的角度和位置分为以下四种情况：(1)前、后相机都在引导线上，机器人为理想位姿无需再进行调整只要按预定速度运动；(2)后相机位于引导线上、前相机偏离，根据前后几何关系和前端路径偏角和偏距计算出此时车体需要调整的角度和位置，使机器人前端向引导线靠拢的同时保持后相机中心与引导线的相对位置不变；(3)前相机位于引导线上、后相机偏离，根据前后几何关系和后端路径偏角和偏距计算出此时车体需要调整的角度和位置，使机器人后端向引导线靠拢同时保持前相机的相对位置不变；(4)前后相机都偏离引导线，机器人前后位置都需要调整，首先根据路径前端路径偏差和偏距计算此时机器人需要改变的角度和位置使前端相机位于引导线上，然后根据几何关系和后端路径偏差和偏距计算此时机器人需要改变的角度和位置使后端相机位于引导线上。
具体实施例如下：
如图4所示，本发明实施例为中型Mecanum轮机器人车轮半径为110mm，半车长为363mm，半车宽为408mm。运动控制器为iEi嵌入式单板机WAFER-945GSE2，视觉循迹系统循迹相机为USB工业相机，图像处理器为研华MIO-2261N-S6A1E主板，两个相机分别固定于机器人的前、后两端。
机全向移动器人双视觉循迹方法具体流程为：
步骤10)电源接通后，各处理器和相机进入工作状态，USB相机1和USB相机2分别开始图像采集，USB相机1获取机器人车体前端路径图像，USB相机2获取机器人车体后端路径图像，并通过USB接口把图像发送给图像处理器1和图像处理器2。
步骤20)前端视觉循迹系统和后端视觉循迹系统的图像处理器对图像进行处理，根据图像中路径清晰度和明亮程度调节光源模块使路径清晰。
步骤30)前端视觉循迹系统和后端视觉循迹系统的图像处理器对所采集图像中的路径处理和识别，获取前端路径和后端路径的偏角和偏距信息并发送给运动控制器。
步骤40)运动控制器接受机器人前后路径的偏角和偏距信息，根据机器人和路径的相对位置计算得到车体需要改变角度和位置，使机器人前后端后都保持在路径上。步骤50)运动控制器根据逆运动学方程和PID算法计算出各轮子需调整的速度值，并控制机器人电机速度改变机器人姿态。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种用于全向移动机器人的双视觉循迹装置，其特征在于，该装置包括安装在全向移动机器人前端的前端视觉循迹系统、安装在全向移动机器人后端的后端视觉循迹系统、与所述前端视觉循迹系统、后端视觉循迹系统连接通讯的运动控制器，所述前端视觉循迹系统和后端视觉循迹系统均包括循迹相机、位于所述循迹相机上方的光源模块、与所述循迹相机和光源模块信号连接的图像处理器，所述前端视觉循迹系统用以获取机器人正前方的路径信息并发送给运动控制器，后端视觉循迹系统用以获取机器人正后方的路径信息并发送给运动控制器，所述运动控制器用以根据前后路径信息计算出机器人需要改变角度和位置，并调整机器人运动，使机器人前后端都在路径上。
2.根据权利要求1所述的用于全向移动机器人的双视觉循迹装置，其特征在于，所述循迹相机用以获取路径图像，所述光源模块用以调整路径的光照明暗，所述图像处理器用以处理循迹相机的图像并提取出路径信息，控制光源模块。
3.根据权利要求1所述的用于全向移动机器人的双视觉循迹装置，其特征在于，所述前端视觉循迹系统和后端视觉循迹系统的图像处理器分别根据循迹相机获取路径图像的清晰度和亮度控制光源模块改变光照亮度，使获取图像中的路径清晰完整。
4.根据权利要求1所述的用于全向移动机器人的双视觉循迹装置，其特征在于，所述运动控制器根据获取的前端路径和后端路径的偏角和偏距信息，以及机器人前后端和路径的角度和位置关系，计算出机器人需要改变角度和位置，计算并调整机器人各轮子的速度值，使机器人前后端后都保持在路径上。
5.一种用于全向移动机器人的双视觉循迹装置的循迹方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤10)前端视觉循迹系统和后端视觉循迹系统的循迹相机分别进行图像采集：获取机器人车体前端和后端路径图像并发送给各自的图像处理器；
步骤20)前端视觉循迹系统和后端视觉循迹系统中的图像处理器分别对获取的图像进行预处理，并根据图像中路径清晰度和明亮程度调节光源模块，增强或减弱光照强度，所述预处理包括中值滤波、阀值分割和去除噪点；
步骤30)前端视觉循迹系统和后端视觉循迹系统的图像处理器对所采集图像中的路径处理和识别，获取前端路径和后端路径的偏角和偏距信息并发送给运动控制器，所述偏角通过计算图像中路径与中心线的角度得到，所述偏距信息通过计算图像中路径中心点和中心线中点距离得到；
步骤40)运动控制器接收机器人前后路径的偏角和偏距信息，根据机器人和路径的相对位置计算车体需要改变角度和位置；
步骤50)运动控制器根据车体需要改变角度和位置，采用逆运动学方程和PID算法计算并调整机器人各轮子的速度。
6.根据权利要求5所述的用于全向移动机器人的双视觉循迹装置的循迹方法，其特征在于，所述步骤40)中，根据机器人和路径的相对位置计算机器人应改变的角度和位置分为以下四种情况：(1)前、后相机都在引导线上，机器人为理想位姿无需再进行调整只要按预定速度运动；(2)后相机位于引导线上、前相机偏离，根据前后几何关系和前端路径偏角和偏距计算出此时车体需要调整的角度和位置，使机器人前端向引导线靠拢的同时保持后相机中心与引导线的相对位置不变；(3)前相机位于引导线上、后相机偏离，根据前后几何关系和后端路径偏角和偏距计算出此时车体需要调整的角度和位置，使机器人后端向引导线靠拢同时保持前相机的相对位置不变；(4)前后相机都偏离引导线，机器人前后位置都需要调整，首先根据路径前端路径偏差和偏距计算此时机器人需要改变的角度和位置使前端相机位于引导线上，然后根据几何关系和后端路径偏差和偏距计算此时机器人需要改变的角度和位置使后端相机位于引导线上。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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