CN107829359A - 一种自主标线检测机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自主标线检测机器人系统，包括移动底盘、主控系统、导航系统、伸缩机械臂、标线喷涂系统和远程操作终端；主控系统安装在移动底盘上，伸缩机械臂安装在移动底盘后端，导航系统安装在伸缩机械臂末端；标线喷涂系统包括喷涂控制模块、料箱、压力泵和喷嘴，所述喷涂控制模块、料箱、压力泵安装于移动底盘后端，喷嘴设于伸缩机械臂末端，所述喷涂控制模块分别与压力泵和主控系统相连。本发明大大提升了机器人系统的自动划线精度和划线平稳度，划线定位误差小于1cm，因速度变化导致的划线宽度变化也小于1cm。

Description

一种自主标线检测机器人系统

技术领域

本发明涉及一种检测系统，具体说是一种高精度自护标线检测机器人系统。

背景技术

机场、高速公路上，需要划分各种指示线来规范交通秩序，比如飞机场中的降落指示线，高速公路上的车道划分线等。以往这些指示线都是通过人工划的，基本上每3到6个月就需要维护一次，人工成本较高。

申请号为201611197097 .5的专利申请公开了一种道路交通标线自动划线车，通过利用人机交互单元、工控机、车体定位单元、步进电机、执行机构及线宽调节单元，实现了划线车自动划线功能，达到了节省人力的目的。但是该划线车还存在以下缺陷：

1）采用GPS定位精度不够，无法保证小于1cm的误差。

2）电机控制未采用闭环，划线速度无法保持精准，影响喷涂质量。

发明内容

本发明的发明目的在于，提出一种高精度的自主式标线机器人系统及标线方法，可有效解决现有技术存在的问题，尤其是在人工划线无法保证精准度的问题。

本发明由以下技术方案实现：

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明大大提升了机器人系统的自动划线精度和划线平稳度，划线定位误差小于1cm，因速度变化导致的划线宽度变化也小于1cm。

2、本发明所述机器人系统可在没有GPS定位的条件下正常工作，对环境依赖性较低，因而适用范围更广

3、本发明自动化程度更高，可以自动划任意曲线以及虚线。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明基于麦克纳姆轮的移动底盘示意图。

图3为本发明基于双主轮、四辅助轮的双轮驱动方式的移动底盘示意图。

图4为本发明基于四主动轮驱动方式的移动底盘示意图。

图5为本发明标线喷涂系统的结构示意图。

图6为本发明惯导系统和工业相机共同工作逻辑示意图

图7为本发明的主控系统的逻辑组成及连接框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

根据图1所示，一种自主标线检测机器人系统，包括移动底盘、主控系统、导航系统、伸缩机械臂、标线喷涂系统和远程操作终端；主控系统安装在移动底盘上，伸缩机械臂安装在移动底盘后端，导航系统安装在伸缩机械臂末端；标线喷涂系统包括喷涂控制模块、料箱、压力泵和喷嘴，所述喷涂控制模块、料箱、压力泵安装于移动底盘后端，喷嘴设于伸缩机械臂末端，所述喷涂控制模块分别与压力泵和主控系统相连；所述喷嘴通过喷漆管和电气与标线喷涂系统其他部分连接。

所述伸缩机械臂具有一个横向自由度，其水平移动的方向与移动底盘的移动方向垂直，负责带动伸缩机械臂末端的导航系统和标线喷涂系统的喷嘴进行精细和快速的调整。

主控系统由一台工控机及通信接口组成，主要负责获取导航系统的数据，然后根据当前任务计算各个动力机构的动作，并下发控制指令。主控系统还包含无线收发模块，可以与远程控制模块进行通讯。

远程操作终端与主控系统无线连接，可以从主控系统读取上传数据，获取机器人当前的各种状态信息，还可从操作终端下发控制指令给机器人。

所述导航系统包括工业相机及光源，导航系统主要负责识别和规划路径，通过工业相机垂直向下拍摄路面，对路面已有标线或绘制好标记的地方进行图像识别处理，得到标线喷涂系统的喷嘴需要行走的路径，然后分解到机器人的前进方向、前进速度以及伸缩机械臂的伸出长度进行调整。

优选的，所述导航系统还可包括惯导系统，包含陀螺仪、里程计和加速度计，可通过计算直接输出机器人的绝对位置与航向角，如此可把喷嘴路径的控制分成两个部分，惯导系统可作为机器人整体位姿控制的反馈，精确到厘米级；而工业相机组成的机器视觉导航系统作为伸缩机械臂长度控制的反馈，精确到毫米级。两者同时工作，可将标线工作的精准度提升到毫米级，动态响应能力也大大提高。

优选的，所述的机器人还可包括环境监控模块和避障模块，所述的环境监控模块和避障模块分别与主控系统电连接，从而实现标线机器人系统在行进过程中进行自动避障，进一步提高了标线效率。

环境监控模块由四台监控相机及视频服务器组成，在机器人工作的时候可以将机器人周边环境情况实时采集上传；避障模块由2台激光雷达构成，覆盖机器人周围360°的区域，一旦检测到有障碍物出现，可传送信号给主控模块，机器人立刻停止。

根据图2所示，采用基于麦克纳姆轮的全方位移动平台，使用该种底盘，移动速度不大于5km/h，爬坡能力可以实现5°，可以全方位移动，灵活、平稳。

根据图3所示，采用双主轮、四辅助轮的双轮驱动方式的移动底盘，使用该种底盘，四辅助小轮独立悬挂、平稳，承载能力强。

根据图4所示，采用四主轮驱动方式的移动平台，四轮均可分别实现驱动和转向，运转灵活，可适应不同地面的检测。

如图5所示，标线喷涂系统包括喷涂控制模块、料箱、压力泵和喷嘴，喷嘴设于伸缩机械臂末端，垂直向下喷射标线油漆，其它部件设于移动底盘后端；喷涂控制模块分别与压力泵和主控系统连接。

如图6所示，导航系统工业相机采集图像并将图像传递到工控机，经过图像处理并分析识别画面中的拉线或模具标识，通过切线计算得到机器人的目标航向角偏差，通过画面标线中点位置计算得到当前喷嘴相对位置偏差；

根据惯导系统的数据可得到机器人当前航向角，调整机器人航向角，使其与目标航向角一致；同时调整机器人的位置，使得机器人沿航向角走直线，此时机器人本体的行走路径已经平行于标线；同时根据工业相机采集的照片，通过调整伸缩机械臂的长度，使得视野中标志线的切线与每张照片的中垂线保持重合，此时喷嘴已经正对需要喷涂的标线；

如图7所示，主控系统核心是一台工控机，还包括无线收发模块，工控机和无线收发模块之间通过以太网或串口电连接。无线收发模块以无线方式与远程操作终端进行通讯。主控系统通过串行接口与移动底盘电连接，通过串行接口与喷涂控制模块电连接，通过io模块和继电器与伸缩机械臂系统电连接，通过以太网与导航系统中的工业相机电连接。另外，若导航系统还包括惯导系统，则工控机还分别与惯导系统的陀螺仪、里程计及加速度计电连接。

上述系统利用前述系统进行标线的方法，包括以下步骤：

1、远程遥控机器人移动至工作区，使需要标线的起点出现在导航系统工业相机的视野内。

2、在地上需要标线的位置放置拉线或具有引导标识的模具，拉线主要适合标直线，模具适合标曲线，如果要标虚线，则在拉线上额外放置喷涂启停标识。

3、导航系统工业相机采集图像，经过图像处理和分析识别画面中的拉线或模具标识，经过切线计算得到目标航向角偏差，通过画面标线中点位置计算得到当前喷嘴相对位置偏差。

4、机器人一边前进一边进行调整，使得图像中标志线的切线与整张照片的中垂线平行，此时机器人航向角与目标航向角一致；同时调整机器人位置和伸缩机械臂的长度，使得标志线切线与每张照片的中垂线重合，此时喷嘴已经正对需要喷涂的标线。

5、标线机器人开始工作，喷涂油漆，一边前进一边调整位姿和伸缩机械臂长度，保证喷嘴一直位于需要标线位置的正上方。

加入了惯导系统的机器人标线方法，包括如下步骤：

1、远程遥控机器人移动至工作区，使需要标线的起点出现在导航系统工业相机的视野内。

2、在地上需要标线的位置放置拉线或具有引导标识的模具，拉线主要适合标直线，模具适合标曲线，如果要标虚线，则在拉线上额外放置喷涂启停标识。

3、导航系统工业相机采集图像，经过图像处理和分析识别画面中的拉线或模具标识，经过切线计算得到目标航向角偏差，通过画面标线中点位置计算得到当前喷嘴相对位置偏差。

4、根据惯导系统的数据可得到机器人当前航向角，调整机器人航向角，使其与目标航向角一致；同时调整机器人的位置，使得机器人沿航向角走直线，此时机器人本体的行走路径已经平行于标线。

5、根据工业相机采集的照片，调整伸缩机械臂的长度，使得视野中标志线的切线与每张照片的中垂线保持重合，此时喷嘴已经正对需要喷涂的标线。

6、标线机器人开始工作，喷涂油漆，一边前进一边调整位姿和伸缩机械臂长度，保证喷嘴一直位于需要标线位置的正上方。

上述两种方法还包括：

如果标线机器人系统的避障模块发现障碍物，标线机器人系统停下并试图绕过，如障碍无法绕过则切换成远程遥控模式由操作人员手动遥控绕过障碍。

如果标线机器人系统出现喷料用完、管路堵塞等情况，系统报警，标线机器人系统退出工作区域进行填料或整修。

此外，电机控制未采用闭环，划线速度无法保持精准，影响喷涂质量，步进电机是开环控制，控制器只给电机固定频率的脉冲信号，电机实际转速控制器无法得知，无法避免电机因负载突变而失步；而速度闭环电机控制在电机上安装编码器作为位置和速度反馈，控制器在控制电机转动时可实时获取电机转速，一旦因为负载变化而发生转速波动，控制器可以迅速做出反应，调节输出保持电机转速稳定。

对于具体实施方式的理解的描述仅仅是为帮助理解本发明，而不是用来限制本发明的。本领域技术人员均可以利用本发明的思想进行一些改动和变化，只要其技术手段没有脱离本发明的思想和要点，仍然在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自主标线检测机器人系统，其特征在于：包括移动底盘、主控系统、导航系统、伸缩机械臂、标线喷涂系统和远程操作终端；主控系统安装在移动底盘上，伸缩机械臂安装在移动底盘后端，导航系统安装在伸缩机械臂末端；标线喷涂系统包括喷涂控制模块、料箱、压力泵和喷嘴，所述喷涂控制模块、料箱、压力泵安装于移动底盘后端，喷嘴设于伸缩机械臂末端，所述喷涂控制模块分别与压力泵和主控系统相连。

2.根据权利要求1所述的一种自主标线检测机器人系统，其特征在于：所述移动底盘是基于麦克拉姆轮的全方位移动底盘、双主轮和四辅助轮的双轮驱动方式的移动底盘、四主轮驱动方式的移动底盘的任一一种。

3.根据权利要求1所述的一种自主标线检测机器人系统，其特征在于：所述伸缩机械臂具有一个横向自由度，其水平伸缩的方向与移动底盘的移动方向垂直，所述伸缩机械臂负责带动伸缩机械臂末端的导航系统和标线喷涂系统的喷嘴进行精细和快速的调整。

4.根据权利要求1所述的一种自主标线检测机器人系统，其特征在于：所述主控系统包括工控机、通讯接口、无线收发模块；主控系统负责获取导航系统的数据，并根据经典闭环控制算法计算移动底盘、伸缩机械臂的动作，并下发控制指令；无线收发模块与远程操作终端无线通讯。

5.根据权利要求1所述的一种自主标线检测机器人系统，其特征在于：所述导航系统包括工业相机及光源；所述导航系统负责识别和规划路径，通过工业相机垂直向下拍摄路面，对路面已有标线或绘制好标记的地方进行图像识别处理，得到标线喷涂系统的喷嘴需要行走的路径，然后分解到机器人的前进方向、前进速度以及伸缩机械臂的伸出长度进行调整。

6.根据权利要求5所述的一种自主标线检测机器人系统，其特征在于：还包括惯导系统，所述惯导系统包括陀螺仪、里程计和加速度计，所述惯导系统用于机器人整体位姿控制的反馈，主控系统通过导航系统融合卡尔曼滤波算法计算输出机器人系统的绝对位置和航向角。

7.根据权利要求1所述的一种自主标线检测机器人系统，其特征在于：还包括环境监控模块和避障模块，所述的环境监控模块和避障模块分别与主控系统电连接。

8.根据权利要求7所述的一种自主标线检测机器人系统，其特征在于：所述环境监控模块由四台监控相机及视频服务器组成，在机器人系统工作的时候将机器人系统周边环境情况实时采集上传；所述避障模块由2台激光雷达构成，覆盖机器人系统周围360°的区域，一旦检测到有障碍物出现，可传送信号给主控模块，机器人系统立刻停止移动。