CN109109768B - 一种带摄像头的slam移动小车装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带摄像头的SLAM移动小车装置。包括移动小车、笔记本固定移动槽、笔记本壳固定槽与相机移动槽；移动小车包括上亚克力板和下亚克力板，上亚克力板上表面安装有笔记本固定移动槽、笔记本壳固定槽与相机移动槽，笔记本固定移动槽用于放置笔记本，笔记本壳固定槽内安装有笔记本壳固定架，笔记本壳固定架分别位于笔记本屏幕两侧并用于固定笔记本屏幕，相机移动槽内装有的相机固定架用于夹住USB相机。本发明在移动过程中能固定相机，实现相机位置的移动，同时能固定笔记本，减少笔记本电脑的震动，便于算法的验证实验，利于及时发现算法的不足以便于改善，为完善算法、实验数据提供了硬件支持。
Description
技术领域
本发明属于移动小车装置，具体涉及了一种带摄像头的SLAM移动小车装置。
背景技术
随着图像处理技术和机器视觉技术的不断完善，这些技术已经应用在食品安全监测、制造业、人工智能等诸多领域。对于一个成熟的移动机器人，必须具备一定的机器视觉，所以相机就是移动机器人的一个很好的选择，相机相对于激光雷达而言较为廉价，所以运用的前景也会更大。但是任何一套完整的算法和装置都需要逐渐完善的过程，需要实验装置对算法进行调试和完善。
其中就以SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)--同时定位与建图为例，对于SLAM移动机器人，其目的之一是对周边的环境进行识别，通过3D环境建图，构建立体图形，同时确定自身的位姿，它是运动恢复结构(structure from motion,SFM)的实时版本。对于视觉SLAM，一般是利用相机作为移动机器人的外部传感器。相比于激光雷达传感器，相机的特点就体现出来，一是相机相对较轻，二是相机比较便宜，容易和硬件结合，加上图像处理技术的不断提升，视觉SLAM在近些年获得了较大的进展。根据视觉传感器--相机的种类不同，可以将视觉SLAM分成单目视觉SLAM，双目视觉SLAM和深度视觉SLAM,不同的视觉SLAM运用的场景有所区别，并且各有优缺点。
针对SLAM所需要的装置，可以用简易移动小车实现。由于在SLAM的算法中需要对图像中特征点进行提取以及其他的一系列操作，所以需要相机，同时SLAM的运行需要在电脑上完成，所以需要一台笔记本电脑。而相机和笔记本电脑在整个小车中的安放就显得格外重要，一方面需要能对相机进行夹持，以实现相机的固定，另一方面需要对笔记本进行固定，减少笔记本震动，同时还需要对整个小车的其他模块的布置进行考量。
发明内容
为了实现背景技术中的技术效果，本发明提供了一种带摄像头的SLAM移动小车装置，该装置能固定相机，实现相机位置的移动，同时能固定笔记本，减少笔记本电脑的震动，实现了图像算法的简易实验，为完善算法提供前期实验。
本发明采用以下技术方案：
一、一种带摄像头的SLAM移动小车装置。
所述简易移动小车装置包括移动小车、笔记本固定移动槽、笔记本壳固定槽与相机移动槽；
移动小车包括上亚克力板和下亚克力板，上亚克力板和下亚克力板之间通过安装于上下亚克力板四个角附近的铜柱固定相连，铜柱的高度可根据实际需要进行调整，位于下亚克力板下方且靠近下亚克力板四条侧边的位置处分别装有一个电机，电机与下亚克力板通过装有螺栓的角铁相连，每个电机的输出轴均连接有一个万向轮，电机和万向轮可以实现小车的不同方向的运动；每个万向轮正上方的下亚克力板开有一个长方形口，便于观察以及防止有些万向轮直径过大碰到下亚克力板的下表面。
上亚克力板上表面的两侧通过螺栓安装有两个笔记本固定移动槽，笔记本固定移动槽内每隔一定距离固定有一支柱，支柱将笔记本固定移动槽分为若干等距的槽；笔记本架设在笔记本固定移动槽上，并通过两边笔记本固定夹上的金属夹固定，金属夹用于防止笔记本电脑滑落并且减少笔记本电脑的震动；笔记本固定夹插装于笔记本固定移动槽中，沿槽口方向移动，并通过螺栓固定于上亚克力板，安装时可以首先固定一边的笔记本固定夹，然后调整另一边实现笔记本电脑的固定作用。
笔记本壳固定槽与两个笔记本固定移动槽相垂直安装于上亚克力板上表面，笔记本壳固定槽内安装有两个笔记本壳固定架，笔记本壳固定架分别位于笔记本屏幕两侧，笔记本壳固定架主要滑动底座与固定架组成，滑动底座与固定架通过铰接相连，固定架通过绕着滑动底座做回转运动来调节笔记本屏幕的角度，所述滑动底座嵌装于笔记本壳固定槽内从而实现在槽内的滑动，所述固定架包括支撑架和移动副，移动副沿着支撑架伸缩，支撑架上固定有多个凸块，移动副上有多个与凸块相对应的定位孔，当伸缩位置确定后，凸块可嵌装于定位孔内使得移动副固定于支撑架上；移动副上端安装有固定夹，固定夹用于夹住笔记本壳以实现固定笔记本屏幕的作用从而减少笔记本屏幕在小车运动过程中的抖动。
相机移动槽与笔记本壳固定槽相平行安装于上亚克力板上表面，相机移动槽内安装有两个相机固定架，每个相机固定架下端装有一个长方体滑块，长方体滑块通过嵌装于相机移动槽内从而实现在槽内的滑动，同时实现了相机的左右移动以便调节相机的方位；相机固定架上端装有用于固定USB相机的夹子，相机固定架的长度根据相机的高度自行选择。
所述相机移动槽两边钻有若干螺纹孔，每个相机固定架的下端的长方体滑块钻有两个与相机移动槽螺纹孔等距的螺纹孔，相机固定架在相机移动槽中移动到所需位置时，将螺纹孔相互对齐之后通过拧紧螺栓固定相机固定架。
所述相机移动槽和笔记本壳固定槽两端各有一块伸出的薄板，薄板上钻有3个螺纹孔，以便于相机移动槽与上亚克力板之间的固定。
所述下亚克力板上表面装有单片机与电源收纳盒，电源收纳盒中放置有锂电池和电机驱动模块；下亚克力板中间装有一圆形孔洞，电机和电机驱动模块的连接线路通过孔洞相连，所述电机驱动模块用于控制电机的运动。
所述单片机与电机驱动模块的连接线路穿过电源收纳盒中开有的孔缝相连，所述锂电池与电源收纳盒外表面装有的开关相连，锂电池通过电机驱动模块给电机供电，所述开关控制着电机的启停。
所述的上下亚克力板的材质为亚克力板，金属，聚合物复合材料；所述上下亚克力板的形状为圆形或方形。
二、应用上述简易移动小车装置调试SLAM的方法。
所述方法如下：单片机上通过控制电机驱动模块控制小车的运动轨迹，实现小车在不同方向的运动；
移动小车在运动过程中，通过搭载在小车上的相机获取外界环境的图像信息，一方面将图像信息传给前端即视觉里程计，计算图像之间的运动变换关系，然后对运动变换关系进行后端非线性优化处理，从而得到完整的地图信息，另一方面对图像中的RGB图和深度图进行回环检测，用于减少累积漂移误差。
所述的计算图像之间的运动变换关系的方法为将相邻两帧图像进行特征匹配，获得相机的运动姿态变换矩阵T；所述的后端非线性优化处理为通过图像中得到的RGB图和深度图获得相机坐标系下的3D信息，转换为世界坐标系下的云图姿态，将前一帧的云图利用运动姿态变换矩阵T和后一帧的云图进行融合拼接，然后再与后后一帧云图利用运动姿态变换矩阵T进行融合拼接，以此对所有帧图像进行依次融合拼接，最后得到一个完整的点云图，作为完整的地图信息并输出。
随着小车的移动，SLAM系统实时检测出图像信息中的ORB特征点，相邻帧图像进行特征匹配，从而获取到小车的运动轨迹。
本发明的有益效果：
本发明采用相机固定架以及笔记本固定夹实现对USB相机的安置以及笔记本的固定，实现了在移动过程中实用相机和笔记本进行实验的目的，便于算法的验证实验，利于及时发现算法的不足以便于改善。
附图说明
图1为简易移动小车装置的立体图；
图2为简易移动小车装置的左视图；
图3为简易移动小车装置的正视图；
图4为简易移动小车装置的仰视图；
图5为简易移动小车装置中笔记本壳固定架的零件图；
图6为简易移动小车装置的一个具体功能框架图。
图中：电机1，下亚克力板2，铜柱3，电源收纳盒4，上亚克力板5，笔记本固定移动槽6，笔记本7，笔记本固定夹8，USB相机9，相机固定架10，笔记本壳固定架11，笔记本壳固定槽12，相机移动槽13，单片机14。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方案进行详细说明。
如图1-3所示，本发明包括移动小车、笔记本固定移动槽6、笔记本壳固定槽12与相机移动槽13；移动小车包括上亚克力板5和下亚克力板2，在上下亚克力板的四个角附近开有安放铜柱的半径1.5mm的螺纹孔，上下亚克力板之间通过铜柱固定连接，铜柱的高度可根据实际需要进行调整。位于下亚克力板2下方且靠近下亚克力板2四条侧边的位置处分别装有一个电机1，电机与下亚克力板2通过装有螺栓的角铁相连，每个电机1的输出轴均连接有一个万向轮，每个万向轮正上方的下亚克力板2开有一个长方形口。
下亚克力板2的厚度为5mm，下亚克力板2上表面装有单片机14与电源收纳盒4，电源收纳盒4的材料是亚克力板，厚度为3mm，电源收纳盒4中放置有锂电池和电机驱动模块；单片机通过电源收纳盒4中开有的孔缝与电机驱动模块相连，所述锂电池与电源收纳盒外表面装有的开关相连。
下亚克力板2中间开了一个直径30mm的圆孔电机1的正负极电线通过圆孔与电机驱动模块相接，所述电机驱动模块用于控制电机1的运动。
上亚克力板5上表面的两侧通过螺栓安装有两个笔记本固定移动槽6，笔记本固定夹移动槽6的材料为金属铝，长为320mm，宽为120mm，笔记本固定移动槽6内每隔一定距离固定有一2mm的支柱，支柱将笔记本固定移动槽6分为若干等距的槽；笔记本7架设在笔记本固定移动槽6上，并通过两边笔记本固定夹8上的金属夹固定；笔记本固定夹8插装于笔记本固定移动槽6中，沿槽口方向移动，并通过螺栓固定于上亚克力板5。
如图1和5所示，笔记本壳固定槽12与两个笔记本固定移动槽6相垂直安装于上亚克力板5上表面，笔记本壳固定槽12内安装有两个笔记本壳固定架11，笔记本壳固定架11分别位于笔记本屏幕两侧，笔记本壳固定架11主要由滑块与固定架组成，滑块与固定架通过铰接相连，固定架通过绕着滑块做回转运动来调节笔记本屏幕的角度，所述滑块嵌装于笔记本壳固定槽12内从而实现在槽内的滑动，所述固定架包括支撑架和移动副，移动副沿着支撑架伸缩，支撑架上固定有多个凸块，移动副上有多个与凸块相对应的定位孔，当伸缩位置确定后，凸块可嵌装于定位孔内使得移动副固定于支撑架上，移动副上端安装有固定夹，固定夹用于夹住笔记本壳以实现固定笔记本屏幕的作用从而减少笔记本屏幕在小车运动过程中的抖动。
相机移动槽13与笔记本壳固定槽12相平行安装于上亚克力板5上表面，相机移动槽13内安装有两个相机固定架10，每个相机固定架10下端装有一个长方体滑块，长方体滑块通过嵌装于相机移动槽13内从而实现在槽内的滑动，同时实现了相机的左右移动以便调节相机的方位。
相机固定架11上端装有用于固定USB相机9的夹子。所述相机移动槽13的材料为金属铝，两边钻有相距为15mm，直径为M3的若干螺纹孔，每个相机固定架11的下端的长方体滑块钻有两个相距为15mm，直径为M3的螺纹孔，相机固定架10在相机移动槽13中移动到所需位置时，将螺纹孔相互对齐之后通过拧紧螺栓固定相机固定架10。
所述相机移动槽13和笔记本壳固定槽12两端各有一块伸出的薄板，薄板上钻有3个螺纹孔，以便于相机移动槽与上亚克力板5之间的固定。
本发明具体实施的工作流程：
如图6所示，选用MEGA2560作为单片机，MEGA256采用USB接口的核心电路板，具有54路数字输入输出，适合需要大量IO接口的设计，单片机上通过控制电机驱动模块控制小车的运动轨迹，实现小车在不同方向的运动。
移动小车在运动过程中，通过搭载在小车上的相机获取外界环境的图像信息，将图像信息经电脑PC处理计算实现SLAM的流程。一方面将图像信息传给前端即视觉里程计，将相邻两帧图像进行特征匹配，获得相机的运动姿态变换矩阵T；然后对前端处理后的数据进行后端非线性优化处理，通过图像中得到的RGB图和深度图获得相机坐标系下的3D信息，从而获得世界坐标系下的云图姿态，将前一帧的云图利用运动姿态变换矩阵T和后一帧的云图进行融合拼接，然后再与后后一帧云图利用运动姿态变换矩阵T进行融合拼接，以此对所有帧图像进行依次融合拼接，最后得到一个完整的点云图，作为完整的地图信息并输出。另一方面需对图像中的RGB图和深度图进行回环检测，用于减少累积漂移误差。
随着小车的移动，SLAM系统实时检测出图像信息中的ORB特征点，相邻帧图像进行特征匹配，从而获取到小车的运动轨迹。
由于整个算法都在笔记本电脑中运行，在整个环节中需要对笔记本电脑固定好，调整好相机固定架的具体位置，以便于相机能清晰的显示前方的物体所在的具体位置。同时在运动过程中需要注意程序的计算速度与小车运动的速度是否能匹配，对于有些算法而言，其计算的速度较慢对环境的鲁棒性也较差，一旦出现问题则会对整个结果造成较大的影响。
以上所揭露的仅为本发明的一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。
Claims (7)
1.一种带摄像头的SLAM移动小车装置，包括移动小车、笔记本(7)和USB相机(9)，其特征在于：包括笔记本固定移动槽(6)、笔记本壳固定槽(12)与相机移动槽(13)；移动小车包括上亚克力板(5)和下亚克力板(2)，上亚克力板(5)和下亚克力板(2)之间通过安装于上下亚克力板四个角附近的铜柱固定相连，位于下亚克力板(2)下方且靠近下亚克力板(2)四条侧边的位置处分别装有一个电机(1)，电机通过装有螺栓的角铁固定到下亚克力板(2)的底面，每个电机(1)的输出轴均连接有一个万向轮；
所述上亚克力板(5)上表面的两侧通过螺栓安装有两个笔记本固定移动槽(6)，笔记本固定移动槽(6)内开有若干等距的槽；笔记本(7)架设在笔记本固定移动槽(6)上，并通过两边笔记本固定夹(8)上的金属夹固定；笔记本固定夹(8)插装于笔记本固定移动槽(6)中，沿槽口方向移动，并通过螺栓固定于上亚克力板(5)；
所述笔记本壳固定槽(12)安装于上亚克力板(5)上表面，笔记本壳固定槽(12)与笔记本固定移动槽(6)相垂直，笔记本壳固定槽(12)内安装有两个笔记本壳固定架(11)；所述相机移动槽(13)安装于上亚克力板(5)上表面，相机移动槽(3)与笔记本壳固定槽(12)相平行，相机移动槽(13)内安装有两个相机固定架(10)，每个相机固定架(10)下端装有一个长方体滑块，长方体滑块通过嵌装于相机移动槽(13)内从而实现在槽内的滑动，相机固定架(10)上端装有用于固定USB相机(9)的夹子。
2.根据权利要求1所述的一种带摄像头的SLAM移动小车装置，其特征在于，所述下亚克力板(2)上表面装有单片机(14)与电源收纳盒(4)，电源收纳盒(4)中放置有锂电池和电机驱动模块。
3.根据权利要求2所述的一种带摄像头的SLAM移动小车装置，其特征在于，所述下亚克力板(2)中间开有一个圆孔，电机(1)的正负极电线穿过圆孔与电机驱动模块相接，所述电机驱动模块用于控制电机(1)的运动。
4.根据权利要求2所述的一种带摄像头的SLAM移动小车装置，其特征在于，所述单片机(14)的电线穿过电源收纳盒(4)中开有的孔缝与电机驱动模块相连，所述锂电池与电源收纳盒外表面装有的开关相连，锂电池通过电机驱动模块给电机(1)供电，所述开关控制着电机(1)的启停。
5.根据权利要求1所述的一种带摄像头的SLAM移动小车装置，其特征在于，所述笔记本壳固定架(11)分别位于笔记本屏幕两侧，笔记本壳固定架(11)主要由滑动底座与固定架组成，滑动底座与固定架通过铰接相连，所述滑动底座嵌装于笔记本壳固定槽(12)内从而实现在槽内的滑动，所述固定架包括支撑架和移动副，移动副沿着支撑架伸缩，支撑架上固定有多个凸块，移动副上有多个与凸块相对应的定位孔，移动副上端安装有固定夹，固定夹用于夹住笔记本壳。
6.根据权利要求1所述的一种带摄像头的SLAM移动小车装置，其特征在于，所述相机移动槽(13)两边钻有若干螺纹孔，每个相机固定架(10)下端的长方体滑块钻有两个与相机移动槽(13)螺纹孔等距的螺纹孔，相机固定架(10)在相机移动槽(13)中移动到所需位置时，将螺纹孔相互对齐之后通过拧紧螺栓固定相机固定架(10)。
7.根据权利要求1所述的一种带摄像头的SLAM移动小车装置，其特征在于，所述相机移动槽(13)和笔记本壳固定槽(12)两端各有一块伸出的薄板，薄板上钻有螺纹孔，以便于相机移动槽(13)与上亚克力板(5)之间的固定。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20200605 |