CN109250004A - 一种全景信息采集滚动机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全景信息采集滚动机器人，解决现有的滚动机器人行进过程中的不稳定性对机器视觉系统造成极大不便的问题。本装置壳体中部为滚动带，左右两侧壁为透明窗口，所述壳体左右侧壁之间架设水平设置的主轴，主轴两端分别通过轴承连接减震云台，减震云台活动连接有安装板，安装板上设有向前的前摄像头和向后的后摄像头，所述减震云台上设有调节安装板俯仰角的俯仰角电机和调节安装板翻滚角的翻滚角电机，所述安装板上设有陀螺仪。本发明对摄像头的翻滚角和俯仰角进行实时补偿，保证摄像头稳定，提高摄像头获取的图像质量；并配合毫米波雷达确定图像中物体的距离信息和障碍物后方物体信息，建立三维全景信息模型。
Description
技术领域
本发明属于自动控制领域，涉及一种代替人工采集信息的滚动机器人，特别涉及一种全景信息采集滚动机器人。
背景技术
机器人是一种通过手动或者自动控制，模拟人类完成各种指令的一种智能化装置。机器人可以代替人体进行各种复杂精细的操作，也可以代替人类进入复杂、危险的环境进行探索作业，保证人员安全。现有的机器人有固定设置、在一定区域范围内进行操作的固定式机器人，也有可移动的，通过机械腿、履带、滚轮等结构实现机器人的行走移动。移动式机器人可以代替人类进入一些复杂、危险的场景，如有毒害气体的空间、火场等，采集信号，指导救援。
机器人视觉系统在移动机器人的功能拓展上有着很重要的意义。视觉系统可以作为机器人进行路径规划、目标探测、障碍物翻越等具体功能的基础。拥有稳定的视觉系统，对于一个移动机器人的功能来说是一种质的飞跃。
对于滚动机器人，其依靠壳体自身的滚动行进。用来进行滚转运动的壳体主转动体可以是任何适合滚动的形状，如圆球形、椭球型、鼓型、面数较多的多面体型等等。滚动前行运动方式必然会导致机器人运动过程中的不稳定，有易发生侧滑、晃动或类似情况，从而使得整个滚动机器人的运动稳定性有所降低。对于通常的机器人视觉系统，这样的不稳定性势必会造成极其重大的不便，影响机器人对运动的判断。同时在烟雾、夜晚等特殊的条件下，视觉信息会受到很大的影响，单纯的视觉信息也无法实现穿越障碍物探测的工作，大大限制了滚动机器人信息采集工作的效率。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的滚动机器人行进过程中的不稳定性对机器视觉系统造成极大不便的问题，提供一种全景信息采集滚动机器人。本装置还解决了烟雾、夜晚等特殊的条件下，视觉信息会受到很大的影响，单纯的视觉信息也无法实现穿越障碍物探测工作的问题，可以通过视觉系统和雷达配合采集滚动机器人行进路线上及两侧的全景信息。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种全景信息采集滚动机器人，包括可滚动的壳体，其特征在于：壳体中部为可在地面上滚动的滚动带，壳体的左右两侧壁均为透明窗口，所述壳体左右侧壁之间架设水平设置的主轴，主轴上中心设置驱动装置，主轴两端分别通过轴承连接减震云台，所述减震云台包括底座，底座上方活动连接安装板，减震云台上设有向前的前摄像头和向后的后摄像头，所述安装板上设有调节安装板俯仰角的俯仰角电机和调节安装板翻滚角的翻滚角电机，所述安装板上设有陀螺仪。
滚动带为壳体的一部分，与壳体一体不可相对运动。本装置减震云台与主轴通过轴承相连，主轴转动驱动滚动机器人运动时，减震云台保持稳定竖直位置。减震云台有两个自由度，通过俯仰角电机和翻滚角电机来改变相应的俯仰角和翻滚角。对于该系统，由于是悬挂在主轴的两端，偏航角的角度可以通过硬件连接保证偏航角与球内部体不发生相对的变化。其中偏航角的角度与主轴方向保持固定垂直，即与球的运动方向保持一致。减震云台包含有两个电机，一个减震云台的长方形安装板用于固定前摄像头和后摄像头，一个底座，在底座内部装配有相应的直流电源。在安装板上设置陀螺仪。所述陀螺仪为三轴陀螺仪。俯仰角电机和翻滚角电机通过读取陀螺仪对应角速度的值，实时改变电机的输出，来保证悬挂在云台上面的摄像头的姿态与地面保持不变。例如，对于俯仰角的控制，该控制问题可以描述为，期望的俯仰角为90°，在滚动机器人运动过程中，由于晃动以及重力的影响，会导致俯仰角出现相应的变化。此时，系统的输入是期望的俯仰角90，反馈系统通过陀螺仪，读取到实时的俯仰角。两者作差，得到角度的偏差，即系统的偏差，把该偏差送入控制器中，控制器可以通过传统的PID等自动控制算法，通过调参整定，得到最优的参数。控制器通过控制算法，换算出所需要电机的电流值。最终输出到电机，电机通过反向的力矩，来保持减震云台安装架的俯仰角保持不变。翻滚角也是同样，通过陀螺仪读取到系统实时的翻滚角来进行计算。其中对于电机的控制方式，可以采用力矩（电流）控制，速度控制等方法。控制的算法除了采取传统的PID，同样可以采用模糊控制，神经网络控制等等。对于PID参数的整定方式，可以采取传统的临界比例法，衰减曲线法等。
作为优选，所述底座内设有摄像头、俯仰角电机、翻滚角电机的摄像头电源组。
作为优选，所述安装板上还设有毫米波雷达。两个减震云台上的四个摄像头视角依次交叠，可以拼合成环周360度的图片，摄像头图片可以精准获取物体的方位信息，但是无法准确判断物体的距离信息，毫米波雷达可以准确判断物品的距离信息，结合摄像头图片信息可以建立三维空间的全景信息模型。此外，毫米波雷达可以探测到几十米甚至几百米外的物体，以弥补了摄像头难以捕捉到远距离物体的缺点，进行了优势互补；同时，对于近距离场景，机器人通过雷达可以对摄像头捕捉到的画面进行确认，以验证在某处确实存在某物。另外，毫米波雷达能够对摄像头画面内的某些障碍物进行穿透，从而获取障碍物后方的物体信息，对摄像头无法传统的障碍物后方信息进行补充，提示某障碍物后方可能存在某一类检测物，辅助滚动机器人的行进路径规划。
作为优选，所述减震云台与主轴的轴承连接处位于底座和安装板之间。底座可以作为配重实用，保证减震云台的竖直稳定。
作为优选，主轴两端的前摄像头和后摄像头对称设置，两个前摄像头、两个后摄像头的可视范围依次交叠。选取摄像头的可视角度在130度或者以上，两个前摄像夹角可以在90-120度之间，两个后摄像夹角可以在90-120度之间，保证在前方、后方、左右侧方均形成相邻摄像头的视野交叠。
作为优选，所述主轴中心的驱动装置上设有水平设置并与主轴相互垂直的副轴，副轴两端悬空，且副轴两端的下方固定吊设有摆动块。
作为优选，所述驱动装置包括单个直流电机和传动装置，传动装置为单输入、双输出的变速齿轮组，变速齿轮组的输入端连接直流电机，所述直流电机连接设置在壳体内的行进电源模块。
作为另外的优选，所述驱动装置包括多个直流电机，各直流电机分别通过传动带连接主轴或者副轴，所述直流电机连接设置在壳体内的行进电源模块。
作为优选，所述壳体的左右两侧壁的透明窗口相对于滚动带侧方平面向外鼓出，减震云台设置在壳体滚动带左右方向的外侧。摄像头在左右方向设置在滚动带的外侧，可以在滚动带的前方和后方形成左右两个前摄像头之间、两个后摄像头之间的视野交叠。对于球体或者椭球体的壳体，两侧透明窗口为自然形成的鼓出，对于圆柱体和鼓型体等壳体，需要在左右侧壁设置向外鼓出的凸包，以便于摄像头与滚动带的侧边拉开角度，获取滚动机器人前、后方向的信息。
作为优选，所述壳体为球体、椭球体、圆柱体或者鼓型体。鼓型体具体结构为轴线水平设置的回转体，壳体中部外径最大，并向两边外径均匀减少形成弧面。
作为优选，所述摆动块下端贴靠壳体内壁的底面设置。
作为优选，所述摆动块的重量为壳体自重的0.5倍以上。
作为优选，所述壳体内还设有控制系统，所述控制系统包括设置在壳体内的传感器及PID控制器，所述传感器包括GPS、配合直流电机使用的陀螺仪、加速度传感器及码盘。控制系统设置在驱动装置处，可以在驱动装置的内部或者表面设置，其中码盘设置在各直流电机的输出轴上。
本发明利用在滚动机器人的水平主轴两端通过减震云台搭载摄像头，在滚动机器人新进过程中对摄像头的翻滚角和俯仰角进行实时补偿，保证摄像头稳定，提高摄像头获取的图像质量；在滚动机器人行进过程中获取360度全景图像，并配合毫米波雷达确定图像中物体的距离信息和障碍物后方不可见物体信息，建立三维全景信息模型。
附图说明
图1是本发明的球形壳体结构示意图。
图2是本发明的椭球型壳体结构示意图。
图3是本发明的球形壳体内部静止状态侧视结构示意图。
图4是本发明的球形壳体内部前行状态侧视结构示意图。
图5是本发明的球形壳体内部静止状态正视结构示意图。
图6是本发明的球形壳体内部转弯状态正视结构示意图。
图7是本发明的各摄像头视野交叠示意图。
图8是本发明的减震云台结构正向示意图。
图9是本发明的减震云台结构侧向示意图。
图中：1、壳体，2、主轴，3、副轴，4、摆动块，5、驱动装置，6、减震云台，7、前摄像头，8、后摄像头，9、滚动带，10、透明窗口，11、底座，12、安装板，13、俯仰角电机，14、翻滚角电机，15、毫米波雷达，16、轴承，17、陀螺仪。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步说明。
实施例：一种全景信息采集滚动机器人，如图1、3-7所示。本装置包括可滚动的球形的壳体1，球形的壳体中部为可在地面上滚动的滚动带9，壳体的左右两侧壁均为透明窗口10。壳体也可以为图2所示的椭球型，两侧透明窗口更为突出，便于摄像头角度的布置。所述壳体左右侧壁之间架设水平设置的主轴，主轴中心设有水平设置并与主轴相互垂直的副轴3，副轴两端悬空，副轴既可随主轴转动而绕主轴的轴线转动，也可以自身的轴线转动。副轴两端的下方吊设有摆动块4，摆动块4与副轴的两端固定连接，不可相对转动。所述主轴和副轴的交叉处设置有驱动主轴和副轴转动的驱动装置5。驱动装置5包括两个直流电机，两个直流电机分别通过传动带连接主轴和副轴，所述直流电机连接设置在壳体内的电源模块。本方案依赖于质心的改变来产生滚动机器人行进的扭矩，质心的变化通过摆动块来控制，取决于摆动块的重量和质心位置。因此摆动块的重量越大扭矩越高、摆动块的重量设置壳体自重的2倍以上。摆动块尽可能贴近壳体1底面内壁，以提高扭矩，而且尽可能低的质心位置可以保证滚动机器人的稳定。
壳体内还设置控制系统，控制系统包括用于检测机器人和驱动系统的即时动态的动态状态传感器以及PID控制器，传感器包括GPS、至少一个陀螺仪，至少一个加速度传感器及码盘。GPS、陀螺仪、加速度传感器、PID控制器可以安装在驱动装置的位置，即主轴和副轴的交叉处，码盘安装在电机输出轴上。并且它们各自的检测数据通过有线或无线传输到控制单元或外部的远程计算机以供进一步处理。
具体的，控制系统包括三轴陀螺仪，三轴加速度传感器和三轴地磁计，即所谓的九轴传感器，以及与电机数量对应的码盘。因此，控制系统能够检测动态状态的任何变化，例如方向，速度，高度等的突然变化。
如图3-6所示，当滚动机器人需要前进或者后退时，驱动装置带动主轴转动，副轴设置在主轴中部且两端悬空，因此副轴被主轴带动绕主轴转动一个角度，从而带动摆动块向前或者向后摆动，造成整体质心的前移或者后移，从而带动滚动机器人前进或者后退。当滚动机器人需要转弯时，主轴持续转动保持滚动机器人稳定前进或者后退，同时驱动装置驱动副轴绕自身轴线转动，带动摆动块向左侧或者右侧摆动，使整体质心向一侧偏移，使滚动机器人向一侧倾斜，从而实现转弯。
如图7、8所示，主轴2两端分别通过轴承16连接减震云台6，所述减震云台包括底座11，底座上方活动连接安装板12，减震云台与主轴的轴承连接处位于底座和安装板之间。安装板上设有向前的前摄像头7和向后的后摄像头8，安装板上还设有毫米波雷达15，所述减震云台6上设有调节安装板俯仰角的俯仰角电机13和调节安装板翻滚角的翻滚角电机14，安装板上设有陀螺仪17，陀螺仪为三轴陀螺仪。底座12内设有摄像头、毫米波雷达、俯仰角电机、翻滚角电机的摄像头电源组。主轴两端的前摄像头7和后摄像头8对称设置，两个前摄像头、两个后摄像头的可视范围依次交叠。如图7所示，前摄像头、后摄像头的可视角度均为在130度，两个前摄像夹角120度，两个后摄像夹角120度之间，保证在前方、后方、左右侧方均形成相邻摄像头的视野交叠。两个减震云台上的四个摄像头视角依次交叠，可以拼合成环周360度的图片，摄像头图片可以精准获取物体的方位信息，但是无法准确判断物体的距离信息，毫米波雷达可以准确判断物品的距离信息，结合摄像头图片信息可以建立三维空间的全景信息模型。此外，毫米波雷达可以探测到几十米甚至几百米外的物体，以弥补了摄像头难以捕捉到远距离物体的缺点，进行了优势互补；同时，对于近距离场景，机器人通过雷达可以对摄像头捕捉到的画面进行确认，以验证在某处确实存在某物。另外，毫米波雷达能够对摄像头画面内的某些障碍物进行穿透，从而获取障碍物后方的物体信息，对摄像头无法传统的障碍物后方信息进行补充，提示某障碍物后方可能存在某一类检测物，辅助滚动机器人的行进路径规划。
减震云台与主轴通过轴承相连，主轴转动驱动滚动机器人运动时，减震云台保持稳定竖直位置。减震云台有两个自由度，通过俯仰角电机和翻滚角电机来改变相应的俯仰角和翻滚角。对于该系统，由于是悬挂在主轴的两端，偏航角的角度可以通过硬件连接保证偏航角与球内部体不发生相对的变化。其中偏航角的角度与主轴方向保持固定垂直，即与球的运动方向保持一致。减震云台包含有两个电机，一个减震云台的长方形安装板用于固定前摄像头和后摄像头，一个底座，在底座内部装配有相应的直流电源。与俯仰角电机和翻滚角电机对应的在安装板上设置陀螺仪。俯仰角电机和翻滚角电机通过读取陀螺仪对应角速度的值，实时改变电机的输出，来保证悬挂在云台上面的摄像头的姿态与地面保持不变。例如，对于俯仰角的控制，该控制问题可以描述为，期望的俯仰角为90°，在滚动机器人运动过程中，由于晃动以及重力的影响，会导致俯仰角出现相应的变化。此时，系统的输入是期望的俯仰角90，反馈系统通过陀螺仪，读取到实时的俯仰角。两者作差，得到角度的偏差，即系统的偏差，把该偏差送入控制器中，控制器可以通过传统的PID等自动控制算法，通过调参整定，得到最优的参数。控制器通过控制算法，换算出所需要电机的电流值。最终输出到电机，电机通过反向的力矩，来保持减震云台安装架的俯仰角保持不变。翻滚角也是同样，通过陀螺仪读取到系统实时的翻滚角来进行计算。通过实时反馈的信息配合自动控制，可以保证摄像头的运行，获取更高质量的图像，建立准确全景信息模型。
Claims (10)
1.一种全景信息采集滚动机器人，包括可滚动的壳体，其特征在于：壳体中部为可在地面上滚动的滚动带，壳体的左右两侧壁均为透明窗口，所述壳体左右侧壁之间架设水平设置的主轴，主轴上中心设置驱动装置，主轴两端分别通过轴承连接减震云台，所述减震云台包括底座，底座上方设有安装板，安装板上设有向前的前摄像头和向后的后摄像头，所述减震云台上设有调节安装板俯仰角的俯仰角电机和调节安装板翻滚角的翻滚角电机，所述安装板上设有陀螺仪。
2.根据权利要求1所述的一种全景信息采集滚动机器人，其特征在于：所述底座内设有摄像头、俯仰角电机、翻滚角电机的摄像头电源组。
3.根据权利要求1所述的一种全景信息采集滚动机器人，其特征在于：所述安装板上还设有毫米波雷达。
4.根据权利要求1所述的一种全景信息采集滚动机器人，其特征在于：所述减震云台与主轴的轴承连接处位于底座和安装板之间。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种全景信息采集滚动机器人，其特征在于：主轴两端的前摄像头和后摄像头对称设置，两个前摄像头、两个后摄像头的可视范围依次交叠。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种全景信息采集滚动机器人，其特征在于：所述主轴中心的驱动装置上设有水平设置并与主轴相互垂直的副轴，副轴两端悬空，且副轴两端的下方固定吊设有摆动块。
7.根据权利要求6所述的一种全景信息采集滚动机器人，其特征在于：所述驱动装置包括单个直流电机和传动装置，传动装置为单输入、双输出的变速齿轮组，变速齿轮组的输入端连接直流电机，所述直流电机连接设置在壳体内的行进电源模块。
8.根据权利要求6所述的一种全景信息采集滚动机器人，其特征在于：所述驱动装置包括多个直流电机，各直流电机分别通过传动带连接主轴或者副轴，所述直流电机连接设置在壳体内的行进电源模块。
9.根据权利要求1或2或3或4所述的一种全景信息采集滚动机器人，其特征在于：所述壳体的左右两侧壁的透明窗口相对于滚动带侧方平面向外鼓出，减震云台设置在壳体滚动带左右方向的外侧。
10.根据权利要求1或2或3或4所述的一种全景信息采集滚动机器人，其特征在于：所述壳体为球体、椭球体、圆柱体或者鼓型体。
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