CN109366528A - 一种多目视觉装置 - Google Patents
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Abstract
一种多目视觉装置，包括视觉系统、减震系统和驱动系统；驱动系统输出端连接减震系统，减震系统连接视觉系统；驱动系统能够驱动视觉系统在水平面内旋转；采用这种结构，在水平方向上几乎没有视野死角，并且还能保证获取前方空中一定角度的视野信息，从而大大提升了机器人对前方视野及目标的掌控能力。
Description
技术领域
本发明属于机器视觉技术领域，特别涉及一种多目视觉装置。
背景技术
对于火灾、地震、洪水等自然灾害，由于灾害现场环境恶劣复杂，不确定因素频发，甚至有时还会出现对人体有极大伤害的物质，这时候人力救援就显得非常的不足，甚至显得很无力，导致很多人死于不及时的救援。将机器人技术应用于灾害现场的搜救工作，可大大减少人员伤亡和财产的损失。但是由于灾害现场的光线、障碍物等各种不利因素的影响，导致机器人在搜救方面的工作能力始终不是很高，同时，就现有的技术水平来说，大多数视觉系统存在视野盲区大、精度不是很高以及减震效果不是很好，同时无法对前方空中一定区域视野进行掌控和目标进行侦测识别，若是目标进行了伪装，则对目标的侦测识别就显得更加困难，所以，为了让机器人搜救能力最大化的发挥出来，一种实用的多目视觉系统的设计研究就显得尤其重要。
机器人的视觉系统研究在机器人的研究中占有着举足轻重的地位，对机器人的智能化的高低起着关键作用。机器人的视觉系统是指机器人通过计算机来获取周围景物二维图像信息，通过还原分析，重新建起周围景物的三维模型，最后作出相应的判断。对于移动机器人来说，视觉系统主要用于所要分析的目标的位姿测量，其应用主要是机器人视觉定位、避障和目标追踪。在军事领域，视觉系统可用于无人飞行器和无人坦克对目标的识别与追踪，其最主要的应用是无人战机和坦克对各种目标的识别、追踪和定位。因此，研究一种实用的多目视觉系统，对于提高机器人的自主作业能力，拓展机器人的应用范围具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多目视觉装置，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种多目视觉装置，包括视觉系统、减震系统和驱动系统；驱动系统输出端连接减震系统，减震系统连接视觉系统；驱动系统能够驱动视觉系统在水平面内旋转；
视觉系统包括摄像头固定板、前视觉系统、后视觉系统、左视觉系统和右视觉系统；摄像头固定板水平设置在减震系统上，摄像头固定板的前后左右四个方向分别对应设置前视觉系统、后视觉系统、左视觉系统和右视觉系统；每个视觉系统均包括若干不同种类的摄像头；
摄像头固定板包括第一支撑板、第二支撑板与第三支撑板；三个支撑板自上而下互相平行设置，第一支撑板和第二支撑板之间通过第一支撑件固定连接；第二支撑板和第三支撑板之间通过若干第二支撑件固定连接；第一支撑板和第二支撑板之间形成摄像头固定空间；第一支撑板的下表面和第二支撑板的上表面均设置有若干T型导轨。
进一步的，前视觉系统包括第一摄像头、第二摄像头、第一红外摄像头、紫外摄像头、第一广角摄像头、第二广角摄像头、第三摄像头和第四摄像头；第一摄像头、第二摄像头、第一红外摄像头、紫外摄像头、第一广角摄像头和第二广角摄像头均设置在摄像头固定空间内的T型导轨上，且均朝向同一个方向；第三摄像头和第四摄像头设置在第一支撑板的上表面。
进一步的，第一支撑板的上表面设置有支撑罩，支撑罩内设置有轴，轴上固定设置有第一齿轮，摄像头固定空间内设置有电机，电机的输出端连接有第二齿轮，第一齿轮和第二齿轮啮合，第二齿轮小于第一齿轮；第三摄像头和第四摄像头均固定设置在轴上。
进一步的，后视觉系统包括第七摄像头、第三红外摄像头和第八摄像头；后视觉系统的摄像头朝向与前视觉系统摄像头朝向相反；第七摄像头、第三红外摄像头和第八摄像头并排设置在摄像头固定空间内的T型导轨上。
进一步的，左视觉系统包括第五摄像头、第六摄像头以及第二红外摄像头；左视觉系统与右视觉系统相同，左视觉系统与右视觉系统的摄像头朝向相反；第五摄像头、第六摄像头以及第二红外摄像头并排设置在摄像头固定空间内的T型导轨上。
进一步的，减震系统包括第四支撑板和减震器组；第四支撑板设置在第三支撑板的下方，第三支撑板和第四支撑板之间通过若干减震器组连接；减震器组的个数为三，三个减震器组成等边三角形设置在第四支撑板上表面。
进一步的，每个减震器组包括三个减震器，减震器包括下固定筒、减震弹簧、减震套筒、螺母、减震套筒轴和上固定筒；减震套筒固定设置在下固定套筒上，减震套筒轴安装在减震套筒内，减震套筒轴一端固定在下固定套筒上，另一端穿过上固定套筒，超出上固定套筒的减震套筒轴上螺纹连接有螺母；减震弹簧的一端固定在下固定筒的底部，另一端固定在上固定筒上。
进一步的，驱动系统包括驱动电机和第五支撑板；驱动电机的输出端固定设置在第五支撑板的几何中心；第五支撑板固定设置在第四支撑板的几何中心。
进一步的，第一支撑板上还设置有水平仪。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明模仿了狼蛛的眼睛构造，采用多目立体视觉对视觉平台周围360度的图像及目标的特征信息进行获取，同时采用广角摄像头、红外摄像头和紫外摄像头进行辅助侦测识别，从而保证对目标特征信息获取的准确性，采用这种结构，在水平方向上几乎没有视野死角，并且还能保证获取前方空中一定角度的视野信息，从而大大提升了机器人对前方视野及目标的掌控能力；同时通过来自不同方向多目立体视觉的相互配合，使得机器人在行走的过程中，减少转动多目视觉平台的次数，不仅可以降低能耗，而且还可以减少机器人处理器处理的信息量，从而提高机器人的反应速度和使用性能。
本发明提供的多目视觉平台，可方便的加装在各种机器人系统上，如轮式机器人，机械腿式机器人、履带式机器人等，该装置具有性能稳定、维修方便、使用寿命长等优点。
附图说明
图1为本发明专利多目视觉系统的整体结构示意图；
图2为本多目视觉系统的视觉部分的结构示意图；
图3为本多目视觉系统的视觉部分的结构示意图；
图4为本多目视觉系统的减震部分的结构示意图；
图5为本多目视觉系统的驱动部分的结构示意图；
图中标号代表：1-第一摄像头，2-第二摄像头，3-第一红外摄像头，4-紫外摄像头，5-第三摄像头，6-第四摄像头，7-轴，8-第一齿轮，9-第二齿轮，10-电机，11-第一广角摄像头，12-第二广角摄像头，13-第一支撑板，14-第二支撑板，15-第三支撑板，17-第一支撑件，19-第二支撑件，21-摄像头导轨，22-第五摄像头，23-第二红外摄像头，24-第六摄像头，25-第七摄像头，26-第三红外摄像头，27-第八摄像头，28-水平仪，30-上固定套筒，31-减震套筒轴，32-螺母，33-减震弹簧，34-减震套筒，35-下固定套筒，37-第四支撑板，40-第五支撑板，41-驱动电机，42-视觉系统，43-减震系统，44-驱动系统。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
一种多目视觉平台，其包括视觉系统42，减震系统43以及驱动系统44三部分组成，依次是视觉系统42在上，减震系统43在中，驱动系统44在下。驱动系统44可驱动视觉系统42在水平面内做360度自由旋转，以看清周围360度的视野和目标。
如图2和图3所展示的视觉系统42中，第一摄像头1、第二摄像头2、第一红外摄像头3、紫外摄像头4、第一广角摄像头11、第二广角摄像头12、第三摄像头5以及第四摄像头6组成前视觉部分；第五摄像头22、第六摄像头24以及第二红外摄像头23组成左视觉部分，右视觉部分与左视觉相同；第七摄像头25、第三红外摄像头26以及第八摄像头27组成后视觉部分。经过发明者的测试和图像处理过程的要求，由前、后、左、右四个视觉部分构成一个360度完整的视域,可以做到不留死角，消除视野盲区。
进一步的，第一支撑板13、第二支撑板14与第三支撑板15的形状都为六边形，并且三者彼此相互平行固定。第一支撑板13与第二支撑板14用1号支撑件17通过螺栓组件连接，第二支撑板14与第三支撑板15用2号支撑件19通过螺栓组件连接。
如图2和图3所展示的视觉系统42中的所有摄像头(除第三摄像头5和第四摄像头6外)都是通过摄像头导轨21固定在相应的支撑板上，采用这种导轨式设计的原因是，使得摄像头的固定更加牢固，不易松脱，再者使得摄像头的拆卸更换更加的简单方便。
进一步的第一支撑板13和第二支撑板14之间设置有控制主板，控制主板与所有的摄像头相连，并且与机器人的CPU相连，将采集的目标的图像信息经过处理后发送给决策机构。
更进一步的第三摄像头5与第四摄像头6固定在轴7上，轴7上固定一个大齿轮8,；第一支撑板13的下部固定了小型电机10，小型电机10的输出轴上固定一个小齿轮9；小型电机10驱动小齿轮8旋转时，通过大齿轮8与小齿轮9相互啮合，使得第三摄像头5与第四摄像头6可以随着轴7一起转动，上下俯仰一定的角度，并且两个摄像头的光轴相互平行，形成双目立体视觉。
第二支撑板14并非正六边形，而是六条边有长有短，对于前视觉部分来说，第一摄像头1与第二摄像头2位于六边形的一条边上，构成双目立体视觉，与第三摄像头5和第四摄像头6构成的双目立体视觉相互配合，共同获取前方的视野以及目标的特征信息，将获取的目标的特征信息通过控制主板16转换处理后传递给决策机构作出处理。同时，位于前视觉部分另外两条对称边上的第一广角摄像头11和第二广角摄像头12可以为双目立体视觉摄像头提供角度更大的视野辅助。如果目标过大或者空中有目标经过时，第一摄像头1与第二摄像头形成的双目立体视觉不足以对其进行判断时，第三摄像头5和第四摄像头6可以直接上下俯仰一定的角度，协助获取目标的更多的信息，更好的对目标进行判断。如果带有生命目标进行了伪装或是被遮挡，则可通过第一红外摄像头3与紫外摄像头4进行侦测判断，采用红外摄像头与紫外摄像头的原因是，对于可见光之外波段，依然可以进行判断，因此前视觉部分获取目标图像信息的能力在整个视觉平台上最强。
进一步的，左视觉部分的第五摄像头22与第六摄像头24构成双目立体视觉，对左方的视野以及目标的特征信息进行获取，同时，第二红外摄像头23与1号广角镜头11起到如上阐述的视野辅助作用。右视觉部分和后视觉部分的摄像头构成及工作原理皆与左视觉部分的完全相同。
例如当视觉平台的左、右、后的某一视域有目标出现时，由于带有该视觉平台的机器人当前图像获取能力最强前视觉部分无法对目标作出判断，则由其他方向的视觉部分(左、右、后视觉部分)将目标的信息传递给处理器，如果传递的目标的图像信息能够使处理器作出准确的判断，则不需要改变视觉系统42的角度。若其他方向的视觉部分提供的目标的图像信息不足以供处理器作出正确判断时，那么可通过驱动系统44使视觉系统42旋转一定的角度，将前视觉部分正对目标的方向，通过前视觉部分强大的图像获取能力来进行目标图像信息的采集和后续准确的判断。
如图3所示，水平仪28通过螺栓组件紧固在第一支撑板13上，通过水平仪28监测整个多目视觉平台是否处在最佳的水平位置，如若不是，应该及时调整姿态，让整个视觉平台在最佳姿态获取目标的图像信息。
如图4所示，是多目视觉平台的减震系统43，减震系统43由第四支撑板37和三个成120度角的减震器组组成，每个减震器组由三个减震器构成，每个减震器与第四支撑板37都成一定的角度通过螺栓组件连接。
进一步的，减震器由下固定筒35、减震弹簧34、减震套筒33、螺母32、减震套筒轴31及上固定筒30组成。其中减震套筒33和下固定筒35为一体式结构，减震套筒轴31安装在减震套筒33内，并且可沿着减震套筒轴线移动。减震弹簧34的一端固定在下固定筒35的底部，另一端固定在上固定筒30上。同时通过安装在减震套筒轴31顶部的螺母32来控制减震弹簧34的伸缩量以及减震套筒轴31的移动。上固定筒30则通过螺栓组件固定在第三支撑板15上。
减震系统43的下部是驱动系统44，上部是视觉系统42，有效的缓冲了驱动系统44以及机器人在运动过程中带给视觉系统42中各种精密仪器的震动，使得仪器在最佳状态下工作。减震弹簧33是减震系统43的主要的减震元件，减震器组成120度布置，同时减震弹簧倾斜一定的角度成120度布置，可以有效的将震动进行分散弱化，使整个视觉平台能够在最佳姿态下工作，同时也保护了视觉系统42中的精密仪器。
如图5所示，驱动系统44由螺栓组件、第五支撑板40和驱动电机41组成。第五支撑板40通过螺栓组件与第四支撑板37连接，驱动电机41的输出轴与第五支撑板40通过花键连接，连接牢固，不易松脱。驱动电机41采用两相步进电机，通过驱动电机41的驱动，可使视觉系统42在水平面内自由旋转任意角度，由机器人对驱动电机41的发出的控制指令，实现视觉系统42的任意角度旋转。
本专利的多目视觉系统，与狼蛛的眼睛布置结构类似，采用5组双目立体视觉对视觉平台周围360度的图像及目标的特征信息进行获取，同时采用广角摄像头、红外摄像头和紫外摄像头进行辅助侦测识别，从而保证对目标特征信息获取的准确性，采用这种结构，在水平方向上几乎没有视野死角，并且还能保证获取前方空中一定角度的视野信息，从而大大提升了机器人对前方视野及目标的掌控能力。本专利提供的多目视觉平台，可方便的加装在各种机器人系统上，如轮式机器人，机械腿式机器人、履带式机器人等。利用强有力的图像采集系统，为处理器提供高质量的有关于目标的信息，从而为处理器对目标的判断及周围图像信息的获取提供强有力的保障。
Claims (9)
1.一种多目视觉装置，其特征在于，包括视觉系统(42)、减震系统(43)和驱动系统(44)；驱动系统(44)输出端连接减震系统(43)，减震系统(43)连接视觉系统(42)；驱动系统(44)能够驱动视觉系统(42)在水平面内旋转；
视觉系统(42)包括摄像头固定板、前视觉系统、后视觉系统、左视觉系统和右视觉系统；摄像头固定板水平设置在减震系统上，摄像头固定板的前后左右四个方向分别对应设置前视觉系统、后视觉系统、左视觉系统和右视觉系统；每个视觉系统均包括若干不同种类的摄像头；
摄像头固定板包括第一支撑板(13)、第二支撑板(14)与第三支撑板(15)；三个支撑板自上而下互相平行设置，第一支撑板(13)和第二支撑板(14)之间通过第一支撑件(17)固定连接；第二支撑板(14)和第三支撑板(15)之间通过若干第二支撑件(19)固定连接；第一支撑板(13)和第二支撑板(14)之间形成摄像头固定空间；第一支撑板(13)的下表面和第二支撑板(14)的上表面均设置有若干T型导轨。
2.根据权利要求1所述的一种多目视觉装置，其特征在于，前视觉系统包括第一摄像头(1)、第二摄像头(2)、第一红外摄像头(3)、紫外摄像头(4)、第一广角摄像头(11)、第二广角摄像头(12)、第三摄像头(5)和第四摄像头(6)；第一摄像头(1)、第二摄像头(2)、第一红外摄像头(3)、紫外摄像头(4)、第一广角摄像头(11)和第二广角摄像头(12)均设置在摄像头固定空间内的T型导轨上，且均朝向同一个方向；第三摄像头(5)和第四摄像头(6)设置在第一支撑板(13)的上表面。
3.根据权利要求2所述的一种多目视觉装置，其特征在于，第一支撑板(13)的上表面设置有支撑罩，支撑罩内设置有轴(7)，轴(7)上固定设置有第一齿轮(8)，摄像头固定空间内设置有电机(10)，电机(10)的输出端连接有第二齿轮(9)，第一齿轮(8)和第二齿轮(9)啮合，第二齿轮(9)小于第一齿轮(8)；第三摄像头(5)和第四摄像头(6)均固定设置在轴(7)上。
4.根据权利要求1所述的一种多目视觉装置，其特征在于，后视觉系统包括第七摄像头(25)、第三红外摄像头(26)和第八摄像头(27)；后视觉系统的摄像头朝向与前视觉系统摄像头朝向相反；第七摄像头(25)、第三红外摄像头(26)和第八摄像头(27)并排设置在摄像头固定空间内的T型导轨上。
5.根据权利要求1所述的一种多目视觉装置，其特征在于，左视觉系统包括第五摄像头(22)、第六摄像头(24)以及第二红外摄像头(23)；左视觉系统与右视觉系统相同，左视觉系统与右视觉系统的摄像头朝向相反；第五摄像头(22)、第六摄像头(24)以及第二红外摄像头(23)并排设置在摄像头固定空间内的T型导轨上。
6.根据权利要求1所述的一种多目视觉装置，其特征在于，减震系统(43)包括第四支撑板(37)和减震器组；第四支撑板(37)设置在第三支撑板(15)的下方，第三支撑板(15)和第四支撑板(37)之间通过若干减震器组连接；减震器组的个数为三，三个减震器组成等边三角形设置在第四支撑板(37)上表面。
7.根据权利要求6所述的一种多目视觉装置，其特征在于，每个减震器组包括三个减震器，减震器包括下固定筒(35)、减震弹簧(34)、减震套筒(33)、螺母(32)、减震套筒轴(31)和上固定筒(30)；减震套筒(33)固定设置在下固定套筒(35)上，减震套筒轴(31)安装在减震套筒(33)内，减震套筒轴(31)一端固定在下固定套筒(35)上，另一端穿过上固定套筒(30)，超出上固定套筒(30)的减震套筒轴(31)上螺纹连接有螺母(32)；减震弹簧(34)的一端固定在下固定筒(35)的底部，另一端固定在上固定筒(30)上。
8.根据权利要求6所述的一种多目视觉装置，其特征在于，驱动系统(44)包括驱动电机(41)和第五支撑板(40)；驱动电机(41)的输出端固定设置在第五支撑板的几何中心；第五支撑板(40)固定设置在第四支撑板(37)的几何中心。
9.根据权利要求1所述的一种多目视觉装置，其特征在于，第一支撑板(13)上还设置有水平仪(28)。
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