CN110006404A - 一种激光导引机器人系统及其导引方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光导引机器人系统及其导引方法，所述系统包括：激光发射器、机器人小车、第一视觉检测装置和第二视觉检测装置；所述激光发射器用于发射导引所需激光光束；所述机器人小车包括：驱动机器人小车左转或右转的驱动组件以及与所述驱动组件连接的控制单元；所述第一和第二视觉检测装置前后并列安装于机器人小车支架上，所述第一和第二视觉检测装置均与所述控制单元电连接，所述激光发射器发出的激光光束分别在第一与第二视觉检测装置上成像，所述第一和第二视觉检测装置检测激光光束的光斑的位置并发送至控制单元，所述控制单元实时计算机器人小车的姿态，并根据该姿态控制所述驱动组件驱动机器人小车转向，实现机器人小车姿态的调整。

Description

一种激光导引机器人系统及其导引方法

技术领域

本发明涉及自动化控制领域，尤其涉及一种能够沿着激光束直线行进的激光导引机器人系统及其导引方法。

背景技术

目前，随着自动化技术的进步，机器人在人们的生活中应用越来越广泛。在某些特定的场合，如建筑领域中，需要使机器人沿着一条直线前进，以进行某些精密和快速的测量任务。基于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光导引机器人系统及其导引方法，其利用激光发射器发射激光光束，对机器人小车进行导引，该机器人小车上安装有视觉检测装置及控制单元，其根据激光光束在所述视觉检测装置上的光斑，确定机器人小车的姿态，并通过调整作左驱动轮或右驱动轮的运行速度，对其前进姿态进行调整，使其在前进过程中能自动纠偏，始终沿着激光发射器所射出的激光光束方向前进，以完成某些特定的任务。

本发明的技术方案如下：本发明提供一种激光导引机器人系统，包括：激光发射器、机器人小车、第一视觉检测装置和第二视觉检测装置；所述激光发射器用于发射导引所需激光光束；所述机器人小车包括有：驱动机器人小车左转或右转的驱动组件以及与所述驱动组件连接的控制单元；所述第一和第二视觉检测装置前后并列安装于机器人小车支架上，所述第一和第二视觉检测装置均与所述控制单元电连接，所述激光发射器发出的激光光束分别在第一与第二视觉检测装置上成像，所述第一和第二视觉检测装置检测光束的光斑的位置并发送至控制单元，所述控制单元实时计算机器人小车的姿态，并根据该姿态通过所述驱动组件驱动机器人小车左转或右转，实现机器人小车姿态的调整。

进一步的，所述第一视觉检测装置包括：第一半透半反玻璃、第一投影膜和第一检测相机，所述第一半透半反玻璃与机器人小车底盘所成的夹角为40-50度，所述第一投影膜设置于所述第一半透半反玻璃上方，所述第一检测相机设置于所述第一投影膜上方；所述第二视觉检测装置包括：第二半透半反玻璃、第二投影膜和第二检测相机，所述第二半透半反玻璃与机器人小车底盘所成的夹角为40-50度，所述第二投影膜设置于所述第二半透半反玻璃上方，所述第二检测相机设置于所述第二投影膜上方。

进一步的，所述激光发射器还包括一安装支架，所述机器人小车上还包括有用于提供工作电源的电池或发电系统。

进一步的，所述驱动组件包括：安装于所述机器人小车上的左驱动轮和右驱动轮、以及控制所述左驱动轮和右驱动轮分别转动的驱动装置，所述驱动装置与所述控制单元电连接。

进一步的，所述左驱动轮为所述机器人小车的左前驱动轮，所述右驱动轮为所述机器人小车的右前驱动轮，所述机器人小车的左后轮和右后轮均采用万向轮。

本发明还提供一种激光导引机器人的导引方法，包括以下步骤：

步骤S1、将机器人小车放置于初始位置，开启激光发射器发出导引激光光束；

步骤S2、激光光束在机器人小车的第一视觉检测装置与第二视觉检测装置上分别成像，第一与第二视觉检测装置分别检测光束的光斑的位置并发送至控制单元；

步骤S3、所述控制单元实时计算机器人小车的姿态，并根据该姿态驱动机器人小车左转或右转，实现机器人小车姿态的调整，使机器人小车保持直线前进；

步骤S4、执行检测周期延时，重复步骤S2与步骤S3，实现机器人小车的自动导引，或者执行结束指令。

进一步的，所述步骤S2中第一与第二视觉检测装置检测激光光束的光斑的位置后，对光斑的位置进行预处理，所述预处理包括：剔除误识别结果和对正确结果进行平滑。

进一步的，步骤S2中所述第一与第二视觉检测装置分别检测光斑的位置，包括以下步骤：

步骤Q1、采用检测相机分别抓取投影膜上的光斑图像；

步骤Q2、对所述图像进行二值化分割；

步骤Q3、对二值化的图像进行开运算和闭运算；

步骤Q4、对所述图像进行BLOB分析，获取最大BLOB；

步骤Q5、根据比例关系将像素值换算成左右偏移量。

进一步的，所述步骤Q3还包括在开运算之后进行去除噪点；所述步骤Q4对所述图像进行BLOB分析并获取最大BLOB包括：获取光斑图像重心、面积和包围矩形。

进一步的，所述步骤S3中所述控制单元根据第一视觉检测装置和第二视觉检测装置中的光斑的位置计算出机器人小车的实时姿态，并根据该姿态下发驱动信号给驱动组件，从而驱动机器人小车左转或右转，实现机器人小车姿态的调整。

采用上述方案，本发明提供一种激光导引机器人系统及其导引方法，其利用激光发射器发射激光光束对机器人进行导引，该机器人安装有视觉检测装置及控制器，使其在前进过程中能自动纠偏，始终沿着激光发射器所发射的激光光束直线前进，以完成某些特定的任务。

附图说明

图1为本发明激光导引机器人系统的结构示意图。

图2为本发明机器人小车姿态变化造成的光斑偏移示意图。

图3-1为本发明中机器人小车车头右偏后车身姿态调整示意图。

图3-2为本发明中机器人小车车头左偏后车身姿态调整示意图。

图4为本发明中激光导引机器人导引方法流程图。

图5为本发明中激光光斑位置计算算法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

请参阅图1，本发明提供一种激光导引机器人系统，包括：激光发射器1、机器人小车2、第一视觉检测装置3和第二视觉检测装置4。所述激光发射器1还包括一安装支架，通过该安装支架可以使得激光发射器1与第一及第二视觉检测装置3、4保持在同一水平高度。所述激光发射器1用于发射导引导机器人小车2运行轨迹的激光光束。机器人小车2包括有驱动机器人小车左转或右转的驱动组件25以及与所述驱动组件连接的控制单元26。所述第一和第二视觉检测装置3、4前后并列安装于机器人小车支架上，均与所述控制单元26电连接。所述激光发射器1发出的激光光束分别在第一与第二视觉检测装置3、4上成像，所述第一和第二视觉检测装置3、4分别检测激光光束的光斑的位置，并发送至控制单元26，所述控制单元26实时计算机器人小车2的姿态，并根据该姿态通过所述驱动组件25驱动机器人小车2左转或右转，实现机器人小车2姿态的调整，从而使得机器人小车2一直沿激光光束方向保持直线运动。机器人小车2上还安装有用于提供工作电源的电池或发电系统(未标示)。

所述第一视觉检测装置3包括以下部件：第一半透半反玻璃31，其与机器人小车底盘23呈40-50度角，优选为45度角；第一投影膜32，其设置于第一半透半反玻璃31上方，与所述机器人小车支架24平面平行；第一检测相机33，安装于所述第一投影膜32的上方。相似的，第二视觉检测装置4包括以下部件：第二半透半反玻璃41，其与机器人小车底盘23呈40-50度角，优选为45度角；第二投影膜42，其设置于第二半透半反玻璃41上方，与所述机器人小车支架24平面平行；第二检测相机43，安装于所述第二投影膜42的上方。

如图2所示，激光束以水平方向射出，到达第一半透半反玻璃31后一部分激光被向上反射到所述第一投影膜32上，形成光斑P1，一部分继续前进，到达第二半透半反玻璃41，同样的，一部分又被向上反射至第二投影膜42上，形成一个光斑P2，一部分沿直线继续前进。所述第一检测相机33和第二检测相机43分别对两个光斑P1和P2进行检测，若光斑P1与第一投影膜32中心线的距离和光斑P2与第二投影膜42中心线的距离至少一个不为0，则说明机器人小车2的运动方向偏离激光光束方向，需要进行调整。如图2所示，为机器人小车2姿态变化造成的光斑偏移示意图，当小车前进方向与激光光束不重合且存在夹角时，即光斑P1与第一投影膜32中心线的距离和光斑P2与第二投影膜42中心线的距离至少一个不为0。为了能够纠正这个偏差，使机器人小车2不至于偏离激光光束，设计了驱动组件，其包括安装于所述机器人小车2上的左驱动轮和右驱动轮以及控制所述左驱动轮和右驱动轮21分别转动的驱动装置25，所述驱动装置25与所述控制单元26电连接，如图1所示，驱动轮统一标示为21，所述左驱动轮为所述机器人小车2的左前驱动轮，所述右驱动轮为所述机器人小车的右前驱动轮。所述机器人小车2的左后轮和右后轮，如图1所示，同一标示为22，均采用万向轮。机器人小车的左驱动轮和右驱动轮，其车轮转速可通过驱动装置25分开控制。正常情况下两驱动轮的左右轮转速相等，当需要左转时，驱动装置25驱动右驱动轮加速，当需要右转时，驱动装置25驱动左驱动轮加速。通过调整左右驱动轮的转速，最终实现小车姿态调整。对于所述机器人小车2的转向不限于通过驱动左右驱动轮的转速来实现，实际操作中也可采用其他转向机构来实现转向，不进行表述。所述机器人小车2的左后轮和右后轮22采用万向轮，使机器人小车2的运动方向改变更加灵活。本发明还涉及一种激光导引机器人的导引方法，用于控制上述的激光导引机器人，必要时进行姿态调整，以使其按照激光光束方向直线行驶，控制步骤包括：

步骤S1、将机器人小车2放置于初始位置，开启激光发射器1发出导引激光光束，使激光光束通过设置于机器人小车2上的两块半透半反玻璃31和41；

步骤S2、激光光束在机器人小车2的第一视觉检测装置3与第二视觉检测装置4上分别成像，即激光光束到达第一半透半反玻璃31后一部分激光被向上反射到所述第一投影膜32上，形成光斑P1，一部分继续前进，到达第二半透半反玻璃41，同样的，一部分又被向上反射至第二投影膜42上，形成一个光斑P2，一部分沿直线继续前进。第一检测相机33和第二检测相机43分别检测两个光斑P1和P2的位置并发送至控制单元26。此步骤中还包括第一视觉检测装置3和第二视觉检测装置4检测激光光束的光斑P1和P2的位置后，对光斑P1和P2的位置进行预处理，所述预处理包括：剔除误识别结果和对正确结果进行平滑。其中，剔除误识别结果方法，对图像进行阈值分割，然后对分割后的二值图像进行开闭运算，然后对结果图像进行blob分析，对于较小的BLOB值进行剔除(可能是干扰)，只保留最大的BLOB。对正确结果进行平滑：对获取的最大BLOB的坐标位置进行滑动平均滤波，该方法基于车体姿态变化是平稳并连续的，经过平滑后便可获得较为准确的BLOB位置坐标。另外，对光斑P1偏离中心位置的距离值m1(光斑P1偏离第一投影膜32中心线的距离)和m2(光斑P2偏离第二投影膜42中心线的距离)设置一个死区值，如图2所示，偏差小于该死区值时保持当前运动状态。控制策略上采用传统的PID反馈控制，通过设计适当的控制周期，实现小车的自动导引。此外，还要处理光斑P1或P2丢失的情况，在出现该情况时，小车紧急制动停止。

步骤S2中所述第一与第二视觉检测装置分别检测激光光束的光斑位置的计算算法如图5所示，具体为：

步骤Q1、采用检测相机分别抓取投影膜上的光斑图像，从所述第一检测相机33和第二检测相机43实时抓取图像；

步骤Q2、对所述图像进行二值化分割；

步骤Q3、对二值化的图像进行开运算和闭运算，可以在开运算后进行去除噪点，并在闭运算后合并临近的区域，以提高数据的精确度；

步骤Q4、对所述图像进行BLOB分析，获取最大BLOB，包括：获取光斑图像重心、面积和包围矩形。

步骤Q5、根据比例关系将像素值换算成左右偏移量，如可以根据事先标定的结果，将像素值换算成左右偏移量。控制单元26根据左右偏移量的大小，计算出左右驱动轮需加速的速度，左右偏移量的大小与加速的速率成正比，即偏移量越大，左右驱动轮需加速的速度越高，以使机器人小车2车身尽快回正，回到设定路线。从偏移量到左驱动轮和右驱动轮速度差的计算方法，可采用传统的PID控制策略，适当调整P、I、D参数的取值，使机器人小车能够平稳纠偏并不发生左右震荡晃动。

通过该步骤可以计算光斑的位置和偏差，还可以调整相机曝光时间和增益效果，从而提升拍照效果，提升检测的准确度。

步骤S3、所述控制单元26实时计算机器人小车2的姿态，并根据该姿态驱动机器人小车左转或右转，实现机器人小车姿态的调整，使机器人小车保持直线前进。下面以具体实施例的方式进行描述：控制单元26接收第一与第二视觉检测装置发送的光斑P1和P2位置，据此对小车的实时姿态进行判断，根据光斑P1和P2的连线与小车中心线的夹角位置判断小车姿态，如夹角在机器人小车的左侧，则说明小车车头右偏；如夹角在机器人小车的右侧，则说明小车车头左偏。根据步骤Q5所计算的偏移量来计算左驱动轮和右驱动轮驱动速率的大小，即根据该姿态数据调整左驱动轮和右驱动轮的转速，实现机器人小车姿态的调整，使机器人小车保持直线前进，具体为：如图3-1所示，为机器人小车2行驶右偏的情况：正常行驶中，机器人小车车体保持状态A，偏离先发生在车头B，如果不纠正这个偏差，偏差会继续扩大C，为了减小偏差，控制单元26下发驱动信号给驱动组件，驱动右驱动轮速度大于左驱动轮速度，偏差开始纠正D，再行驶一会，偏差减小到E，再经过一段时间，车头回到光束中心F，此时应反响纠正偏差，以使车身回正G。如图3-2所示，为机器人小车2行驶左偏的情况：正常行驶中，机器人小车车体保持状态A，偏离先发生在车头B，如果不纠正这个偏差，偏差会继续扩大C，为了减小偏差，控制单元26下发驱动信号给驱动组件，驱动左驱动轮速度大于右驱动轮速度，偏差开始纠正D，再行驶一会，偏差减小到E，再经过一段时间，车头回到光束中心F，此时应反响纠正偏差，以使车身回正G。

步骤S4、执行检测周期延时，如：每隔3秒钟重复步骤S2与步骤S3，实现机器人小车的自动导引，或者执行结束指令。

综上所述，本发明提供一种激光导引机器人系统，其利用激光发射器发射激光光束，对机器人小车进行导引，该机器人小车安装有视觉检测装置及控制单元，使其在前进过程中能实时接收纠偏信号，并通过调整左右驱动轮运行速度，对前进姿态进行纠偏，使其始终沿着激光器所射出的直线前进，以完成某些特定的任务。本发明还涉及一种激光导引机器人的导引方法，通过检测视觉检测装置上的激光光束成像位置，对机器人小车的运动姿态进行判断，并进而调整相应左右驱动轮的速度，使机器人小车运动自动纠偏，该方法还包括进行光斑位置计算的算法，其对获取的图像进行二值化分割，并进行开运算和闭运算，然后进行BLOB分析，获取最大BLOB，将像素值换算成左右偏移量，该算法结果精确，使机器人小车的运动纠偏快速有效。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光导引机器人系统，其特征在于，包括：激光发射器、机器人小车、第一视觉检测装置和第二视觉检测装置；所述激光发射器用于发射导引所需激光光束；所述机器人小车包括有驱动机器人小车左转或右转的驱动组件以及与所述驱动组件连接的控制单元；所述第一和第二视觉检测装置前后并列安装于机器人小车支架上，所述第一和第二视觉检测装置均与所述控制单元电连接，所述激光发射器发出的激光光束分别在第一与第二视觉检测装置上成像，所述第一和第二视觉检测装置检测激光光束的光斑的位置并发送至控制单元，所述控制单元实时计算机器人小车的姿态，并根据该姿态通过所述驱动组件驱动机器人小车左转或右转，实现机器人小车姿态的调整。

2.根据权利要求1所述的激光导引机器人系统，其特征在于，所述第一视觉检测装置包括：第一半透半反玻璃、第一投影膜和第一检测相机，所述第一半透半反玻璃与机器人小车底盘所成的夹角为40-50度，所述第一投影膜设置于所述第一半透半反玻璃上方，所述第一检测相机设置于所述第一投影膜上方；

所述第二视觉检测装置包括：第二半透半反玻璃、第二投影膜和第二检测相机，所述第二半透半反玻璃与机器人小车底盘所成的夹角为40-50度，所述第二投影膜设置于所述第二半透半反玻璃上方，所述第二检测相机设置于所述第二投影膜上方。

3.根据权利要求1所述的激光导引机器人系统，其特征在于，所述激光发射器还包括一安装支架，所述机器人小车上还包括有用于提供工作电源的电池或者发电系统。

4.根据权利要求1所述的激光导引机器人系统，其特征在于，所述驱动组件包括：安装于所述机器人小车上的左驱动轮和右驱动轮、以及控制所述左驱动轮和右驱动轮分别转动的驱动装置，所述驱动装置与所述控制单元电连接。

5.根据权利要求4所述的激光导引机器人系统，其特征在于，所述左驱动轮为所述机器人小车的左前驱动轮，所述右驱动轮为所述机器人小车的右前驱动轮，所述机器人小车的左后轮和右后轮均采用万向轮。

6.一种激光导引机器人的导引方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、将机器人小车放置于初始位置，开启激光发射器发出导引激光光束；

步骤S2、激光光束在机器人小车的第一视觉检测装置与第二视觉检测装置上分别成像，第一与第二视觉检测装置分别检测光束的光斑的位置并发送至控制单元；

步骤S3、所述控制单元实时计算机器人小车的姿态，并根据该姿态驱动机器人小车左转或右转，实现机器人小车姿态的调整，使机器人小车保持直线前进；

步骤S4、执行检测周期延时，重复步骤S2与步骤S3，实现机器人小车的自动导引，或者执行结束指令。

7.根据权利要求6所述的激光导引机器人的导引方法，其特征在于，所述步骤S2中第一与第二视觉检测装置分别检测激光光束的光斑的位置后，对光斑的位置进行预处理，所述预处理包括：剔除误识别结果和对正确结果进行平滑。

8.根据权利要求6所述的激光导引机器人的导引方法，其特征在于，步骤S2中所述第一与第二视觉检测装置分别检测光斑的位置，包括以下步骤：

步骤Q1、采用检测相机分别抓取投影膜上的光斑图像；

步骤Q2、对所述图像进行二值化分割；

步骤Q3、对二值化的图像进行开运算和闭运算；

步骤Q4、对所述图像进行BLOB分析，获取最大BLOB；

步骤Q5、根据比例关系将像素值换算成左右偏移量。

9.根据权利要求8所述的激光导引机器人的导引方法，其特征在于，所述步骤Q3还包括在开运算之后进行去除噪点；所述步骤Q4对所述图像进行BLOB分析并获取最大BLOB包括：获取光斑图像重心、面积和包围矩形。

10.根据权利要求6所述的激光导引机器人的导引方法，其特征在于，所述步骤S3中所述控制单元根据第一与第二视觉检测装置中的光斑的位置计算出机器人小车的实时姿态，并根据该姿态下发驱动信号给驱动组件，从而驱动机器人小车左转或右转，实现机器人小车姿态的调整。