CN110103237A - 基于视觉目标跟踪的跟随型伙伴机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视觉目标跟踪的跟随型伙伴机器人，包括自主跟随模块，采用计算机视觉的目标跟踪算法，利用摄像头对人的视觉功能进行模拟，获取目标或环境的信息；智能避障模块，采用超声波测距模块进行检测前方是否出现障碍物，当检测到障碍物时暂停跟踪，避障完成时继续跟踪目标；走失报警和自主重定位模块，通过蜂鸣器发出滴滴的报警声来提醒跟踪目标找回机器人，同时机器人会重定位跟踪目标，如果找到跟踪目标，报警声停止，重新跟随，反之继续报警。本发明的基于视觉目标跟踪的跟随型伙伴机器人拥有自主跟随、智能避障、走失报警和自主重定位的功能，为越来越多的人生活带来便利，提高步行出行的安全性，降低人身财产安全方面的损失。

Description

基于视觉目标跟踪的跟随型伙伴机器人

技术领域

本发明涉及机器人的技术领域，尤其涉及一种基于视觉目标跟踪的跟随型伙伴机器人。

背景技术

机器人是一种模仿人类或其他生物的行为思想、靠自身动力和控制策略来实现某些功能的一种给人类以帮助的机械装置，机器人学横跨人工智能、自动化、控制、机械、数学、计算机科学乃至心理学等多门学科，是当前工业和学术研究的热点问题之一。

当前，机器人学的研究目标是创造出以计算机为基础的结合各种技术的能给人类提供多种服务的机器人，主要分为基础理论研究赫尔应用工程研究两种不同的方向，其研究领域包括：传感器技术、控制系统及其控制算法、视频处理及视觉伺服控制、网络机器人技术、人机交互、机器学习、通讯技术及多机器人协调、足球机器人和机器人系统。

自主移动机器人是机器人技术的一个重要分支，是高度智能化的可以自主移动的机器人。自主移动机器人的重要发展方向是具有高度自感知、自规划和自组织能力，在无需人干预下自主应对环境变化，有目的地移动和完成任务。自主移动机器人已在多个领域有大量应用，改变着人们的生产生活方式，在可以预见的将来，将成为人类的不可或缺的助手，极大地提高人类生活质量。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种基于视觉目标跟踪的跟随型伙伴机器人，考虑到跟踪过程中会出现障碍物，利用了超声波测距模块构成机器人的避障模块，使机器人的性能更加完善。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种基于视觉目标跟踪的跟随型伙伴机器人，包括自主跟随模块，采用计算机视觉的目标跟踪算法，利用摄像头对人的视觉功能进行模拟，获取目标或者环境的信息；

智能避障模块，采用超声波测距模块进行检测前方是否出现障碍物，当检测到障碍物时暂停跟踪，避障完成时继续跟踪目标；

走失报警和自主重定位模块，用于通过蜂鸣器发出滴滴的报警声来提醒跟踪目标找回机器人，同时机器人会重定位跟踪目标，如果找到跟踪目标，则报警声停止，重新跟随，反之，继续报警。

作为上述技术方案的优选实施方式，本发明实施例提供的基于视觉目标跟踪的跟随型伙伴机器人进一步包括下列技术特征的部分或全部：

作为上述技术方案的改进，在本发明的一个实施例中，所述根据摄像头所采集的画面判断是否有行人的步骤包括：

S1、采用IO触发测距，给控制端输入至少10us的高电平信号；

S2、超声波测距模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；

S3、有信号返回，接收端输出高电平信号，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间；

S4、测试距离。

在本发明的一个实施例中，还包括与所述自主跟随模块、智能避障模块和走失报警和自主重定位模块连接的控制中心，所述控制中心包括型号为Cortex-A8处理器的单片机。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：本发明的基于视觉目标跟踪的跟随型伙伴机器人拥有自主跟随、智能避障、走失报警和自主重定位的功能，为越来越多的人生活带来便利。对主人摔倒的检测，若主人长时间保持摔倒状态，机器人可帮助主人呼救；在机器人跟踪过程中，发现主人人身安全及财产安全受到威胁时及时报警并呼救；当机器人发现主人处于异常行为中时，自动开始录像存证，或者主人有需要时进行录像；还可实现带路导航的等的功能。这些功能将面向步行出行的个人安全问题，对主人在步行出行中遇到的各种可能性问题进行及时、准确的辨别、提醒、报警和呼救，同时也可解决“扶老人”的社会问题，避免倒地无人扶现象的发生，让他人放心地帮扶，提高步行出行的安全性，降低人身财产安全方面的损失。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1是本发明的基于视觉目标跟踪的跟随型伙伴机器人的结构示意图；

图2是本发明的基于视觉目标跟踪的跟随型伙伴机器人的整体流程图；

图3是本发明的基于视觉目标跟踪的跟随型伙伴机器人的避障及运动的流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。

如图1-3所示，本发明的基于视觉目标跟踪的跟随型伙伴机器人包括自主跟随模块10、智能避障模块20和走失报警和自主重定位模块30，其中，自主跟随模块10采用计算机视觉的目标跟踪算法，利用摄像头对人的视觉功能进行模拟，获取目标或者环境的信息，对时空上下文(Spatio-Temporal Context)信息的利用，学习和检测目标的速度都比较快，从而快速锁定跟踪目标，与单片机进行通信，对人行走的方向进行判断，从而控制机器人行进的方向。在机器人行进过程中确保跟踪目标一直在跟踪框内。

智能避障模块20采用超声波测距模块进行检测前方是否出现障碍物，当检测到障碍物时暂停跟踪，避障完成时继续跟踪目标，保证在较大的可能性下机器人能在不丢失跟踪目标的情况下完成避障。在25cm-50cm内有障碍物则进行避障。

超声波是一种频率比较高的声音，指向性强，主要测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差以及超声波在空气中的传播速度计算出发射点到障碍物的实际距离。测距的公式表示为：L＝C×T，式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。已知超声波速度C＝344m/s(20℃室温)。超声波在传播过程中，传播速度会出现误差，其传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高，超声波的传播速度越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系，近似公式为：C＝C0+0.607×T℃，式中：C0为零度时的声波速度332m/s；T为实际温度(℃)。

超声波测距模块进行检测前方是否出现障碍物包括：

(1)采用IO触发测距，给控制端输入至少10us的高电平信号；

(2)超声波测距模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；

(3)有信号返回，接收端输出高电平信号，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间；

(4)测试距离＝(高电平时间*声速(340M/S))/2。

走失报警和自主重定位模块30用于通过蜂鸣器发出滴滴的报警声来提醒跟踪目标找回机器人，同时机器人会重定位跟踪目标，如果找到跟踪目标，则报警声停止，重新跟随，反之，继续报警。当机器人丢失跟踪目标时，首先进行目标的重定位，确定丢失后及时报警。

本发明还包括与所述自主跟随模块10、智能避障模块20、走失报警和自主重定位模块连接的控制中心40，控制中心40包括型号为Cortex-A8处理器的单片机。其中，Cortex-A8处理器配置了先进的超标量体系结构管线，能够同时执行多条指令，并且提供超过2.0DMIPS/MHz。处理器集成了一个可调尺寸的二级高速缓冲存储器，能够同高速的16K或者32K一级高速缓冲存储器一起工作，从而达到最快的读取速度和最大的吞吐量。Cortex-A8处理器使用了先进的分支预测技术，并且具有专用的NEON整型和浮点型管线进行媒体和信号处理。在使用小于4平方毫米的硅片及低功耗的65纳米工艺的情况下，Cortex-A8处理器的运行速度将高于600MHz(不包括NEON，追踪技术和二级高速缓冲存储器)。在高性能的90纳米和65纳米工艺下，Cortex-A8处理器运行速度最高可达到1GHz，从而满足高性能消费产品设计的需要。

本发明的基于视觉目标跟踪的跟随型伙伴机器人启动后，在320*240的屏幕中间取60*60的矩形框，在前5秒时将所要跟踪的目标对准在矩形框中，当红色矩形框外出现蓝色矩形框时，算法开始学习并获取目标的相关信息，在5秒后，屏幕的右上方出现计数数字时，开始跟踪目标。屏幕的右下方存在-1、0、1的数字变化，用来显示当前跟踪目标在屏幕中的位置，当显示为-1时，Cortex-A8处理器向单片机发送左转信号，让跟踪目标一直处于屏幕中间位置；当显示为0时，Cortex-A8处理器向单片机发送向前匀速前进信号；当显示为1时，Cortex-A8处理器向单片机发送右转信号。在跟踪过程中，机器人利用超声波测距来检测前方是否有障碍物，当机器人检测到前方25cm-50cm以内有障碍物时，单片机向Cortex-A8处理器发送高电平，则Cortex-A8处理器暂时关闭跟踪，蜂鸣器报警，机器人避障完成后，向Cortex-A8处理器发送低电平，找回跟踪目标后继续跟踪，蜂鸣器停止报警，避障的优先级大于机器人的跟踪。

上述实施例揭示的基于视觉目标跟踪的跟随型伙伴机器人拥有自主跟随、智能避障、走失报警和自主重定位的功能，为越来越多的人生活带来便利。对主人摔倒的检测，若主人长时间保持摔倒状态，机器人可帮助主人呼救；在机器人跟踪过程中，发现主人人身安全及财产安全受到威胁时及时报警并呼救；当机器人发现主人处于异常行为中时，自动开始录像存证，或者主人有需要时进行录像；还可实现带路导航的等的功能。这些功能将面向步行出行的个人安全问题，对主人在步行出行中遇到的各种可能性问题进行及时、准确的辨别、提醒、报警和呼救，同时也可解决“扶老人”的社会问题，避免倒地无人扶现象的发生，让他人放心地帮扶，提高步行出行的安全性，降低人身财产安全方面的损失。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.基于视觉目标跟踪的跟随型伙伴机器人，包括：

自主跟随模块，采用计算机视觉的目标跟踪算法，利用摄像头对人的视觉功能进行模拟，获取目标或者环境的信息；

智能避障模块，采用超声波测距模块进行检测前方是否出现障碍物，当检测到障碍物时暂停跟踪，避障完成时继续跟踪目标；

走失报警和自主重定位模块，用于通过蜂鸣器发出滴滴的报警声来提醒跟踪目标找回机器人，同时机器人会重定位跟踪目标，如果找到跟踪目标，则报警声停止，重新跟随，反之，继续报警。

2.如权利要求1所述的基于视觉目标跟踪的跟随型伙伴机器人，其特征在于：所述超声波测距模块进行检测前方是否出现障碍物包括：

S1、采用IO触发测距，给控制端输入至少10us的高电平信号；

S2、超声波测距模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；

S3、有信号返回，接收端输出高电平信号，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间；

S4、测试距离。

3.如权利要求1所述的基于视觉目标跟踪的跟随型伙伴机器人，其特征在于：还包括与所述自主跟随模块、智能避障模块和走失报警和自主重定位模块连接的控制中心，所述控制中心包括型号为Cortex-A8处理器的单片机。