CN209859002U - 一种室外行人跟随机器人控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种室外行人跟随机器人控制系统，包括两轮差分移动平台、机器人控制系统、电源系统和行人检测系统，两轮差分移动平台使机器人直走、后退、转向，二维激光雷达、D摄像头和超声波模块的结合设置，增大系统的检测范围，降低跟随丢失率，二维激光雷达、D摄像头和超声波模块的传感器组合和优化的算法处理，可有效减小传感器的检测盲区，提高跟随准确率，增强室外不同环境的适应性，通过卡尔曼滤波预测行人位置，采用PID控制机器人的速度和旋转角度，可以实现较小的跟随误差，使机器人的运动更加自然和平滑，采用强化学习的方法得到机器人的控制模型，该模型计算实时性强，在行人数量多，移动速度快的环境中，实现更加智能的避障。
Description
技术领域
本实用新型涉及机器人控制技术领域，具体为一种室外行人跟随机器人控制系统。
背景技术
21世纪以来，随着科技和经济的发展，各种室外服务机器人应运而生，如安防机器人，辅助作业机器人等，其中行人检测和跟随是机器人执行其他任务的前提，是实现机器人与使用者友好交互的关键环节。
当前各种行人跟随系统能在特定应用场景下发挥一定的作用，然而实际情况下行人和机器人的同时运动，跟随过程中受传感器检测范围有限、光照改变、目标人位姿变化、遮挡的影响，大部分系统的应用受到限制，在室外环境变化，目标人快速移动等情况下，准确率和稳定性较差。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种室外行人跟随机器人控制系统，具备室外环境变化，目标人快速移动等情况下，具有较高的准确率和稳定性的优点，可以解决现有技术中在室外环境变化，目标人快速移动等情况下，准确率和稳定性较差的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种室外行人跟随机器人控制系统，包括两轮差分移动平台、机器人控制系统、电源系统和行人检测系统，电源系统与两轮差分移动平台、机器人控制系统和行人检测系统电性连接，两轮差分移动平台包括移动平台、驱动轮、万向轮、电机驱动器、直流减速电机和器械安装台，移动平台采用白色哑光亚克力材料制成，移动平台的左右两侧均安装驱动轮，驱动轮的输出端与直流减速电机的输出端电性连接，直流减速电机上安装电机驱动器，直流减速电机和电机驱动器位于移动平台的内部，移动平台的底部安装万向轮，移动平台的顶部设有器械安装台，器械安装台上安装行人检测系统；
行人检测系统包括二维激光雷达、雷达安装架、3D摄像头、超声波模块和模块安装板，二维激光雷达安装在雷达安装架上，雷达安装架的底部与移动平台的上表面固定连接，雷达安装架的左右两侧各设有两组模块安装板，每组模块安装板上固定设有两组超声波模块，右侧两组模块安装板的背面安装三组3D摄像头，3D摄像头与二维激光雷达均与机器人控制系统电性连接；
机器人控制系统包括工业电脑、固态硬盘、Ubuntu系统和主控制板，工业电脑采用全封闭防尘设计，工业电脑的内部安装固态硬盘和Ubuntu系统，工业电脑通过SMA接口与电源系统电性连接；
电源系统包括锂电池、保护电路、电源管理系统和高增益全向天线。
优选的，所述主控制板通过GP10接口与超声波模块电性连接，主控制板通过RS485接口电性连接电机驱动器。
优选的，所述工业电脑通过USB3.0接口与3D摄像头与二维激光雷达电性连接。
优选的，所述工业电脑通过RS485接口电性连接主控制板。
优选的，所述二维激光雷达的安装高度为0.5m，3D摄像头的安装高度为0.4m，3D摄像头的方向分别朝向机器人正前方±60°，且3D摄像头倾斜45°安装，超声波模块设有八组，八组超声波模块的安装高度约为0.4m，八组超声波模块分别安装在机器人的正前方±30°和±60°方向。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：
本室外行人跟随机器人控制系统，将移动平台通过两个驱动轮进行差速控制，能够使机器人直走、后退、转向，二维激光雷达、D摄像头和超声波模块的结合设置，增大系统的检测范围，降低跟随丢失率，通过二维激光雷达、D摄像头和超声波模块的传感器组合和优化的算法处理，可有效减小传感器的检测盲区，提高跟随准确率，增强室外不同环境的适应性，通过卡尔曼滤波预测行人位置，采用PID控制机器人的速度和旋转角度，可以实现较小的跟随误差，使机器人的运动更加自然和平滑，采用强化学习的方法得到机器人的控制模型，该模型计算实时性强，在行人数量多，移动速度快的环境中，能实现更加智能的避障。
附图说明
图1为本实用新型的系统组成示意图；
图2为本实用新型的两轮差分移动平台结构示意图；
图3为本实用新型的机器人控制系统示意图；
图4为本实用新型的电源系统示意图；
图5为本实用新型的具体实现过程示意图。
图中：1、两轮差分移动平台；11、移动平台；12、驱动轮；13、万向轮；14、电机驱动器；15、直流减速电机；16、器械安装台；2、机器人控制系统；21、工业电脑；22、固态硬盘；23、Ubuntu系统；24、主控制板；3、电源系统；31、锂电池；32、保护电路；33、电源管理系统；34、高增益全向天线；4、行人检测系统；41、二维激光雷达；42、雷达安装架；43、3D摄像头；44、超声波模块；45、模块安装板。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1-5，一种室外行人跟随机器人控制系统，包括两轮差分移动平台1、机器人控制系统2、电源系统3和行人检测系统4，电源系统3与两轮差分移动平台1、机器人控制系统2和行人检测系统4电性连接，两轮差分移动平台1包括移动平台11、驱动轮12、万向轮13、电机驱动器14、直流减速电机15和器械安装台16，移动平台11采用白色哑光亚克力材料制成，重量轻，美观大方，驱动轮12采用弹性橡胶轮，轮胎富有弹性、减震耐磨性好、抓地摩擦力大，直流减速电机15驱动，让移动平台11拥有充足动力快速越障，移动平台11的左右两侧均安装驱动轮12，驱动轮12的输出端与直流减速电机15的输出端电性连接，直流减速电机15上安装电机驱动器14，直流减速电机15和电机驱动器14位于移动平台11的内部，移动平台11通过两个驱动轮12进行差速控制，能够使机器人直走、后退、转向，控制简易、运动灵活、机动性能强，移动平台11的底部安装万向轮13，移动平台11的顶部设有器械安装台16，器械安装台16上安装行人检测系统4，行人检测系统4包括二维激光雷达41、雷达安装架42、3D摄像头43、超声波模块44和模块安装板45，二维激光雷达41安装在雷达安装架42上，二维激光雷达41扫描范围广，精度高，不易受环境干扰，雷达安装架42的底部与移动平台11的上表面固定连接，雷达安装架42的左右两侧各设有两组模块安装板45，每组模块安装板45上固定设有两组超声波模块44，超声波模块44的成本较低，可以测量行人到机器人的距离，右侧两组模块安装板45的背面安装三组3D摄像头43，3D摄像头43可同时获取彩色图像和点云信息，通过两种图像综合检测和匹配，可以准确检测到行人，二维激光雷达41、3D摄像头43和超声波模块44的结合设置，可以增大系统的检测范围，降低跟随丢失率，3D摄像头43与二维激光雷达41均与机器人控制系统2电性连接，机器人控制系统2包括工业电脑21、固态硬盘22、Ubuntu系统23和主控制板24，工业电脑21采用全封闭防尘设计，工业电脑21的内部安装固态硬盘22和Ubuntu系统23，工业电脑21通过SMA接口与电源系统3电性连接，电源系统3包括锂电池31、保护电路32、电源管理系统33和高增益全向天线34，保护电路32监测锂电池31电芯的电压和充放电回路的电流，并控制电流回路的通断，另一方面通过过流保护器，可防止电池在高温环境下发生燃烧或爆炸，高增益全向天线34可以增强无线传输的信号强度和扩大覆盖范围，主控制板24通过GP10接口与超声波模块44电性连接，主控制板24通过RS485接口电性连接电机驱动器14，主控制板24对超声波模块44的信息进行解算，得到机器人和行人的距离，并通过RS485接口传输给工业电脑21，工业电脑21对接收到的二维激光雷达41、3D摄像头43和超声波模块44数据进行综合处理和分析，运行行人检测和跟随算法，得到机器人控制指令，并下发给主控制板24，主控制板24对控制指令进行解析，得到电机速度控制指令，并转发给电机驱动器14，从而控制机器人移动和避障，工业电脑21通过USB3.0接口与3D摄像头43与二维激光雷达41电性连接，工业电脑21通过RS485接口电性连接主控制板24，二维激光雷达41的安装高度为0.5m，3D摄像头43的安装高度为0.4m，3D摄像头43的方向分别朝向机器人正前方±60°，且3D摄像头43倾斜45°安装，超声波模块44设有八组，八组超声波模块44的安装高度约为0.4m，八组超声波模块44分别安装在机器人的正前方±30°和±60°方向。
工作原理：移动平台11通过两个驱动轮12进行差速控制，能够使机器人直走、后退、转向，二维激光雷达41、3D摄像头43和超声波模块44的结合设置，增大系统的检测范围，降低跟随丢失率，主控制板24通过RS485接口电性连接电机驱动器14，主控制板24对超声波模块44的信息进行解算，得到机器人和行人的距离，并通过RS485接口传输给工业电脑21，工业电脑21对接收到的二维激光雷达41、3D摄像头43和超声波模块44数据进行综合处理和分析，运行行人检测和跟随算法，得到机器人控制指令，并下发给主控制板24，主控制板24对控制指令进行解析，得到电机速度控制指令，并转发给电机驱动器14，从而控制机器人的移动和避障。
综上所述：本室外行人跟随机器人控制系统，将移动平台11通过两个驱动轮12进行差速控制，能够使机器人直走、后退、转向，二维激光雷达41、3D摄像头43和超声波模块44的结合设置，增大系统的检测范围，降低跟随丢失率，通过二维激光雷达41、3D摄像头43和超声波模块44的传感器组合和优化的算法处理，可有效减小传感器的检测盲区，提高跟随准确率，增强室外不同环境的适应性，通过卡尔曼滤波预测行人位置，采用PID控制机器人的速度和旋转角度，可以实现较小的跟随误差，使机器人的运动更加自然和平滑，采用强化学习的方法得到机器人的控制模型，该模型计算实时性强，在行人数量多，移动速度快的环境中，能实现更加智能的避障。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种室外行人跟随机器人控制系统，包括两轮差分移动平台(1)、机器人控制系统(2)、电源系统(3)和行人检测系统(4)，电源系统(3)与两轮差分移动平台(1)、机器人控制系统(2)和行人检测系统(4)电性连接，其特征在于：所述两轮差分移动平台(1)包括移动平台(11)、驱动轮(12)、万向轮(13)、电机驱动器(14)、直流减速电机(15)和器械安装台(16)，移动平台(11)采用白色哑光亚克力材料制成，移动平台(11)的左右两侧均安装驱动轮(12)，驱动轮(12)的输出端与直流减速电机(15)的输出端电性连接，直流减速电机(15)上安装电机驱动器(14)，直流减速电机(15)和电机驱动器(14)位于移动平台(11)的内部，移动平台(11)的底部安装万向轮(13)，移动平台(11)的顶部设有器械安装台(16)，器械安装台(16)上安装行人检测系统(4)；
所述行人检测系统(4)包括二维激光雷达(41)、雷达安装架(42)、3D摄像头(43)、超声波模块(44)和模块安装板(45)，二维激光雷达(41)安装在雷达安装架(42)上，雷达安装架(42)的底部与移动平台(11)的上表面固定连接，雷达安装架(42)的左右两侧各设有两组模块安装板(45)，每组模块安装板(45)上固定设有两组超声波模块(44)，右侧两组模块安装板(45)的背面安装三组3D摄像头(43)，3D摄像头(43)与二维激光雷达(41)均与机器人控制系统(2)电性连接；
所述机器人控制系统(2)包括工业电脑(21)、固态硬盘(22)、Ubuntu系统(23)和主控制板(24)，工业电脑(21)采用全封闭防尘设计，工业电脑(21)的内部安装固态硬盘(22)和Ubuntu系统(23)，工业电脑(21)通过SMA接口与电源系统(3)电性连接；
所述电源系统(3)包括锂电池(31)、保护电路(32)、电源管理系统(33)和高增益全向天线(34)。
2.根据权利要求1所述的一种室外行人跟随机器人控制系统，其特征在于：所述主控制板(24)通过GP10接口与超声波模块(44)电性连接，主控制板(24)通过RS485接口电性连接电机驱动器(14)。
3.根据权利要求1所述的一种室外行人跟随机器人控制系统，其特征在于：所述工业电脑(21)通过USB3.0接口与3D摄像头(43)与二维激光雷达(41)电性连接。
4.根据权利要求1所述的一种室外行人跟随机器人控制系统，其特征在于：所述工业电脑(21)通过RS485接口电性连接主控制板(24)。
5.根据权利要求1所述的一种室外行人跟随机器人控制系统，其特征在于：所述二维激光雷达(41)的安装高度为0.5m，3D摄像头(43)的安装高度为0.4m，3D摄像头(43)的方向分别朝向机器人正前方±60°，且3D摄像头(43)倾斜45°安装，超声波模块(44)设有八组，八组超声波模块(44)的安装高度约为0.4m，八组超声波模块(44)分别安装在机器人的正前方±30°和±60°方向。
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