一種基于圖像視覺的移動機器人路徑規劃方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于圖像視覺的移動機器人路徑規劃方法及裝置，包括鋁合金結構框架、二自由度圖像采集系統、環形圖像采集系統、通信系統、靜態障礙物和移動機器人。鋁合金結構框架由鋁合金型材、四向連接座、底座和鏈條張緊裝置組成；二自由度圖像采集系統設置在鋁合金結構框架上端，用以獲取移動機器人工作環境的不同視覺的全局圖像；環形圖像采集系統設置在鋁合金結構框架的立柱上，用以獲取具體靜態障礙物的高度等信息。本發明能夠獲取多角度工作環境的全局圖像以及障礙物高度等信息，利用數字圖像處理技術，對移動機器人的工作環境空間進行還原，依據得到的數字圖像信息對移動機器人的路徑進行規劃，以實現移動機器人的自主導航。
【專利說明】
一種基于圖像視覺的移動機器人路徑規劃方法及裝置
技術領域
[0001]本發明屬于機器人視覺技術，特別涉及一種基于圖像視覺的移動機器人路徑規劃
目.0
【背景技術】
[0002]自主導航是移動機器人領域中的關鍵技術。目前，移動機器人自主導航技術主要有電磁導航技術、磁帶導航技術、光學導航技術、激光導航技術、慣性導航技術和視覺導航技術等。電磁導航技術是較為傳統的導引技術，需要事先在工作區域鋪設導引線，安裝成本較低，引導穩定，可操作性強，能夠避免聲光等的干擾，但導引線路徑固定，不方便變更和擴展，在復雜路面、路徑條件下難于實現;磁帶導航技術的工作原理簡單，靈活性好，能夠方便的擴充或改變線路，但其容易受金屬物質干擾，可靠性能低;光學導航技術與電磁導航技術相似，路線設置簡單，靈活性較好，但其對環境要求較高，可靠性差，易被污染和磨損，同時定位精確度有待提高;激光導航技術的最大優勢是可靠性高，但導航設備昂貴，設備的安裝和更換較為復雜;慣性導航技術是一種不依賴于外部信息、不易受到干擾的自主式導航技術，不需要外部參照，適用于復雜的地理環境，抗干擾能力強，但是其控制性能和實時性較差;視覺導航技術是近些年新興的一個技術，主要分為結構化路徑導航和非結構化路徑導航，結構化路徑視覺導航已經發展到應用階段，相對于結構化路徑來說，視覺導航的最終發展研究目標是非結構化的、柔性化的路徑視覺導航，即不再需要預先鋪設路徑，只通過移動機器人所配置的“眼睛”一一單目、雙目、甚至多目攝像機，實現3D場景圖像的實時處理，使得移動機器人能夠識別整個工作環境的地形信息，根據工作環境進行路徑的柔性規劃，這種功能的實現需要復雜而優良的算法、高效而低耗的處理器來支撐，是移動機器人視覺導航研究的重點。
[0003]視覺導航技術要求移動機器人能夠獲取詳細的工作環境地形信息，根據給予的指令及環境信息規劃路徑，避開不可越障礙物，以最優路徑到達目標，路徑規劃是自主機器人智能化程度的重要標志。為了提高移動機器人視覺導航的效率和可靠性，需要對視覺圖像的獲取與處理、路徑規劃智能算法的優化、移動機器人與上位機的通信等相關技術的進行理論驗證。目前，軟件仿真是較為普遍的選擇，但是由于仿真環境太過理想化，仿真結果與實際應用還存在較大差距；同時，目前存在的相類似的實驗平臺，一般采用固定式的攝像頭，只能獲取單一角度的全局圖像，很難得到完整的、準確無誤的移動機器人作業環境圖像，并且無法獲取障礙物的高度等信息，致使將部分移動機器人完全可以越過的、小的障礙物與不可越的障礙物歸為一類，不僅增加了路徑規劃的難度，而且使得移動機器人行駛的路徑增加，花費更多的時間。

【發明內容】

[0004]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，提供一種基于圖像視覺的移動機器人路徑規劃裝置，用于獲取移動機器人復雜工作環境的詳細數字圖像，方便進行路徑規劃操作，實現移動機器人自主導航。
[0005]為了實現上述目的，本發明采用了如下的技術方案:
[0006]—種基于圖像視覺的移動機器人路徑規劃裝置，在移動機器人和其周圍的靜態障礙物所共同形成的區域的上方設置環形圖像采集系統和二自由度圖像采集系統;二自由度圖像采集系統的攝像頭在平行于移動機器人所在平面內邊移動邊對準所述區域從上至下進行攝像獲得全局圖像;環形圖像采集系統的攝像頭圍繞移動機器人和其周圍的靜態障礙物所共同形成的區域的外圍邊繞圈邊對所述區域從區域外向區域內進行攝像獲得側面圖像;環形圖像采集系統和二自由度圖像采集系統將采集到的圖像分別發送到上位機中，上位機利用OPENCV軟件對全局圖像進行障礙物識別和圖像配準處理，再將處理后的全局圖像與側面圖像進行整合獲得具有靜態障礙物高度信息的最終圖像，按照移動機器人能否越過為標準將得到最終圖像進行二值化處理，形成的“0-1”全局圖像的柵格圖，最后通過MATLAB軟件對移動機器人的路徑進行規劃并將規劃結果傳遞給移動機器人。
[0007]進一步的，在本發明中，在移動機器人和其周圍的靜態障礙物所共同形成的區域上方設置有長方體的框架結構，所述二自由度圖像采集系統設置在框架結構的頂端，且包括橫向驅動系統、縱向驅動系統和全局攝像系統；
[0008]所述橫向驅動系統設置在框架頂端的水平的一副對邊上，包括橫向驅動電機橫向驅動電機減速器、主動絲杠和從動絲杠，主動絲杠平行設置在其中一個邊上，從動絲杠與主動絲杠處于同一平面且相互平行地設置在另一個邊上，橫向驅動電機通過橫向驅動電機減速器與主動絲杠的一端相連接，主動絲杠的另一端通過絲杠底座固定在框架上，從動絲杠的兩端均通過絲杠底座固定在框架上，主動絲杠和從動絲杠上分別設置有主動鏈輪和從動鏈輪，主動鏈輪和從動鏈輪之間通過鏈條連接；
[0009 ] 所述縱向驅動系統包括縱向驅動電機減速器、縱向驅動電機、縱向驅動電機底座、絲杠和長圓桿，所述絲杠水平且與主動絲杠垂直設置，所述縱向驅動電機固定在縱向驅動電機底座上，所述縱向驅動電機底座與主動絲杠相配合，所述縱向驅動電機通過縱向驅動電機減速器與絲杠一端連接，絲杠的另一端與支架座相連接，所述支架座與從動絲杠相配合；
[0010]所述全局攝像系統包括全局攝像機、全局攝像機支架和全局攝像機底座，所述全局攝像機通過全局攝像機支架與全局攝像機底座相連接，全局攝像機底座與絲杠配合且全局攝像機底座上有圓形通孔，所述長圓桿穿過圓形通孔且一端連接到縱向驅動電機底座另一端連接到支架座。
[0011]進一步的，在本發明中，所述環形圖像采集系統包括環形軌道、環形攝像機、環形攝像機支架、環形攝像機底座和滑塊;所述環形軌道固定框架結構上且成水平擺放;所述環形軌道上設置有凹槽導軌，所述環形攝像機通過環形攝像機支架和環形攝像機底座相連接，所述環形攝像機底座進而通過滑塊與環形軌道上的凹槽導軌相配合。
[0012]進一步的，在本發明中，所述環形圖像采集系統和二自由度圖像采集系統所采集的圖像數據通過圖像數據采集卡傳輸給上位機，所述移動機器人內部設置有無線路由器，移動機器人通過無線路由器與上位機進行通信。
[0013]有益效果:
[0014]本發明提供的基于圖像視覺的移動機器人路徑規劃裝置，通過二自由度圖像采集系統獲取多角度的工作環境全局圖像，通過環形圖像采集系統獲取障礙物高度等信息，利用數字圖像處理技術進行障礙識別和圖像配準，從而得到復雜工作環境的詳細數字圖像，為研究復雜環境下移動機器人路徑規劃問題提供了非常有效的實驗平臺，有利于實現移動機器人自主導航。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明的整體結構示意圖；
[0016]圖2為本發明的局部結構示意圖；
[0017]圖3為移動機器人局部剖面示意圖；
[0018]圖4為全局攝像機底座結構不意圖。
[0019]圖中:1-鋁合金型材，2-四向連接座，3-絲杠底座，4-從動鏈輪，5-鏈條，6_從動絲杠，7-支架座，8-全局攝像機，9-全局攝像機支架，10-全局攝像機底座，11-長圓桿，12-絲杠，13-螺栓柱，14-雙頭螺母，15-縱向驅動電機減速器，16-縱向驅動電機，17-縱向驅動電機底座，18-扇形連接支架，19-底座，20-靜態障礙物，21-移動機器人，22-上位機，23-環形攝像機，24-橫向驅動電機底座，25-橫向驅動電機減速器，26-橫向驅動電機，27-主動絲杠，28-主動鏈輪，29-環形攝像機支架，30-環形攝像機底座，31-滑塊，32-凹槽導軌，33-方孔，34-緊固螺栓，35-無線路由器，36-雙目攝像機，37-紅外避障傳感器，38-螺紋孔，39-圓形通孔，40-圖像數據采集卡。
【具體實施方式】
:
[0020]下面結合附圖對本發明做更進一步的解釋。
[0021]如圖1所示，本發明的一種基于圖像視覺的移動機器人路徑規劃實驗裝置，包括鋁合金結構框架、二自由度圖像采集系統、環形圖像采集系統、通信系統、靜態障礙物20和移動機器人21;所述鋁合金結構框架包括鋁合金型材1、四向連接座2、底座19和鏈條張緊裝置，靜態障礙物20散落在鋁合金結構框架內；所述鏈條張緊裝置設置在鋁合金結構框架左右兩端，包括螺栓柱13和雙頭螺母14，通過轉動雙頭螺母14，保證鏈條5處于張緊狀態。
[0022]所述二自由度圖像采集系統設置在鋁合金結構框架上端，包括橫向驅動系統、縱向驅動系統和全局攝像系統;所述橫向驅動系統包括橫向驅動電機底座24、橫向驅動電機減速器25、橫向驅動電機26、主動絲杠27、主動鏈輪28、鏈條5、從動絲杠6、從動鏈輪4和絲杠底座3，橫向驅動電機減速器25與橫向驅動電機26相連接，設置在橫向驅動電機底座24上，橫向驅動電機底座24設置在鋁合金結構框架左側前方立柱上，主動絲杠27—端與橫向驅動電機減速器25的輸出軸相連接，一端連接絲杠底座3，該絲杠底座3設置在鋁合金結構框架右側前方立柱上，主動鏈輪28設置在主動絲杠27的前端，從動絲杠6兩端分別與兩個絲杠底座3連接，兩個絲杠底座3分別設置在鋁合金結構框架左右兩側后方的立柱上，從動鏈輪4設置在從動絲杠6的前端，鏈條5設置在主動鏈輪28和從動鏈輪4上。橫向驅動電機26工作，主動絲杠27和主動鏈輪28轉動，主動鏈輪28通過鏈條5帶動從動鏈輪4，進而帶動從動絲杠6同步轉動，從而實現支架座7和縱向驅動電機底座17的同步左右運動。
[0023]所述縱向驅動系統包括縱向驅動電機減速器15、縱向驅動電機16、縱向驅動電機底座17、支架座7、長圓桿11和絲杠12，縱向驅動電機16與縱向驅動電機減速器15相連接，設置在縱向驅動電機底座17上，縱向驅動電機底座17與主動絲杠27相連接，支架座7與從動絲杠6相連接，絲杠12—端與縱向驅動電機減速器15輸出軸相連接，一端與支架座7相連接，長圓桿11的兩端分別與縱向驅動電機底座17和支架座7相連接。
[0024]所述全局攝像系統包括全局攝像機8、全局攝像機支架9和全局攝像機底座10，全局攝像機8通過全局攝像機支架9，與全局攝像機底座10相連接，全局攝像機底座10上有螺紋孔38和圓形通孔39，分別與絲杠12和長圓桿11相配合。縱向驅動電機16工作，絲杠12轉動，實現全局攝像機底座10的前后運動，通過長圓桿11，防止全局攝像機底座10在工作過程中發生轉動，影響圖像采集的效果。
[0025]所述環形圖像采集系統包括扇形連接支架18、鋁合金型材1、環形攝像機23、環形攝像機支架29、環形攝像機底座30、滑塊31，扇形連接支架18上有方孔33，通過緊固螺栓34，將四個扇形連接支架18固定在鋁合金結構框架四個立柱的鋁合金型材I上，四個扇形連接支架18之間通過鋁合金型材I相連接，形成一個閉環，扇形連接支架18和鋁合金型材I上有凹槽導軌32，環形攝像機23通過環形攝像機支架24和環形攝像機底座30相連接，滑塊31與環形攝像機底座30相連接，環形攝像機底座30利用滑塊31在凹槽導軌32中滑動。根據靜態障礙物20的高度，可以人為的改變四個扇形連接支架18的高度位置，針對不同位置的靜態障礙物20，可以人為的推動環形攝像機底座30，調整環形攝像機23的位置，以獲取最佳的視角，得到更高質量的圖片數據。
[0026]所述通信系統包括上位機22、圖像數據采集卡40和無線路由器35，全局攝像機8和環形攝像機23所采集的圖像數據通過圖像數據采集卡40傳輸給上位機22，無線路由器35設置在移動機器人21內部，移動機器人21通過無線路由器35與上位機實現通信。
[0027]將本發明的基于圖像視覺的移動機器人路徑規劃裝置用于進行機器人路徑規劃實驗，在實驗過程中，利用二自由度圖像采集系統來獲取全局圖像，通過橫向驅動系統和縱向驅動系統，來調整全局攝像機8的位置，以獲取不同位置的全局圖像，通過OPENCV軟件，利用圖像處理技術，進行障礙物識別和圖像配準，得到信息相對較為完整的全局圖像，該全局圖像能夠體現出靜態障礙物20的輪廓形狀，但是不能體現出靜態障礙物20的高度等信息。對于一般機器人的路徑規劃，獲取作業環境的全局圖像信息，就可以進行路徑規劃，但對于有一定越障能力的機器人來說，一般的小的障礙沒有必要繞過，而是能夠直接越過。
[0028]進一步利用環形圖像采集系統采集作業環境中各個角度的側面圖像，進而能夠獲取靜態障礙物20的高度等信息。通過OPENCV軟件，利用數字圖像處理技術，將環形圖像采集系統得到的側面數字圖片信息，與全局圖像信息進行整合，得到最終圖像。最后將得到最終圖像進行二值化處理，對于移動機器人21能夠越過的靜態障礙物20及空白地，用O表示，對于移動機器人21無法越過的靜態障礙物20用I表示，得到最終的“0-1”全局圖像，即柵格圖。然后通過MATLAB軟件，利用智能算法，對移動機器人21的路徑進行規劃，最后將路徑規劃的結果傳遞給移動機器人21，從而實現移動機器人21的自主導航。由于在路徑規劃過程中，一般將移動機器人21理想化為一個質點，忽略了移動機器人21的形狀和體積，同時移動機器人21在行進過程中可能會出現新的動態障礙物，故在移動機器人21安裝有紅外避障傳感器37和雙目攝像機36，在突發情況下，對先前的路徑進行適當的修正，防止移動機器人21碰撞至IJ靜態障礙物20和可能出現的動態障礙物，快速順利的到達終點。
[0029]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種基于圖像視覺的移動機器人路徑規劃方法，其特征在于:在移動機器人(21)和其周圍的靜態障礙物(20)所共同形成的區域的上方設置環形圖像采集系統和二自由度圖像采集系統;二自由度圖像采集系統的攝像頭在平行于移動機器人(21)所在平面內邊移動邊對準所述區域從上至下進行攝像獲得全局圖像;環形圖像采集系統的攝像頭圍繞移動機器人(21)和其周圍的靜態障礙物(20)所共同形成的區域的外圍邊繞圈邊對所述區域從區域外向區域內進行攝像獲得側面圖像;環形圖像采集系統和二自由度圖像采集系統將采集到的圖像分別發送到上位機(22)中，上位機(22)利用OPENCV軟件對全局圖像進行障礙物識別和圖像配準處理，再將處理后的全局圖像與側面圖像進行整合獲得具有靜態障礙物高度信息的最終圖像，按照移動機器人(21)能否越過為標準將得到最終圖像進行二值化處理，形成的“0-1”全局圖像的柵格圖，最后通過MATLAB軟件對移動機器人(21)的路徑進行規劃并將規劃結果傳遞給移動機器人(21)。2.根據權利要求1所述的基于圖像視覺的移動機器人路徑規劃方法的裝置，其特征在于:在移動機器人(21)和其周圍的靜態障礙物(20)所共同形成的區域上方設置有長方體的框架結構，所述二自由度圖像采集系統設置在框架結構的頂端，且包括橫向驅動系統、縱向驅動系統和全局攝像系統； 所述橫向驅動系統設置在框架頂端的水平的一副對邊上，包括橫向驅動電機(26)、橫向驅動電機減速器(25)、主動絲杠(27)和從動絲杠(6)，主動絲杠(27)平行設置在其中一個邊上，從動絲杠(6)與主動絲杠(27)處于同一平面且相互平行地設置在另一個邊上，橫向驅動電機(26)通過橫向驅動電機減速器(25)與主動絲杠(27)的一端相連接，主動絲杠(27)的另一端通過絲杠底座(3)固定在框架上，從動絲杠(6)的兩端均通過絲杠底座(3)固定在框架上，主動絲杠(27)和從動絲杠(6)上分別設置有主動鏈輪(28)和從動鏈輪(4)，主動鏈輪(28)和從動鏈輪(4)之間通過鏈條(5)連接； 所述縱向驅動系統包括縱向驅動電機減速器(15)、縱向驅動電機(I6)、縱向驅動電機底座(17)、絲杠(12)和長圓桿(11)，所述絲杠(12)水平且與主動絲杠(6)垂直設置，所述縱向驅動電機(16)固定在縱向驅動電機底座(17)上，所述縱向驅動電機底座(17)與主動絲杠(27)相配合，縱向驅動電機(16)通過縱向驅動電機減速器(15)與絲杠(12) —端連接，絲杠(12)的另一端與支架座(7)相連接，所述支架座(7)與從動絲杠(6)相配合； 所述全局攝像系統包括全局攝像機(8)、全局攝像機支架(9)和全局攝像機底座(10)，所述全局攝像機(8)通過全局攝像機支架(9)與全局攝像機底座(10)相連接，全局攝像機底座(10)與絲杠(12)配合且全局攝像機底座(10)上有圓形通孔(39)，所述長圓桿(11)穿過圓形通孔(39)且一端連接到縱向驅動電機底座(17)另一端連接到支架座(7)。3.根據權利要求2所述的一種基于圖像視覺的移動機器人路徑規劃方法的裝置，其特征在于:所述環形圖像采集系統包括環形軌道、環形攝像機(23)、環形攝像機支架(29)、環形攝像機底座(30)和滑塊(31);所述環形軌道固定在框架結構上且成水平擺放;所述環形軌道上設置有凹槽導軌(32)，所述環形攝像機(23)通過環形攝像機支架(24)和環形攝像機底座(30)相連接，所述環形攝像機底座(30)進而通過滑塊(31)與環形軌道上的凹槽導軌(32)相配合。4.根據權利要求1所述的一種基于圖像視覺的移動機器人路徑規劃方法的裝置，其特征在于:所述環形圖像采集系統和二自由度圖像采集系統所采集的圖像數據通過圖像數據采集卡(40)傳輸給上位機(22)，所述移動機器人(21)內部設置有無線路由器(35)，移動機器人(21)通過無線路由器(35)與上位機(22)進行通信。
【文檔編號】G05D1/02GK105955279SQ201610567780
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年7月18日
【發明人】朱華, 李鵬, 趙勇, 李猛鋼, 李雨潭
【申請人】中國礦業大學