一种全向移动无杆牵引式可移动机器人自动感知系统及方法技术方案

本发明专利技术一种全向移动无杆牵引式可移动机器人自动感知系统及方法，所述自动感知系统应用于全向移动无杆牵引车上，该系统允许全向移动无杆牵引车在人工遥控或自动夹抱飞机过程中提供全向移动无杆牵引车与飞机起落架轮组之间的三维空间坐标及偏转角度位姿关系，包括：基于视觉测量的位姿解算模块、基于激光扫描的环境侦测模块、嵌入式上位控制器、嵌入式驱动控制器、抱轮系统、若干个伺服电机系统驱动的麦克纳姆轮、无线模块和遥控器。

【技术实现步骤摘要】
一种全向移动无杆牵引式可移动机器人自动感知系统及方法
本专利技术涉及机械工程、电子工程领域，更具体的，涉及一种全向移动无杆牵引式可移动机器人自动感知系统及方法。技术背景飞机在生产制造、维修及飞机在不工作关闭发送机时，飞机的移动均需要专用的牵引设备完成飞机不同位置的转移，随着牵引技术的发展，形成了有杆牵引车和无杆牵引车两种，无杆牵引车相对于有杆牵引车在工作效率、灵活性、可靠性上有一定优势，逐渐成为未来的发展方向，但传统的无杆牵引车存在以下问题：1、严重依赖于操作人员的经验，目前传统牵引车主要采用人工驾驶的方式，在无杆牵引车与飞机轮组对接时操作人员无法直观的感受到牵引车与飞机起落架轮组的相对位置关系，对接、夹抱操作难度较大，耗时较高。2、智能化信息化程度低，传统牵引车在人工操作下可实现牵引、夹抱、释放等功能，缺乏自主决策机制及配套的测量、感知手段。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种可适用于全向移动无杆牵引车的自动感知系统及方法，该系统可使具有全向移动能力的电动全向移动无杆牵引车具有自动感知周围环境信息，自动获取全向移动无杆牵引车与飞机起落架轮组之间位姿关系，反馈补偿全向移动无杆牵引车行使路径，使全向移动无杆牵引车自动行驶至与飞机起落架轮组对准位置，行使过程中可自动规避路径上的障碍物，同时针对普通无杆全向移动无杆牵引车该系统具有辅助预警及提示作用，可辅助提示操作人员驾驶普通全向移动无杆牵引车与飞机起落架对准过程中偏离位姿、及周围环境信息，该系统可极大提高整个对准过程程的效率和安全性。本专利技术的技术方案如下：一种全向移动无杆牵引式可移动机器人自动感知系统，所述自动感知系统应用于全向移动无杆牵引车上，该系统允许全向移动无杆牵引车在人工遥控或自动夹抱飞机过程中提供全向移动无杆牵引车与飞机起落架轮组之间的三维空间坐标及偏转角度位姿关系，包括：基于视觉测量的位姿解算模块、基于激光扫描的环境侦测模块、嵌入式上位控制器、嵌入式驱动控制器、抱轮系统、若干个伺服电机系统驱动的麦克纳姆轮、无线模块和遥控器；当人工操作遥控器发送行走或自动夹抱指令信息后，嵌入式上位控制器通过接收该指令信息并将行走指令通过串口RS232发送至嵌入式驱动控制器，通过CAN总线将夹抱指令发送至抱轮系统；嵌入式驱动控制器根据行走指令解析全向移动无杆牵引车各个麦克纳姆轮驱动伺服电机的转速和方向，通过总线方式发送至各个伺服电机系统，实现遥控器对全向移动无杆牵引车的行走控制；当全向移动无杆牵引车向飞机起落架轮组运动过程中，基于视觉测量的位姿解算模块实时获取飞机起落架轮组照片并解析空间坐标及偏转角度位姿信息，并将该信息通过CAN总线发送至嵌入式上位控制器，当嵌入式上位控制器根据位姿信息判断满足设定的位姿关系时通过无线模块向遥控器反馈全向移动无杆牵引车与飞机起落架轮组已对准的状态，抱轮系统收到夹抱指令后控制抱轮机构实现对飞机起落架轮组的夹抱动作，完成全向移动无杆牵引车与飞机起落架轮组的夹抱，在该过程中，基于激光扫描的环境侦测模块通过激光扫描的方式获取全向移动无杆牵引车周围的环境信息，当全向移动无杆牵引车运动过程中检测到周围有障碍物时，通过IO信号向嵌入式上位控制器发送减速、停车指令，嵌入式上位控制器根据该信息自主决策向嵌入式驱动控制器和抱轮系统发送减速或停止指令，嵌入式驱动控制器和抱轮系统根据该指令控制相应电机或油缸减速或停止动作。所述全向移动无杆牵引车由电池或油电混合提供能源，由多个麦克纳姆轮驱动，通过多个麦克纳姆轮轮系的组合运动实现车体前进、后退、斜行、零半径原地回转。所述抱轮系统作为无杆牵引车的功能组成部分，由抱轮机构、液压系统和控制系统组成，当全向移动无杆牵引车与飞机起落架轮组对准后，控制系统获取夹抱指令后启动液压泵站，通过控制液压阀组开断驱动抱轮机构各个液压缸的伸缩，完成抱轮机构的夹抱和释放动作，抱轮机构将飞机起落架轮组夹抱、起升后，使飞机起落架轮组抬离地面，全向移动无杆牵引车可牵引飞机行驶至指定地点。所述基于视觉测量的位姿解算模块包括图像采集装置、激光测距模块、识别与解算控制器，及辅助光源；图像采集装置用于获取飞机起落架的轮组照片，并将图像传送至识别与解算控制器；激光测距模块安装于全向移动无杆牵引车抱轮机构处，且垂直照射飞机起落架轮组的轮毂，用于测量飞机起落架轮组与相机之间的距离，将测量得到的数据提供给识别与解算控制器，用于修正轮组与相机存在偏转角度时的图像畸变；识别与解算控制器作为基于视觉测量的位姿解算模块的核心处理器，接收图像信息和距离信息，并对图像进行补偿、滤波和特征提取，根据图像特征参数拟合出飞机轮组坐标，计算出飞机轮组与全向移动无杆牵引车之间的位姿信息并发送至嵌入式上位控制器；辅助光源用于在周围环境较暗时照射飞机轮组表面，增强轮组表面光反射强度，使被图像采集装置获取更优质的图像；所述对图像进行特征提取的方法如下：首先建立理想的背景模型，通过建立背景模型有效地从场景中提取感兴趣的运动目标，将采用基于混合高斯模型方法实现背景中飞机轮毂的提取。基于混合高斯模型方法的基本思想是将视频序列作为算法的输入，并根据视频帧实时更新背景模型，然后通过背景模型将最新一帧图像中的所有像素点分为背景点和前景点；一段视频图像中像素点的像素值的变化情况由K个高斯分布描述，一个新的像素点观察值被划分为背景点或者前景点，并成为背景模型的一个分量。所述采用基于混合高斯模型方法实现背景中飞机轮毂的提取的步骤包括参数初始化、参数更新、生成背景模型与前景检测三个部分，具体为：首先使用第一帧视频图像作为样本集对混合高斯模型的参数进行初始化，随着视频帧的改变，每一个新像素值需要与当前所有高斯分布进行匹配判断，并根据匹配结果对混合高斯模型的参数进行更新；通过设定的阈值将前所有高斯分布分为背景模型与前景模型两个部分，通过高斯分布进行匹配，判断该像素点属于背景点或者前景点，实现对飞机轮毂目标的提取；当飞机完整轮毂已进入视野，飞机起落架轮毂完整信息获取后，当飞机起落架轮毂相对于牵引车的偏转角度变化时，图像中轮毂的横轴和纵轴长度发生改变，根据改变比例并结合激光测距传感器测量的相机相对于飞机起落架轮毂的距离值，计算得到飞机起落架轮毂相对于牵引车偏转的角度和在相机视场中的三维坐标，通过将视场坐标转换为牵引车车体坐标，实时识别飞机轮毂中心点三维坐标及面夹角，即飞机轮毂位姿信息。所述激光扫描的环境侦测模块通过激光扫描的方式用于全向移动无杆牵引车周围360°范围内障碍物的监测，以及全向移动无杆牵引车与飞机起落架轮组对准过程中抱轮机构机械本体的防护，防止全向移动无杆牵引车移动过程中与周围设备、设施发生碰撞或未对准前飞机轮组与全向移动无杆牵引车抱轮机构本体发生磕碰；所述基于激光扫描的环境侦测模块可获取障碍物有无、据全向移动无杆牵引车的距离和角度信息，将该信息发送至嵌入式上位控制器。所述嵌入式上位控制器采用ARM作为主控芯片，通过CAN口及I/O口与基于视觉测量的位姿解算模块、基于激光扫描的环境侦测模块、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全向移动无杆牵引式可移动机器人自动感知系统，所述自动感知系统应用于全向移动无杆牵引车上，该系统允许全向移动无杆牵引车在人工遥控或自动夹抱飞机过程中提供全向移动无杆牵引车与飞机起落架轮组之间的三维空间坐标及偏转角度位姿关系，其特征在于包括：基于视觉测量的位姿解算模块、基于激光扫描的环境侦测模块、嵌入式上位控制器、嵌入式驱动控制器、抱轮系统、若干个伺服电机系统驱动的麦克纳姆轮、无线模块和遥控器；/n当人工操作遥控器发送行走或自动夹抱指令信息后，嵌入式上位控制器通过接收该指令信息并将行走指令通过串口RS232发送至嵌入式驱动控制器，通过CAN总线将夹抱指令发送至抱轮系统；嵌入式驱动控制器根据行走指令解析全向移动无杆牵引车各个麦克纳姆轮驱动伺服电机的转速和方向，通过总线方式发送至各个伺服电机系统，实现遥控器对全向移动无杆牵引车的行走控制；当全向移动无杆牵引车向飞机起落架轮组运动过程中，基于视觉测量的位姿解算模块实时获取飞机起落架轮组照片并解析空间坐标及偏转角度位姿信息，并将该信息通过CAN总线发送至嵌入式上位控制器，当嵌入式上位控制器根据位姿信息判断满足设定的位姿关系时通过无线模块向遥控器反馈全向移动无杆牵引车与飞机起落架轮组已对准的状态，抱轮系统收到夹抱指令后控制抱轮机构实现对飞机起落架轮组的夹抱动作，完成全向移动无杆牵引车与飞机起落架轮组的夹抱，在该过程中，基于激光扫描的环境侦测模块通过激光扫描的方式获取全向移动无杆牵引车周围的环境信息，当全向移动无杆牵引车运动过程中检测到周围有障碍物时，通过IO信号向嵌入式上位控制器发送减速、停车指令，嵌入式上位控制器根据该信息自主决策向嵌入式驱动控制器和抱轮系统发送减速或停止指令，嵌入式驱动控制器和抱轮系统根据该指令控制相应电机或油缸减速或停止动作。/n...

【技术特征摘要】
1.一种全向移动无杆牵引式可移动机器人自动感知系统，所述自动感知系统应用于全向移动无杆牵引车上，该系统允许全向移动无杆牵引车在人工遥控或自动夹抱飞机过程中提供全向移动无杆牵引车与飞机起落架轮组之间的三维空间坐标及偏转角度位姿关系，其特征在于包括：基于视觉测量的位姿解算模块、基于激光扫描的环境侦测模块、嵌入式上位控制器、嵌入式驱动控制器、抱轮系统、若干个伺服电机系统驱动的麦克纳姆轮、无线模块和遥控器；
当人工操作遥控器发送行走或自动夹抱指令信息后，嵌入式上位控制器通过接收该指令信息并将行走指令通过串口RS232发送至嵌入式驱动控制器，通过CAN总线将夹抱指令发送至抱轮系统；嵌入式驱动控制器根据行走指令解析全向移动无杆牵引车各个麦克纳姆轮驱动伺服电机的转速和方向，通过总线方式发送至各个伺服电机系统，实现遥控器对全向移动无杆牵引车的行走控制；当全向移动无杆牵引车向飞机起落架轮组运动过程中，基于视觉测量的位姿解算模块实时获取飞机起落架轮组照片并解析空间坐标及偏转角度位姿信息，并将该信息通过CAN总线发送至嵌入式上位控制器，当嵌入式上位控制器根据位姿信息判断满足设定的位姿关系时通过无线模块向遥控器反馈全向移动无杆牵引车与飞机起落架轮组已对准的状态，抱轮系统收到夹抱指令后控制抱轮机构实现对飞机起落架轮组的夹抱动作，完成全向移动无杆牵引车与飞机起落架轮组的夹抱，在该过程中，基于激光扫描的环境侦测模块通过激光扫描的方式获取全向移动无杆牵引车周围的环境信息，当全向移动无杆牵引车运动过程中检测到周围有障碍物时，通过IO信号向嵌入式上位控制器发送减速、停车指令，嵌入式上位控制器根据该信息自主决策向嵌入式驱动控制器和抱轮系统发送减速或停止指令，嵌入式驱动控制器和抱轮系统根据该指令控制相应电机或油缸减速或停止动作。


2.根据权利要求1所述的一种全向移动无杆牵引式可移动机器人自动感知系统，其特征在于：所述全向移动无杆牵引车由电池或油电混合提供能源，由多个麦克纳姆轮驱动，通过多个麦克纳姆轮轮系的组合运动实现车体前进、后退、斜行、零半径原地回转。


3.根据权利要求1所述的一种全向移动无杆牵引式可移动机器人自动感知系统，其特征在于：所述抱轮系统作为无杆牵引车的功能组成部分，由抱轮机构、液压系统和控制系统组成，当全向移动无杆牵引车与飞机起落架轮组对准后，控制系统获取夹抱指令后启动液压泵站，通过控制液压阀组开断驱动抱轮机构各个液压缸的伸缩，完成抱轮机构的夹抱和释放动作，抱轮机构将飞机起落架轮组夹抱、起升后，使飞机起落架轮组抬离地面，全向移动无杆牵引车可牵引飞机行驶至指定地点。


4.根据权利要求1所述的一种全向移动无杆牵引式可移动机器人自动感知系统，其特征在于：所述基于视觉测量的位姿解算模块包括图像采集装置、激光测距模块、识别与解算控制器，及辅助光源；
图像采集装置用于获取飞机起落架的轮组照片，并将图像传送至识别与解算控制器；激光测距模块安装于全向移动无杆牵引车抱轮机构处，且垂直照射飞机起落架轮组的轮毂，用于测量飞机起落架轮组与相机之间的距离，将测量得到的数据提供给识别与解算控制器，用于修正轮组与相机存在偏转角度时的图像畸变；识别与解算控制器作为基于视觉测量的位姿解算模块的核心处理器，接收图像信息和距离信息，并对图像进行补偿、滤波和特征提取，根据图像特征参数拟合出飞机轮组坐标，计算出飞机轮组与全向移动无杆牵引车之间的位姿信息并发送至嵌入式上位控制器；辅助光源用于在周围环境较暗时照射飞机轮组表面，增强轮组表面光反射强度，使被图像采集装置获取更优质的图像。


5.根据权利要求4所述的一种全向移动无杆牵引式可移动机器人自动感知系统，其特征在于：所述对图像进行特征提取的方法如下：首先建立理想的背景模型，通过建立背景模型有效地从场景中提取感兴趣的运动目标，将采用基于混合高斯模型方法实现背景中飞机轮毂的提取。


6.根据权利要求4所述的一种全向移动无杆牵引式可移动机器人自动感知系统，其特征在于：基于混合高斯模型方法的基本思想是将视频序列作为算法的输入，并根据视频帧实时更新背景模型，然后通过背景模型将最新一帧图像中的所有像素点分为背景点和前景点；一段视频图像中像素点的像素值的变化情况由K个高斯分布描述，一个新的像素点观察值被划分为背景点或者前景点，并成为背景模型的一个分量。


7.根据权利要求6所述的一种全向移动无杆牵引式可移动机器人自动感知系统，其特征在于：所述采用基于混合高斯模型方法实现背景中飞机轮毂的提取的步骤包括参数初始化、参数更新、生成背景模型与前景检测三个部分，具体为：首先使用第一帧视频图像作为样本集对混合高斯模型的参数进行初始化，随着视频帧的改变，每一个新像素值需要与当前所有高斯分布进行匹配判断，并根据匹配结果对混合高斯模型的参数进行更新；通过设定的阈值将前所有高斯分布分为背景模型与前景模型两个部分，通过高斯分布进行匹配，判断该像素点属于背景点或者前景点，实现对飞机轮毂目标的提取；当飞机完整轮毂已进入视野，飞机起落架轮毂完整信息获取后，当飞机起落架轮毂相对于牵引车的偏转角度变化时，图像中轮毂的横轴和纵轴长度发生改变，根据改变比例并结合激光测距传感器测量的相机相对于飞机起落架轮毂的距离值，计算得到飞机起落架轮毂相对于牵引车偏转的角度和在相机视场中的三...

【专利技术属性】
技术研发人员：张仰成，张加波，王国欣，于荣荣，张俊辉，董礼港，杨庆君，漆嘉林，
申请(专利权)人：北京卫星制造厂有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11