一种基于视觉和超声波的导航控制系统技术方案

一种基于视觉和超声波的导航控制系统，包括履带式机器人本体，设置在机器人前方的超声波测距子系统和正上方的视觉子系统，以及位于机器人上方的运动控制子系统；超声波测距子系统包括超声波发射器和超声波接收器及信号处理电路，多个发射器之间以及多个接收器之间均等间距分布；视觉子系统包括CCD摄像机、模数转换电路和DSP图像处理器；运动控制子系统包括DSP运动控制器和相应的外围电路。视觉子系统和超声波测距子系统处理后的信息传输到嵌入在运动控制子系统中的模糊控制器，模糊控制器输出控制信息控制机器人运动。本系统的优点是，将视觉导航和超声波导航的优点相结合提高了导航精度，采用DSP高速处理器提高了实时性、可扩展性，运用模糊控制方法增强了抗干扰能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机器人导航与控制
，涉及一种基于视觉和超声波的履带式机器人导航控制系统。
技术介绍
导航技术是移动机器人实现智能化及完全自主的关键技术，而导航的精度和实时性仍然有待进一步提高。视觉导航具有信号探测范围宽、目标信息完整、灵敏度高等优势，是机器人导航的一个主要发展方向。在视觉导航方式中，应用最多的是采用在机器人上安装车载摄像机的基于局部视觉的导航方式。采用这种导航方式，控制设备和传感器装置都装载在机器人车体上，图像识别、路径规划等高层决策都由车载计算机完成，图像处理计算量大，所以实时性差是一个有待解决的问题。另外，当障碍物不在视野之内或光线很暗时，机器人的视觉导航活动受到限制；超声波导航具有结构简单，采集信息速率快，时间分辨率高等特点，同时超声波传感器不易受到天气条件、环境光照等外界环境条件的影响。目前超声波导航技术成熟，已被广泛应用到各种移动机器人的感知系统中。但是由于超声波传感器自身有缺陷，存在探测盲区，给充分获得机器人周边环境信息造成困难。不同的机器人导航传感器从不同方面反映机器人的导航状态，为了最大限度的综合利用这些传感器信息，避免单个传感器的工作盲区，很有必要建立适当的多传感器组合导航系统，从而使机器人适应复杂环境，提高导航的可靠性。
技术实现思路
为了克服一般的机器人导航控制系统实时性较低、导航精度不高、移动不灵活等不足，本专利技术提供一种基于视觉和超声波的导航控制系统。本专利技术的技术方案为一种基于视觉和超声波的导航控制系统，包括履带式机器人本体，设置在履带式机器人左前方、正前方、右前方的超声波测距子系统和正上方的的视觉子系统，以及位于履带式机器人上方的运动控制子系统。视觉子系统包括两个CXD摄像机和DSP图像处理器，两个CXD摄像机安装在履带式机器人的正上方，当履带式机器人行走时摄像机实时采集前方路况的视频信息，该视频信息经过模数转换电路发送给DSP图像处理器；DSP图像处理器中的图像处理算法对该数字视频信息进行处理，得到导航参数，再通过接口电路将得到的该导航参数传输到运动控制子系统。超声波测距子系统包括超声波发射器和超声波接收器及相应的电路，履带式机器人工作时三组超声波发射器连续发射超声波信号用来探测履带式机器人周围的障碍物，当障碍物有反射回来的回波信号时，超声波接收器接收该回波信号并产生距离信息传输到运动控制子系统。 运动控制子系统包括DSP运动控制器和外围电路，DSP运动控制器接收视觉子系统传输的导航参数以及超声波测距子系统传输的距离信息，并将这些信号加以融合。采用模糊控制方法，设计两个模糊控制子系统。其一是基于超声波传感器的模糊控制子系统，即根据超声波测距子系统传输的三组距离值为模糊输入量，将所述履带式机器人左右两个驱动轮的离合器在断开状态下的持续时间作为输出量设计一个模糊控制器，并将该控制器嵌入在运动控制子系统中。其二是基于视觉传感器的模糊控制子系统，即根据视觉子系统传输的导航参数作为模糊输入量，将所述履带式机器人左右两个驱动轮的离合器在断开状态下的持续时间作为输出量，并根据履带式机器人的位姿，设计一个模糊控制器，也将该控制器嵌入在运动控制子系统中。所设计的两个模糊控制器通过一个设定值来协调工作，当至少有一组超声波测距子系统获得的障碍区距离小于或等于该设定值时，进入基于超声波传感器的模糊控制子系统；否则，进入基于视觉传感器的模糊控制子系统。运动控制子系统根据履带式机器人的运动情况产生控制信号，由驱动电路对该控制信号进行处理，进而控制履带式机器人左、右驱动轮在下一周期的控制量，实现履带式机器人的转弯、直行和停止。本专利技术技术方案所提供的导航控制系统与现有技术相比较，其具备如下几点有益效果(I)本专利技术将视觉导航种超声波导航融合起来，综合两者的优势，具有导航精度高、可靠性好、适应能力强的特点；(2)视觉子系统种运动控制子系统均采用DSP高速处理器，能解决导航实时性不高的问题，还可利用该处理器丰富的接口进行相应功能的扩展，提高了扩展升级的灵活性；(3)运动控制子系统采用模糊控制，模糊规则库来自操作者和专家的经验，操作方便，而且提高了系统的鲁棒性、抗干扰性。附图说明图I是本专利技术实施例的总体结构框图；图2是本专利技术实施例的导航控制方法的流程图；图3是本专利技术实施例的视觉子系统中的履带式机器人与导航路径的位置关系示意图；图4是本专利技术实施例的基于视觉传感器的模糊控制子系统示意图；图5是本专利技术实施例的基于超声波传感器的模糊控制子系统示意图；图中I为视觉子系统，2为超声波测距子系统，3为运动控制子系统，4为世界坐标系，5为导航路径中心线，6为履带式机器人行驶的方向。具体实施例方式(I)本专利技术的工作原理为履带机器人开始工作后，视觉子系统和超声波测距子系统同时开始协调工作。履带式机器人在移动过程中，视觉子系统的CCD摄像机(安装在履带式机器人的正上方)实时采集机器人前方路况的视频信息，通过模数转换电路将该视频信息转换成数字信号，由视频接口传送给DSP图像处理器(采用TMS320DM642芯片)进行信息处理，得到导航参数，并将该视觉子系统得到的信息通过DSP (采用TMS320C2812芯片)运动控制器的UART串口传输到运动控制子系统中；同时超声波测距子系统也协同工作，超声波谐振频率发生电路、调理电路产生超声波信号并由超声波发射器发射，超声波回波接收处理电路对障碍物反射同来的超声波信号进行接收处理，由超声波接收器将超声波测距子系统得到的信号通过DSP运动控制器的数字输入接口传输到运动控制子系统。至此，分两路进行工作，超声波测距子系统和运动控制子系统为一路，这一路工作在至少有一组超声波检测的障碍物距离小于或等于设定值的情况下，由所设计的基于超声波传感器的模糊控制子系统得到左右驱动轮的离合器在断开状态下的持续时间信号，经相应的驱动电路处理后控制离合器断开，从而控制履带式机器人的移动状态；视觉子系统和运动控制子系统为另一路，当超声波检测的障碍物距离均大于设定值的情况下，由所设计的基于视觉传感器的模糊控制子系统得到左右驱动轮的离合器在断开状态下的时持续间信号，由该信号控制履带式机器人移动。(2)本专利技术构建的基于视觉传感器的模糊控制器，其输入量为导航参数航向偏角￥w和横向偏差P ,输出的控制量为转向控制U115横向偏差P位于Zw左侧为负，P位于Zw右侧为正；航向偏角Vw位于Zw左侧为负，Vw位于ZwS侧为正，范围是。将航向偏角的论域定义为7个等级{-3，-2，-1，0，1，2，3}，语言变量为7档{NB，匪，NS，0，PS, PM，PB}，量化因子经模糊控制参数寻优控制。横向偏差同样划分为7个等级，但不是均匀分配，量化等级为{_5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}，语言变量为 7 档{NB (-5)，NM(_2. 5)，NS(-1) ,0(0), PS(I)，PM(2. 5)，PB(5)} 0输出变量转向控制U1是对作业机的转向方向种程度的控制，由描述语言划分7档{LB，LM, LS, 0，RS, RM, RB}，LB、LM、LS均表示左转向，分别代表左转向保持I. 8s、I. 3s、0. 8s ;0表示保持当前行驶状态，不转向；RS、RM、RB均代表右转向，分别表示右转向保持0. 本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨福增，陈晨宗，徐新星，蒲应俊，孙立江，夏海生，苏磊，
申请(专利权)人：西北农林科技大学，
类型：发明
国别省市：