基于视觉的组合导航机器人及导航方法技术

本发明专利技术涉及一种基于视觉的组合导航机器人及导航方法，该机器人包括四轮驱动小车，所述小车车体上安装彩色数码摄像机；车体的前端和后端各安装若干个超声波传感器，用于检测机器人周围障碍物距离信息；车体内部安装陀螺仪，用来检测机器人姿态信息；四个光电编码器分别安装在四套伺服驱动电机上，作为里程计使用；电机控制器；机器人车体控制系统计算机，用于保证图像处理和控制的实时性。本发明专利技术的导航方法以视觉导航为主的同时，融合了里程计、陀螺仪和超声波传感器的相关信息，实现组合导航，以最大程度上提高系统的可靠性与导航精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机器人自主导航的移动技术。
技术介绍
移动机器人自主导航有多种导航方式，主要有里程计、视觉导航、陀螺仪或者捷联惯导、超声波传感器导航、激光测距雷达导航等，虽然每种传感器都有导航的功能，但是单一传感器的导航总存在一些不足，如里程计和陀螺仪导航方式存在累积误差问题，视觉导航存在光线干扰导致可靠性降低等问题。激光测距雷达和超声波传感器虽然也能够导航，但是需要较多的参照物。针对以上问题，本专利技术采用了以视觉导航为主，同时融合光电编码器、超声波、陀螺仪等传感器的组合导航方式。采用I只彩色数码摄像机、4个光电编码器、16个超声波、·I只陀螺仪作为传感器，通过彩色数码摄像机拍摄的图像、光电编码器输出的脉冲增量、超声波测距数据和陀螺仪输出的数据，处理后以组合导航的方式指引机器人在已知环境下运动，达到各导航方式优势互补，提高机器人环境适应能力的目的。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种自主导航的移动机器人及其导航方法，该机器人具备人工遥控和自主导航功能，实现在已知环境中自主运动，可根据需要实现监视、运输、报警等功能。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种自主导航的移动机器人，包括四轮驱动小车，所述小车车体上安装彩色数码摄像机；车体的前端和后端各安装若干个超声波传感器，用于检测机器人周围障碍物距离信息；车体内部安装陀螺仪，用来检测机器人姿态信息；四个光电编码器分别安装在四套伺服驱动电机上，作为里程计使用；电机控制器；机器人车体控制系统计算机，用于保证图像处理和控制的实时性。进一步的，本专利技术的自主导航的移动机器人还包括机器人通讯系统，用于以无线通信方式与远程操作台通讯。能够在远程操作台的遥控下，按照遥控指令行走。本专利技术同时提出了该基于视觉的组合导航机器人的导航方法，其特征在于，包括以下步骤在所述机器人车体控制系统计算机内设置路径参数，所述路径参数包括机器人距离车道线距离、距离道路边缘的距离，机器人距离转弯标识的距离；机器人通过摄像机采集图像信息，寻找车道线，如果识别到车道线，则沿车道线行走；如果找不到车道线，则寻找道路边缘的植被分界线，如果识别到道路边缘的植被分界线，则沿着该道路边缘行走；如果识别到转弯标识，则进行转弯。所述机器人直线行驶时，通过摄像机检测出的车道线实时计算当前小车和车道线之间的第一横向位移和第一行驶角度偏差；实时用光电编码器和陀螺仪的计算当前小车和车道线之间的第二横向位移和第二行驶角度偏差；所述横向位移即为机器人中心与车道线或道路边缘的垂直距离，行驶角度偏差即为机器人当前行驶方向和欲行驶的规划路线之间的夹角；将每次获取的根据视觉计算出的小车和车道线之间的横向位移以及行驶角度偏差数据与用光电编码器和陀螺仪的计算当前小车和车道线之间的横向位移以及行驶角度偏差数据相比较；如果第一横向位移与第二横向位移的偏差大于第一位移偏差设定值，或者第一横向位移与第二横向位移的偏差大于第二位移偏差设定值并且第一行驶角度偏差与第二行驶角度偏差大于角度偏差设定值，则小车的直线行走采用光电编码器和陀螺仪计算的数据纠偏，否则采用根据视觉计算出的数据导航。所述机器人通过视觉检测人工设置标识得到机器人转弯信号，为防止机器人在未检测到标识的情况时会出现失控现象，所以同时将光电编码器获取的距离数据进行融合，在光电编码器数据超出设置数据时则认为机器人未检测到标识，机器人则按照光电编码器设置数据转弯，机器人转弯采用差动转向方法，差动转向过程中机器人会因为车轮滑动导·致转角存在一定偏差，为减少偏差，使用陀螺仪检测转角，对转角进行补偿，最大程度减少误差。在机器人直行或转弯时，所述超声波传感器实时采集障碍物信息，遇到障碍物则停车报警，保证机器人以及周围环境中的物品安全。本专利技术的机器人采用遥控和自主导航两种控制方法，即可以利用笔记本电脑作为操作台远程遥控机器人，也可以在设置好相关参数后启动机器人自主导航功能，机器人将沿预设路径自主移动。导航策略上机器人采用以视觉导航为主的方式，通过摄像机采集图像信息，寻找机器人行走所需的车道线，可形成车道线的环境有绿色植被与马路边缘的分界线、马路中间或者马路边缘车道线、人工设置车道线(如色带、油漆等)、人工设置转弯标识、斑马线等，在识别策略上针对不同的环境条件选取不同的算法，在有车道线的区域采取识别马路车道线的方式(马路中间黄线或白线)、在无车道线的区域采取识别马路边缘与路边植被分界线的方式，在无任何特殊特征的室内环境则采用人工方式设置车道线的方式，如人工铺设色带或者地面刷油漆等。机器人各转弯处则采用设置人工标识的方法，在机器人行走时观测到相关标识后估算标识在图像中的尺寸大小，决定转弯的位置。通过以上几种路况的区分，机器人在视觉导航时提前根据实际行走路线的环境情况进行各个路段设置与选择，机器人即可适应各种不同的环境。虽然机器人视觉导航能够实现基本的行走，但视觉导航过程中图像容易受到外界环境的干扰，影响行走的可靠性，所以导航系统在以视觉导航为主的同时，融合了里程计、陀螺仪和超声波传感器的相关信息，实现组合导航，以最大程度上提高系统的可靠性与导航精度。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术的技术方案作进一步具体说明。图I为本专利技术机器人结构组成示意图。图中彩色数码摄像机I、超声波传感器2、车轮3、电机减速器组合4、光电编码器5、陀螺仪6、无线网卡7、笔记本(作为操作台)8。图2为本专利技术机器人自主导航控制界面图。图3为本专利技术机器人自主导航控制流程图。图4为人工设置转弯标识图。图5为斑马线转弯标识图。图6为小车角度定义图。图7为小车角度偏差计算说明图。图8为正确路线上一点的坐标求解图。 图9为纠偏流程图。具体实施例方式如图I所示，本专利技术所涉及的机器人是一种可适应多种环境的自主导航机器人，它采用四轮驱动的小车结构，主要包括车体、彩色数码摄像机I、超声波传感器2、车轮3、电机减速器组合4、光电编码器5、陀螺仪6、无线网卡7、笔记本电脑(作为操作台)8以及运动控制器、工控机、图像采集卡、数据采集处理板、锂电池等。机器人为四轮驱动小车，每个车轮3配备一套电机减速器组合4，四套电机同时输出力矩，保证机器人具备足够的动力，增强运动性能，机器人转弯采用差动转弯方式。彩色数码摄像机I安装在机器人车体上方前端，通过彩色数码摄像机采集视频图像信息，并将图像信息通过数据采集卡传输给工控机，进行相应的图像处理工作。8个超声波传感器2分别安装在车体前端和后端，并呈扇形分布，以检测周围360°方向的障碍物信息，该信息传输给数据采集板进行处理，处理后信息传递给工控机处理，处理后的距离信息一方面可以用来避障，同时也可以作为绕过障碍物的局部导航所需数据信息。4个光电编码器5分别安装在4套电机减速器组合4的端部，作为里程计使用，其数据信息传输给数据采集板进行处理，处理后信息传递给工控机进行处理，用做组合导航。陀螺仪6安装于机器人车体内部，用来检测机器人姿态信息，陀螺仪检测数据传输给数据采集板，数据采集板将信息处理后传递给工控机用作导航使用，其主要功能是用来计算、校正机器人实际坐标，补偿由于车轮滑动而造成的误差等，同时用来比对视觉导航系统的纠偏和转弯算法，如二者差别较大，则优先使用陀螺仪数据，而将视觉检测结果识别为误检。电机控制器采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于视觉的组合导航机器人，其特征在于，包括：四轮驱动小车，所述小车车体上安装彩色数码摄像机；车体的前端和后端各安装若干个超声波传感器，用于检测机器人周围障碍物距离信息；车体内部安装陀螺仪，用来检测机器人姿态信息；四个光电编码器分别安装在四套伺服驱动电机上，作为里程计使用；电机控制器；机器人车体控制系统计算机，用于保证图像处理和控制的实时性。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：魏焕兵，杨玉枝，王勇刚，姚晓峰，
申请(专利权)人：湖北三江航天红峰控制有限公司，
类型：发明
国别省市：