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一種用于全向移動(dòng)機(jī)器人的雙視覺循跡裝置和方法與流程

文檔序號(hào):11642679閱讀:217來源:國(guó)知局
一種用于全向移動(dòng)機(jī)器人的雙視覺循跡裝置和方法與流程

本發(fā)明屬于機(jī)器人循跡和路徑識(shí)別領(lǐng)域,具體來說,涉及一種用于全向移動(dòng)機(jī)器人的雙視覺循跡裝置和方法。



背景技術(shù):

在路徑已知的情況下,快速而準(zhǔn)確地進(jìn)行路徑跟蹤是移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用中的一個(gè)非常重要的問題。路徑跟蹤過程中經(jīng)常通過機(jī)器人視覺識(shí)別路徑,并提取路徑信息。然而,普通的單向視覺只能監(jiān)控機(jī)器人前端的路徑偏離情況,而不能檢測(cè)后端的情況,容易造成跟蹤精度的下降甚至發(fā)生碰撞事故。雙向視覺可以分別檢測(cè)機(jī)器人前、后兩端與參考路徑的偏差,可以對(duì)路徑高精度的跟蹤和使運(yùn)動(dòng)更加安全平穩(wěn)。

傳統(tǒng)上多采用單視覺傳感器,與普通的單向視覺相比,雙向視覺可以從前、后兩個(gè)角度觀察機(jī)器人與引導(dǎo)線的相對(duì)位姿,相當(dāng)于增加了汽車后視鏡的功能,因此路徑信息更加全面,反饋也更加準(zhǔn)確。尤其對(duì)于車體較長(zhǎng)的中型、大型機(jī)器人,從兩個(gè)位置觀測(cè)車體位姿尤其重要?!八ξ病爆F(xiàn)象是機(jī)器人前端在引導(dǎo)線上而后端偏離較遠(yuǎn)的情況,它會(huì)造成機(jī)器人跟蹤精度下降,甚至可能發(fā)生與障礙物或墻壁的碰撞。這種現(xiàn)象通過單向視覺無法辨別,只有采用雙向視覺從兩個(gè)位置觀察才能夠加以區(qū)分,進(jìn)而避免其發(fā)生。

機(jī)器人路徑跟蹤的首要任務(wù)是識(shí)別參考路徑,通過圖像傳感器進(jìn)行路徑識(shí)別具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、信號(hào)范圍寬、獲取信息完整等優(yōu)點(diǎn),因此在機(jī)器人路徑跟蹤中得到越來越廣泛的應(yīng)用。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

技術(shù)問題:本發(fā)明提供一種同時(shí)獲取前后路徑信息,實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)機(jī)器人雙視覺循跡的裝置,利用雙視覺裝置同時(shí)采集并獲取前后端路徑信息,調(diào)整全向移動(dòng)機(jī)器人車體使其前后端同時(shí)位于路徑線上,避免機(jī)器人前后某一端不在路徑范圍內(nèi)。本發(fā)明同時(shí)提供一種用于全向移動(dòng)機(jī)器人的雙視覺循跡裝置的循跡方法。

技術(shù)方案:本發(fā)明的用于全向移動(dòng)機(jī)器人的雙視覺循跡裝置,包括安裝在全向移動(dòng)機(jī)器人前端的前端視覺循跡系統(tǒng)、安裝在全向移動(dòng)機(jī)器人后端的后端視覺循跡系統(tǒng)、與所述前端視覺循跡系統(tǒng)、后端視覺循跡系統(tǒng)連接通訊的運(yùn)動(dòng)控制器,所述前端視覺循跡系統(tǒng)和后端視覺循跡系統(tǒng)均包括循跡相機(jī)、位于所述循跡相機(jī)上方的光源模塊、與所述循跡相機(jī)和光源模塊信號(hào)連接的圖像處理器,所述前端視覺循跡系統(tǒng)用以獲取機(jī)器人正前方的路徑信息并發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制器,后端視覺循跡系統(tǒng)用以獲取機(jī)器人正后方的路徑信息并發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制器,所述運(yùn)動(dòng)控制器用以根據(jù)前后路徑信息計(jì)算出機(jī)器人需要改變角度和位置,并調(diào)整機(jī)器人運(yùn)動(dòng),使機(jī)器人前后端都在路徑上。

進(jìn)一步,本發(fā)明裝置中,所述循跡相機(jī)用以獲取路徑圖像,所述光源模塊用以調(diào)整路徑的光照明暗,所述圖像處理器用以處理循跡相機(jī)的圖像并提取出路徑信息,控制光源模塊。

進(jìn)一步,本發(fā)明裝置中,所述前端視覺循跡系統(tǒng)和后端視覺循跡系統(tǒng)的圖像處理器分別根據(jù)循跡相機(jī)獲取路徑圖像的清晰度和亮度控制光源模塊改變光照亮度,使獲取圖像中的路徑清晰完整。

進(jìn)一步,本發(fā)明裝置中,所述運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)獲取的前端路徑和后端路徑的偏角和偏距信息,以及機(jī)器人前后端和路徑的角度和位置關(guān)系,計(jì)算出機(jī)器人需要改變角度和位置,計(jì)算并調(diào)整機(jī)器人各輪子的速度值,使機(jī)器人前后端后都保持在路徑上。

本發(fā)明的用于全向移動(dòng)機(jī)器人的雙視覺循跡裝置的循跡方法,包括以下步驟:

步驟10)前端視覺循跡系統(tǒng)和后端視覺循跡系統(tǒng)的循跡相機(jī)分別進(jìn)行圖像采集:獲取機(jī)器人車體前端和后端路徑圖像并發(fā)送給各自的圖像處理器;

步驟20)前端視覺循跡系統(tǒng)和后端視覺循跡系統(tǒng)中的圖像處理器分別對(duì)獲取的圖像進(jìn)行預(yù)處理,并根據(jù)圖像中路徑清晰度和明亮程度調(diào)節(jié)光源模塊,增強(qiáng)或減弱光照強(qiáng)度,所述預(yù)處理包括中值濾波、閥值分割和去除噪點(diǎn);

步驟30)前端視覺循跡系統(tǒng)和后端視覺循跡系統(tǒng)的圖像處理器對(duì)所采集圖像中的路徑處理和識(shí)別,獲取前端路徑和后端路徑的偏角和偏距信息并發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制器,所述偏角通過計(jì)算圖像中路徑與中心線的角度得到,所述偏距信息通過計(jì)算圖像中路徑中心點(diǎn)和中心線中點(diǎn)距離得到;

步驟40)運(yùn)動(dòng)控制器接收機(jī)器人前后路徑的偏角和偏距信息,根據(jù)機(jī)器人和路徑的相對(duì)位置計(jì)算車體需要改變角度和位置;

步驟50)運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)車體需要改變角度和位置,采用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和pid算法計(jì)算并調(diào)整機(jī)器人各輪子的速度。

進(jìn)一步,本發(fā)明方法中,所述步驟40)中,根據(jù)機(jī)器人和路徑的相對(duì)位置計(jì)算機(jī)器人應(yīng)改變的角度和位置分為以下四種情況:(1)前、后相機(jī)都在引導(dǎo)線上,機(jī)器人為理想位姿無需再進(jìn)行調(diào)整只要按預(yù)定速度運(yùn)動(dòng);(2)后相機(jī)位于引導(dǎo)線上、前相機(jī)偏離,根據(jù)前后幾何關(guān)系和前端路徑偏角和偏距計(jì)算出此時(shí)車體需要調(diào)整的角度和位置,使機(jī)器人前端向引導(dǎo)線靠攏的同時(shí)保持后相機(jī)中心與引導(dǎo)線的相對(duì)位置不變;(3)前相機(jī)位于引導(dǎo)線上、后相機(jī)偏離,根據(jù)前后幾何關(guān)系和后端路徑偏角和偏距計(jì)算出此時(shí)車體需要調(diào)整的角度和位置,使機(jī)器人后端向引導(dǎo)線靠攏同時(shí)保持前相機(jī)的相對(duì)位置不變;(4)前后相機(jī)都偏離引導(dǎo)線,機(jī)器人前后位置都需要調(diào)整,首先根據(jù)路徑前端路徑偏差和偏距計(jì)算此時(shí)機(jī)器人需要改變的角度和位置使前端相機(jī)位于引導(dǎo)線上,然后根據(jù)幾何關(guān)系和后端路徑偏差和偏距計(jì)算此時(shí)機(jī)器人需要改變的角度和位置使后端相機(jī)位于引導(dǎo)線上。

有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有以下優(yōu)點(diǎn):

本發(fā)明的技術(shù)方案可以對(duì)全向機(jī)器人前后兩端的路徑進(jìn)行采集和處理,采用雙向視覺識(shí)別系統(tǒng)分別檢測(cè)機(jī)器人前、后兩端與參考路徑的偏差,獲取更加完整的路徑信息,提高路徑循跡精度,為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航和避障提供更好的保障。

目前的單目循跡方式有:在普通差動(dòng)輪機(jī)器人的單目循跡只能讓車體沿路徑切線方向運(yùn)行,難以適應(yīng)復(fù)雜的曲線路徑;在全向移動(dòng)機(jī)器人的單目循跡方式中,由于全向移動(dòng)機(jī)器人可以沿任意方向運(yùn)動(dòng),單目循跡的方式不能完全限制全向機(jī)器人的循跡姿態(tài),在狹小的路徑情況下會(huì)出現(xiàn)車體某一端超出路徑的情況。

本發(fā)明的技術(shù)方案相比,通過機(jī)器人前后兩端的雙視覺循跡裝置獲取前后的路徑信息,通過處理前后路徑信息計(jì)算機(jī)器人需要改變的角度和位置,確保機(jī)器人前后端都不會(huì)超出路徑的范圍,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)路徑精準(zhǔn)的跟蹤。

附圖說明

圖1是本發(fā)明裝置的構(gòu)成圖。

圖2是本發(fā)明的循跡方法的流程圖。

圖3是本發(fā)明的雙視覺循跡示意圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例的組成圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和說明書附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

本發(fā)明的用于全向移動(dòng)機(jī)器人的雙視覺循跡裝置,包括安裝在全向移動(dòng)機(jī)器人前端的前端視覺循跡系統(tǒng)、安裝在全向移動(dòng)機(jī)器人后端的后端視覺循跡系統(tǒng)、與所述前端視覺循跡系統(tǒng)、后端視覺循跡系統(tǒng)連接通訊的運(yùn)動(dòng)控制器,所述前端視覺循跡系統(tǒng)和后端視覺循跡系統(tǒng)均包括循跡相機(jī)、位于所述循跡相機(jī)上方的光源模塊、與所述循跡相機(jī)和光源模塊信號(hào)連接的圖像處理器,所述前端視覺循跡系統(tǒng)用以獲取機(jī)器人正前方的路徑信息并發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制器,后端視覺循跡系統(tǒng)用以獲取機(jī)器人正后方的路徑信息并發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制器,所述運(yùn)動(dòng)控制器用以根據(jù)前后路徑信息計(jì)算出機(jī)器人需要改變角度和位置,并調(diào)整機(jī)器人運(yùn)動(dòng),使機(jī)器人前后端都在路徑上。其中循跡相機(jī)用以獲取路徑圖像,所述光源模塊用以調(diào)整路徑的光照明暗,所述圖像處理器用以處理循跡相機(jī)的圖像并提取出路徑信息,并控制光源模塊。前端視覺循跡系統(tǒng)和后端視覺循跡系統(tǒng)的圖像處理器分別根據(jù)循跡相機(jī)獲取路徑圖像的清晰度和亮度控制光源模塊改變光照亮度,使獲取圖像中的路徑清晰完整。

本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中,所述運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)獲取的前端路徑和后端路徑的偏角和偏距信息,以及機(jī)器人前后端和路徑的角度和位置關(guān)系,計(jì)算出機(jī)器人需要改變角度和位置,使機(jī)器人前后端后都保持在路徑上。

本發(fā)明的用于全向移動(dòng)機(jī)器人的雙視覺循跡裝置的循跡方法,包括以下步驟:

步驟10)前端視覺循跡系統(tǒng)和后端視覺循跡系統(tǒng)的循跡相機(jī)分別進(jìn)行圖像采集:獲取機(jī)器人車體前端和后端路徑圖像并發(fā)送給各自的圖像處理器;

步驟20)前端視覺循跡系統(tǒng)和后端視覺循跡系統(tǒng)中的圖像處理器分別對(duì)獲取的圖像進(jìn)行預(yù)處理,并根據(jù)圖像中路徑清晰度和明亮程度調(diào)節(jié)光源模塊,增強(qiáng)或減弱光照強(qiáng)度,所述預(yù)處理包括中值濾波、閥值分割和去除噪點(diǎn);

步驟30)前端視覺循跡系統(tǒng)和后端視覺循跡系統(tǒng)的圖像處理器對(duì)所采集圖像中的路徑處理和識(shí)別,獲取前端路徑和后端路徑的偏角和偏距信息并發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制器,所述偏角通過計(jì)算圖像中路徑與中心線的角度得到,所述偏距信息通過計(jì)算圖像中路徑中心點(diǎn)和中心線中點(diǎn)距離得到;

步驟40)運(yùn)動(dòng)控制器接收機(jī)器人前后路徑的偏角和偏距信息,根據(jù)機(jī)器人和路徑的相對(duì)位置計(jì)算車體需要改變角度和位置,使機(jī)器人前后端后都保持在路徑上。

步驟50)運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和pid算法計(jì)算出各輪子需調(diào)整的速度值,并控制機(jī)器人電機(jī)速度改變機(jī)器人姿態(tài)。

本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中,所述步驟40)中,根據(jù)機(jī)器人和路徑的相對(duì)位置計(jì)算機(jī)器人應(yīng)改變的角度和位置分為以下四種情況:(1)前、后相機(jī)都在引導(dǎo)線上,機(jī)器人為理想位姿無需再進(jìn)行調(diào)整只要按預(yù)定速度運(yùn)動(dòng);(2)后相機(jī)位于引導(dǎo)線上、前相機(jī)偏離,根據(jù)前后幾何關(guān)系和前端路徑偏角和偏距計(jì)算出此時(shí)車體需要調(diào)整的角度和位置,使機(jī)器人前端向引導(dǎo)線靠攏的同時(shí)保持后相機(jī)中心與引導(dǎo)線的相對(duì)位置不變;(3)前相機(jī)位于引導(dǎo)線上、后相機(jī)偏離,根據(jù)前后幾何關(guān)系和后端路徑偏角和偏距計(jì)算出此時(shí)車體需要調(diào)整的角度和位置,使機(jī)器人后端向引導(dǎo)線靠攏同時(shí)保持前相機(jī)的相對(duì)位置不變;(4)前后相機(jī)都偏離引導(dǎo)線,機(jī)器人前后位置都需要調(diào)整,首先根據(jù)路徑前端路徑偏差和偏距計(jì)算此時(shí)機(jī)器人需要改變的角度和位置使前端相機(jī)位于引導(dǎo)線上,然后根據(jù)幾何關(guān)系和后端路徑偏差和偏距計(jì)算此時(shí)機(jī)器人需要改變的角度和位置使后端相機(jī)位于引導(dǎo)線上。

具體實(shí)施例如下:

如圖4所示,本發(fā)明實(shí)施例為中型mecanum輪機(jī)器人車輪半徑為110mm,半車長(zhǎng)為363mm,半車寬為408mm。運(yùn)動(dòng)控制器為iei嵌入式單板機(jī)wafer-945gse2,視覺循跡系統(tǒng)循跡相機(jī)為usb工業(yè)相機(jī),圖像處理器為研華mio-2261n-s6a1e主板,兩個(gè)相機(jī)分別固定于機(jī)器人的前、后兩端。

機(jī)全向移動(dòng)器人雙視覺循跡方法具體流程為:

步驟10)電源接通后,各處理器和相機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài),usb相機(jī)1和usb相機(jī)2分別開始圖像采集,usb相機(jī)1獲取機(jī)器人車體前端路徑圖像,usb相機(jī)2獲取機(jī)器人車體后端路徑圖像,并通過usb接口把圖像發(fā)送給圖像處理器1和圖像處理器2。

步驟20)前端視覺循跡系統(tǒng)和后端視覺循跡系統(tǒng)的圖像處理器對(duì)圖像進(jìn)行處理,根據(jù)圖像中路徑清晰度和明亮程度調(diào)節(jié)光源模塊使路徑清晰。

步驟30)前端視覺循跡系統(tǒng)和后端視覺循跡系統(tǒng)的圖像處理器對(duì)所采集圖像中的路徑處理和識(shí)別,獲取前端路徑和后端路徑的偏角和偏距信息并發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制器。

步驟40)運(yùn)動(dòng)控制器接受機(jī)器人前后路徑的偏角和偏距信息,根據(jù)機(jī)器人和路徑的相對(duì)位置計(jì)算得到車體需要改變角度和位置,使機(jī)器人前后端后都保持在路徑上。步驟50)運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和pid算法計(jì)算出各輪子需調(diào)整的速度值,并控制機(jī)器人電機(jī)速度改變機(jī)器人姿態(tài)。

上述實(shí)施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式,應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,在不脫離本發(fā)明原理的前提下,還可以做出若干改進(jìn)和等同替換,這些對(duì)本發(fā)明權(quán)利要求進(jìn)行改進(jìn)和等同替換后的技術(shù)方案,均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。

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