專利名稱：基于圖像處理的導(dǎo)游機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于模式識別和自動(dòng)控制領(lǐng)域，涉及一種基于圖像處理的導(dǎo)游機(jī)器人。
背景技術(shù)：
在展覽廳、展覽館、博物館等場所，均采用解說員對展品進(jìn)行人工解說和介紹，在參 觀者較多或者解說員下班時(shí)間，往往不能給參觀者提供良好的服務(wù)。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型要解決技術(shù)問題提供一種基于圖像處理的導(dǎo)游機(jī)器人，能全天候的24小 時(shí)為參觀者提供優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)游服務(wù)。
本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
一種基于圖像處理的導(dǎo)游機(jī)器人，其特征在于，其底部設(shè)有驅(qū)動(dòng)輪和轉(zhuǎn)向輪，其頂部 設(shè)有云臺及攝像裝置，還設(shè)有語音播放器和中央控制器；中央控制器控制所述驅(qū)動(dòng)輪和轉(zhuǎn) 向輪的動(dòng)作，以及控制攝像裝置的開閉和云臺的動(dòng)作，攝像裝置獲取的圖像信息發(fā)送到中 央處理器，中央處理器連接所述的語音播放器。攝像裝置獲取周圍的圖像信息，中央處理 器感覺這些圖像信息可以確定導(dǎo)游機(jī)器人當(dāng)前所在的位置，再根據(jù)具體位置播放不同的介 紹內(nèi)容。
在該導(dǎo)游機(jī)器人的外周設(shè)有聲納傳感器，該聲納傳感器和中央處理器連接，實(shí)用聲納 傳感器以防導(dǎo)游機(jī)器人和障礙物發(fā)生碰撞。
該基于圖像處理的導(dǎo)游機(jī)器人還包括用于與外部設(shè)備通信的藍(lán)牙收發(fā)器，該藍(lán)牙接收 器連接中央處理器。由于采用了無線通信設(shè)備，方便對導(dǎo)游機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
該基于圖像處理的導(dǎo)游機(jī)器人還包括麥克風(fēng)和語音識別單元，語音識別單元的輸入端 連接麥克風(fēng)，語音識別單元的輸出端連接中央處理器。通過語音識別單元，可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)游 機(jī)器人和參觀者進(jìn)行簡單的對話。
該基于圖像處理的導(dǎo)游機(jī)器人還包括觸摸屏，該觸摸屏連接所述的中央處理器，采用 觸摸屏，為參觀者提供良好的人機(jī)界面。
本實(shí)用新型的有益效果有本實(shí)用新型的基于圖像處理的導(dǎo)游機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)在己知環(huán)境下，代替導(dǎo)游向游客進(jìn)行 解說，同時(shí)游客也可以通過語音識別系統(tǒng)與導(dǎo)游機(jī)器人進(jìn)行簡單的語言交流。此種導(dǎo)游機(jī) 器人可應(yīng)用于博物館、商店、機(jī)場等場合。導(dǎo)游機(jī)器人能通過遠(yuǎn)程控制和自主駕駛相結(jié)合 的方式，完成從迎賓到多個(gè)定點(diǎn)之間的導(dǎo)游任務(wù)。導(dǎo)游機(jī)器人能夠在客人到來時(shí)揮手致意 并致歡迎詞，然后帶領(lǐng)客人逐個(gè)參觀景點(diǎn)，在每個(gè)參觀景點(diǎn)前進(jìn)行講解并回答客人的簡單 問題。導(dǎo)游機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度與人的慢行速度相當(dāng)，能避免與客人或墻壁等相撞。 具體來說，該導(dǎo)游機(jī)器人具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、 自主行走-導(dǎo)游機(jī)器人由自身攜帶的蓄電池提供能源
2、 自主規(guī)劃路徑-導(dǎo)游機(jī)器人通過感知系統(tǒng)采集環(huán)境信息實(shí)現(xiàn)自主路徑規(guī)劃
3、 自動(dòng)避障-導(dǎo)游機(jī)器人在行進(jìn)中可探測并識別障礙物，并作出不同反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 躲避障礙物。
4、 語言識別-導(dǎo)游機(jī)器人在一定語言范圍內(nèi)可以與人自由對話
5、 語音合成-設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)控制語言講解系統(tǒng)，可以方便靈活地實(shí)現(xiàn)多國語言、任意 場景的講解。
6、 多媒體信息査詢-通過導(dǎo)游機(jī)器人身上配備的多媒體觸摸屏可方便的進(jìn)行信息查詢。
7、 遙控功能-可以通過遙控的方式供用戶進(jìn)行遠(yuǎn)距離(小于50米)的導(dǎo)游機(jī)器人控
制


圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例1中央處理器為核心的控制系統(tǒng)示意圖； 圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例1總體外部結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為由聲納傳感器組成的聲納環(huán)示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。 實(shí)施例1:
基于圖像處理的導(dǎo)游機(jī)器人(以下簡稱導(dǎo)游機(jī)器人)性能指標(biāo) *外觀圓柱型結(jié)構(gòu)，鋁合金材質(zhì)，整體空間較大
*運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)底盤直徑0.50m，輪距0.40m，輪徑15cm，高lm，自重50kg，
最大負(fù)重20kg
*最大線速度lm/s，最大角速度2.6rad/s，零回差
*電機(jī)類型直流無刷電機(jī) *電池鋰離子
*輪子結(jié)構(gòu)四輪結(jié)構(gòu)，兩驅(qū)動(dòng)輪，兩輔助轉(zhuǎn)向輪，呈菱形分布
*傳感器系統(tǒng)超聲波、紅外、接觸傳感器三組傳感器環(huán)依次呈上中下層，每層包
4括16個(gè)傳感器，覆蓋360度探測范圍，此外導(dǎo)游機(jī)器人上部裝有PTZ云臺攝像機(jī)。 * 導(dǎo)游機(jī)器人核心控制器5.25"pc， Pentium M, 256MRAM， 1XPCI插槽(2 Masters); 1XMiniPC， 3xRS-232， 4xUSB2.0
*控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)核心控制器與底層傳感、電機(jī)控制組成上位機(jī)-下位機(jī)結(jié)構(gòu)，之間通過
CAN總線通訊。
*無線通訊系統(tǒng)由藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和控制信息的傳輸
如圖1和圖2所示，導(dǎo)游機(jī)器人底層采用菱形四輪結(jié)構(gòu)，左右兩輪是驅(qū)動(dòng)輪，前后輪
是輔助轉(zhuǎn)向輪。驅(qū)動(dòng)輪采用直流無刷電機(jī)+行星輪減速器+驅(qū)動(dòng)器+增量型編碼器，輔助輪 采用直流伺服電機(jī)+驅(qū)動(dòng)器。由于導(dǎo)游機(jī)器人的運(yùn)行環(huán)境是室內(nèi)的平坦路面，因此在設(shè)計(jì) 時(shí)，導(dǎo)游機(jī)器人不用爬坡，所以電機(jī)的功率不至于太大。假定導(dǎo)游機(jī)器人的最大行駛速度
為v=lm/s，利用公式求單個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率Pt ^K，二ICMt^r ，(其中 Mt2Mf2+iMfl， Mf2表示地面對輪子的滾動(dòng)摩阻力偶，Mt表示驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力矩。)，
此式中K為安全系數(shù)，Mt表示摩擦力矩，v表示行駛線速度，r,表示驅(qū)動(dòng)輪的半徑，7為 齒輪減速器的傳動(dòng)效率。K=1.5， ；7=90%，所以P,185. 18w實(shí)現(xiàn)時(shí)，取電機(jī)的功率為190w，
額定電壓24v,電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速為2400rpm，齒輪減速器減速比18: 1，編碼器采用 500線。
電池安裝于導(dǎo)游機(jī)器人底部，電池模塊由兩組鋰離子電池組成，設(shè)計(jì)選擇24v， 30Ahr 的電池，它負(fù)責(zé)整個(gè)導(dǎo)游機(jī)器人系統(tǒng)供電，包括各個(gè)電路模塊電源，車載工控機(jī)電源，電 機(jī)電源等，而導(dǎo)游機(jī)器人的各電路模塊工作電源不同，有5v， 3.3v， 12v等等，因此需要 設(shè)計(jì)安裝電路轉(zhuǎn)換模塊，將24v電源轉(zhuǎn)換成5v， 3.3v， 12v。同時(shí)還設(shè)計(jì)有電池組過放、 過充保護(hù)和短路電流保護(hù)等功能。在此容量下，導(dǎo)游機(jī)器人能獨(dú)立連續(xù)工作3小時(shí)左右， 可以正常完成導(dǎo)游任務(wù)。對導(dǎo)游機(jī)器人充電時(shí)需要加配充電器。
接觸傳感環(huán)由16組接觸傳感器及16個(gè)驅(qū)動(dòng)電路和1個(gè)采集控制電路組成，采集控制 電路采用TI公司的TMS320LF2407A完成，內(nèi)部集成Ci\N總線控制器，DSP與車載工控機(jī)之 間通過CAN總線驅(qū)動(dòng)器連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，將DSP采集到的距離直接傳給工控機(jī)。
車載工控機(jī)(即中央處理器)，設(shè)計(jì)選擇5.25寸嵌入式工控機(jī)，與普通電腦相比，嵌
入式系統(tǒng)功耗低、可靠性高；功能強(qiáng)大、性價(jià)比高；實(shí)用性強(qiáng)，支持多任務(wù)；占用空間小，
效率高，能夠進(jìn)行各種接口通訊，數(shù)據(jù)邏輯運(yùn)算以及復(fù)雜的控制，和信息融合。為了提高
整個(gè)導(dǎo)游機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，將路徑規(guī)劃、控制策略及多傳感器信息融合等一系列復(fù)雜算法交由上位PC機(jī)完成，底層的信息獲取和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制采用分布式DSP 控制。由于導(dǎo)游機(jī)器人內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸使用CAN總線，因此在工控機(jī)中安裝有CAN總線適配 器。在此導(dǎo)游機(jī)器人結(jié)構(gòu)中，由于圖像信息數(shù)據(jù)豐富，因此沒有選則使用DSP進(jìn)行圖像采 集處理，而使用專用的圖像采集卡，所以工控機(jī)中還要安裝PCI接口的圖像采集卡。
超聲傳感環(huán)由16組超聲波換能器及16組驅(qū)動(dòng)電路和1個(gè)距離采集電路組成，此處使 用的超聲波換能器為Polaroid6500，驅(qū)動(dòng)電路使用Polaroid原裝的驅(qū)動(dòng)板，距離采集控 制電路使用TI公司的TMS320LF2407A，其結(jié)構(gòu)類似于接觸傳感環(huán)的結(jié)構(gòu)。
紅外傳感環(huán)由16組紅外傳感器及16組驅(qū)動(dòng)電路和1個(gè)信息采集電路組成，驅(qū)動(dòng)電路 自行設(shè)計(jì)，距離采集控制電路使用TI公司的TMS320LF2407A，其結(jié)構(gòu)類似于接觸傳感環(huán)的 結(jié)構(gòu)。
PTZ云臺攝像機(jī)，PTZ云臺攝像機(jī)裝于導(dǎo)游機(jī)器人頂部，采用Canon VC-C4 CCD攝像 機(jī)，該攝像機(jī)具有上下仰俯、水平旋轉(zhuǎn)和自動(dòng)變焦等功能，工控機(jī)通過RS232實(shí)現(xiàn)對攝像 機(jī)的控制通訊。導(dǎo)游機(jī)器人通過攝像機(jī)獲取的圖像信息，可以用于導(dǎo)游機(jī)器人定位和在路 徑規(guī)劃中對路標(biāo)信息的提取。
車載筆記本電腦，在導(dǎo)游機(jī)器人系統(tǒng)的頂部安裝有筆記本電腦， 一方面是為了給用戶 實(shí)現(xiàn)友好的圖像化界面，當(dāng)用戶要求了解景點(diǎn)，易于操作。再者配合喇叭和麥克風(fēng)實(shí)現(xiàn)很 好人機(jī)交互功能，也便于工作人員對導(dǎo)游機(jī)器人的操作。
由于單個(gè)聲納傳感器在環(huán)境識別中不易辨別物體的方位信息，為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，將
傳感器布置成環(huán)狀，圖3為聲納環(huán)的示意圖，包含從u0-ul5， 16個(gè)聲納傳感器，選擇的 polaroid6500系列傳感器探測范圍20cm-5m，波束角為30度，而我們在360度的聲納環(huán)上 安裝有16個(gè)傳感器，間隔為22.5度，因此從圖中可以看出相鄰兩個(gè)傳感器有重疊區(qū)， 假若同時(shí)點(diǎn)火，這樣就會給探測帶來干擾，影響傳感器對障礙物的正確檢測。所以為了避 免產(chǎn)生相鄰傳感器的干擾，我們采用分組點(diǎn)火。將序號為奇數(shù)的傳感器編為一組(同組聲 納之間相隔45度，不會產(chǎn)生波束干擾)，序號為偶數(shù)的傳感器編為一組，這樣在對障礙物 距離進(jìn)行探測時(shí)，我們在一個(gè)時(shí)刻只點(diǎn)火一組聲納傳感器，組與組之間采取輪循方式，不 但提高了采樣頻率，也滿足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。
語音處理模塊由麥克風(fēng)、喇叭(即語音播放器)、語音識別單元組成，獨(dú)立處理跟語 音相關(guān)的所有事務(wù)，負(fù)責(zé)處理收發(fā)裝置接收的語音信息，同時(shí)完成與車載核心控制器的通 訊。此模塊為車載核心控制器節(jié)省了大量的硬件資源，減輕了其處理任務(wù)，提高了系統(tǒng)響 應(yīng)外界信號的實(shí)時(shí)性。
權(quán)利要求1. 一種基于圖像處理的導(dǎo)游機(jī)器人，其特征在于，其底部設(shè)有驅(qū)動(dòng)輪和轉(zhuǎn)向輪，其頂部設(shè)有云臺及攝像裝置，還設(shè)有語音播放器和中央控制器；中央控制器控制所述驅(qū)動(dòng)輪和轉(zhuǎn)向輪的動(dòng)作，以及控制攝像裝置的開閉和云臺的動(dòng)作，攝像裝置獲取的圖像信息發(fā)送到中央處理器，中央處理器連接所述的語音播放器。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于圖像處理的導(dǎo)游機(jī)器人，其特征在于，在該導(dǎo)游機(jī)器人的外 周設(shè)有聲納傳感器，該聲納傳感器和中央處理器連接。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于圖像處理的導(dǎo)游機(jī)器人，其特征在于，還包括用于與外部設(shè) 備通信的藍(lán)牙收發(fā)器，該藍(lán)牙接收器連接中央處理器。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于圖像處理的導(dǎo)游機(jī)器人，其特征在于，還包括麥克風(fēng)和語音 識別單元，語音識別單元的輸入端連接麥克風(fēng)，語音識別單元的輸出端連接中央處理 器。
5. 如權(quán)利要求1~4任一項(xiàng)所述的基于圖像處理的導(dǎo)游機(jī)器人，其特征在于，還包括觸摸 屏，該觸摸屏連接所述的中央處理器。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于圖像處理的導(dǎo)游機(jī)器人，其特征在于，其底部設(shè)有驅(qū)動(dòng)輪和轉(zhuǎn)向輪，其頂部設(shè)有云臺及攝像裝置，還設(shè)有語音播放器和中央控制器；中央控制器控制所述驅(qū)動(dòng)輪和轉(zhuǎn)向輪的動(dòng)作，以及控制攝像裝置的開閉和云臺的動(dòng)作，攝像裝置獲取的圖像信息發(fā)送到中央處理器，中央處理器連接所述的語音播放器。該機(jī)器人還設(shè)置有藍(lán)牙模塊、聲納傳感器、多媒體觸摸屏以及語音識別單元，能全天候的24小時(shí)為參觀者提供自動(dòng)化的優(yōu)質(zhì)導(dǎo)游服務(wù)。
文檔編號G05B19/02GK201273999SQ200820054300
公開日2009年7月15日 申請日期2008年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月29日
發(fā)明者輝 張, 賀攀峰 申請人:湖南工程學(xué)院