專利名稱：視覺引導移動機器人的控制系統(tǒng)及其方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種視覺引導移動機器人的控制系統(tǒng)，尤其是機器人的轉向舵機的控制系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及一種相應的控制方法。
背景技術：
視覺引導移動機器人又叫智能車，也是一種典型的高新技術綜合體，具有重要的軍用及民用價值。智能車在野外、道路、現(xiàn)代物流業(yè)及柔性制造系統(tǒng)中都有廣泛的運用，該研究已成為人工智能領域的熱點。對于智能車系統(tǒng)來說，其自動控制算法是整個系統(tǒng)的核心，它直接決定了系統(tǒng)的性能。現(xiàn)有技術中，視覺引導移動機器人的轉向舵機控制采用PID控制算法，其本身是一種基于對“過去”、“現(xiàn)在”和“未來”信息進行估計的簡單控制算法，其流程圖參見圖1?，F(xiàn)有的PID控制系統(tǒng)主要由PID控制器和被控對象組成。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值y(t)構成控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱為PID控制器。其控制規(guī)律如下 (0 = Kp [,(0 + i H e(t)dt +其中，P = Kp, I = Tl, D = TD，而PID是比例、積分、微分的縮寫。比例調節(jié)(P)的作用是按比例反應系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調節(jié)立即產(chǎn)生調節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調節(jié)，減少誤差，但是過大的比例， 會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調節(jié)(I)的作用是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調節(jié)就進行，直至無差，一旦停止，積分調節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) Tl,TI越小，積分作用越強。反之TI大則積分作用弱，加入積分調節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降， 動態(tài)響應慢。微分調節(jié)(D)的作用是微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。在微分時間選擇合適的情況下，可以減少超調， 減少調節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應的是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。PID控制規(guī)律中，引入積分的目的是為了消除靜差，提高控制精度，但積分作用強了，又會產(chǎn)生過大的超調，引起系統(tǒng)振蕩，這是某些控制過程絕不允許的。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應的是變化率， 而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。因此，在現(xiàn)有技術中，存在積分引發(fā)的超調，使舵機系統(tǒng)發(fā)生振蕩的問題以及微分弓丨發(fā)的抗干擾能力下降的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種視覺引導移動機器人的控制系統(tǒng)以及一種相應的控制方法，尤其是機器人的轉向舵機的控制系統(tǒng)和控制方法，以消除上述缺陷。在本發(fā)明中，為了避免積分引發(fā)的超調而使舵機系統(tǒng)發(fā)生振蕩，因此只使用比例、 微分控制，而放棄了積分控制。不過這樣可能會導致誤差率上升，而且沿用了微分控制還會產(chǎn)生抗干擾能力下降的問題。為了克服上述問題，本發(fā)明的一個主要方面提供一種控制系統(tǒng)，用于視覺引導移動機器人的轉向舵機的控制，該系統(tǒng)包括接收表征道路信息的圖像的圖像接收模塊；從所接收的表征道路信息的圖像中提取路徑信息點的路徑信息點提取模塊；用于判斷路徑信息點的數(shù)目的判斷模塊，用于進行比例控制的比例控制模塊，以及用于進行微分控制的微分控制模塊；其中，如果路徑信息點的數(shù)目低于閾值，則所述系統(tǒng)保持轉向舵機原來的轉向和轉動程度；如果圖像中路徑信息點的總數(shù)目高于閾值，則對所接收到的圖像分若干處分別做比例控制，然后進行加權平均，其中每一處比例控制所需的路徑信息點的數(shù)目根據(jù)圖像上的路徑信息點的總數(shù)目而動態(tài)變化地選??；然后進行微分控制。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，圖像接收模塊是攝像頭，攝像頭安裝在視覺引導移動機器人上。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，路徑信息點提取模塊包括微分邊緣檢測子模塊和閾值比較檢測子模塊。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在比例控制模塊中，對所接收到的圖像分近、中、遠三處分別做比例控制，然后加權平均。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在比例控制模塊中，每一處比例控制所需的路徑信息點的數(shù)目隨圖像上的路徑信息點的總數(shù)目的增加而增加。本發(fā)明的另一個主要方面提供一種控制方法，用于視覺引導移動機器人的轉向舵機的控制，該方法包括接收表征道路信息的圖像；從所接收的表征道路信息的圖像中提取路徑信息點；如果路徑信息點的數(shù)目低于閾值，則保持轉向舵機原來的轉向和轉動程度； 如果圖像中路徑信息點的總數(shù)目高于閾值，則對所接收到的圖像分若干處分別做比例控制，然后進行加權平均，其中每一處比例控制所需的路徑信息點的數(shù)目根據(jù)圖像上的路徑信息點的總數(shù)目而動態(tài)變化地選取；進行微分控制。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，表征道路信息的圖像通過攝像頭采集。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，通過微分邊緣檢測和閾值比較檢測從所接收的表征道路信息的圖像中提取路徑信息點。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，對所接收到的圖像分近、中、遠三處分別做比例控制，然后加權平均。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，每一處比例控制所需的路徑信息點的數(shù)目隨圖像上的路徑信息點的總數(shù)目的增加而增加。應當認識到，本發(fā)明以上各方面中的特征可以在本發(fā)明的范圍內自由組合，而并不受其順序的限制——只要組合后的技術方案落在本發(fā)明的實質精神內。


為了更清楚地說明本發(fā)明中的技術方案，下面將對本發(fā)明的附圖作簡單地介紹， 其中圖1顯示了現(xiàn)有技術中PID控制算法的流程圖；圖2-5顯示了在本發(fā)明的一個實施例中如何根據(jù)圖像上的路徑信息點的總數(shù)目而動態(tài)變化地選取比例控制所需的路徑信息點的數(shù)目；圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的控制方法的流程圖。
具體實施例方式需要明白，以下的描述僅僅是示例性的，而非對本發(fā)明的限制性描述。在以下描述中會涉及到具體數(shù)字，然而也需要明白的是，這些數(shù)字也僅僅是示例性的，本領域技術人員可以參照本發(fā)明任意選取適當?shù)臄?shù)字。以下結合本發(fā)明的優(yōu)選實施例對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明。在本發(fā)明的一個實施例中，優(yōu)選地在視覺引導移動機器人頭部安裝有攝像頭，其可以是CCD攝像頭或者是CMOS攝像頭。在機器人行駛時，攝像頭根據(jù)行駛路線采集圖像，然后通過微分邊緣檢測模塊和閾值比較檢測模塊將實際道路情況轉化成機器人可識別的路徑信息，例如，找出每一行的黑線的左右邊界點，把中間點作為路徑，然后利用若干行相加， 取最黑點作為路徑信息點。在本發(fā)明的實施例中，為了避免積分引發(fā)的超調而使舵機系統(tǒng)發(fā)生振蕩，只使用比例、微分控制，而放棄了積分控制。不過放棄了積分控制可能會導致誤差率上升，而且其后沿用微分控制還會產(chǎn)生抗干擾能力下降的問題。為了克服放棄積分控制帶來的問題，S卩，為了降低系統(tǒng)的誤差率增強系統(tǒng)的抗干擾能力。本發(fā)明的一個實施例進行如下設計(1)為了降低誤差率，本發(fā)明的比例控制不是簡簡單單只對近處的圖像做一次，而是對接收到的圖像分優(yōu)選地近、中、遠三處分別做比例控制(P控制)，進行加權平均。這樣就能最為準確地描述接收到圖像的情況，因為如果只求近處的偏差，那么道路的彎曲程度就無法最為準確地描述，尤其是在近處彎曲度不大，但是到中間彎曲度突然增大的情況下。(2)為了增強系統(tǒng)的抗干擾能力，本發(fā)明在取參照點(即路徑信息點)的數(shù)目時隨著圖像上的總參照點點數(shù)動態(tài)變化的，使得所取參照點信息能夠比較準確地描述圖像的變化。具體而言(a)如果接收到的圖像上的總點數(shù)[count小于例如5，則此時可信度不夠，不足以判斷出舵機的轉向和轉動程度，因此保留原來的轉向和轉動程度；(b)如果接收到的圖像上的總點數(shù)[count為例如5 12，則近、中、遠各取例如 1個點，總共取三個點(如圖2所示)；(c)如果接收到的圖像上的總點數(shù)[count為例如13 20，則近、中、遠各取例如 3個點，并逐個求均值，總共取3*3 = 9個點(如圖3所示)。；(d)如果接收到的圖像上的總點數(shù)[count為例如21 30，則近、中、遠各取例如 5個點，并逐個求均值，總共取3*5 = 15個點(如圖4所示)；(e)如果接收到的圖像上的總點數(shù)[count大于例如30個點，則近、中、遠各取例如8個點，并逐個求均值，總共取3*8 = 24個點(如圖5所示)。對于(b)、(C)、(d)、(e)四種情況，分近、中、遠三處分別做比例控制，進行加權平均。接著，進行微分控制(D控制)。應該認識到，根據(jù)本發(fā)明的精神，也可以選取兩處或四處。五處甚至更多出進行比例控制，然后再進行加權平均。并且，每一處所需的參照點的個數(shù)可以是其他數(shù)字，而圖像上的總點數(shù)的閾值也可以設置成其它數(shù)字。以上根據(jù)優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明作了詳細的描述，不過需要理解的是，本發(fā)明的范圍并不局限于這些具體的實施方式，而是包括本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明的公開能夠做出的任何改動和變更。
權利要求
1.一種控制系統(tǒng)，用于視覺引導移動機器人的轉向舵機的控制，所述系統(tǒng)包括接收表征道路信息的圖像的圖像接收模塊；從所接收的表征道路信息的圖像中提取路徑信息點的路徑信息點提取模塊；用于判斷路徑信息點的數(shù)目的判斷模塊；用于進行比例控制的比例控制模塊，以及用于進行微分控制的微分控制模塊；其中，如果路徑信息點的數(shù)目低于閾值，則所述系統(tǒng)保持轉向舵機原來的轉向和轉動程度；如果圖像中路徑信息點的總數(shù)目高于閾值，則對所接收到的圖像分若干處分別做比例控制，進行加權平均，其中每一處比例控制所需的路徑信息點的數(shù)目根據(jù)圖像上的路徑信息點的總數(shù)目而動態(tài)變化地選取；然后進行微分控制。
2.根據(jù)權利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像接收模塊是攝像頭，所述攝像頭安裝在所述視覺引導移動機器人上。
3.根據(jù)權利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述路徑信息點提取模塊包括微分邊緣檢測子模塊和閾值比較檢測子模塊。
4.根據(jù)權利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，在所述比例控制模塊中，對所接收到的圖像分近、中、遠三處分別做比例控制，然后加權平均。
5.根據(jù)權利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，在所述比例控制模塊中，每一處比例控制所需的路徑信息點的數(shù)目隨圖像上的路徑信息點的總數(shù)目的增加而增加。
6.一種控制方法，用于視覺引導移動機器人的轉向舵機的控制，該方法包括接收表征道路信息的圖像；從所接收的表征道路信息的圖像中提取路徑信息點；如果路徑信息點的數(shù)目低于閾值，則保持轉向舵機原來的轉向和轉動程度；如果圖像中路徑信息點的總數(shù)目高于閾值，則對所接收到的圖像分若干處分別做比例控制，進行加權平均，其中每一處比例控制所需的路徑信息點的數(shù)目根據(jù)圖像上的路徑信息點的總數(shù)目而動態(tài)變化地選?。贿M行微分控制。
7.根據(jù)權利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述表征道路信息的圖像通過攝像頭采集，所述攝像頭安裝在所述視覺引導移動機器人上。
8.根據(jù)權利要求6所述的控制方法，其特征在于，通過微分邊緣檢測和閾值比較檢測從所接收的表征道路信息的圖像中提取所述路徑信息點。
9.根據(jù)權利要求6所述的控制方法，其特征在于，對所接收到的圖像分近、中、遠三處分別做所述比例控制，然后進行所述加權平均。
10.根據(jù)權利要求6所述的控制方法，其特征在于，每一處所述比例控制所需的路徑信息點的數(shù)目隨圖像上的路徑信息點的總數(shù)目的增加而增加。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種控制系統(tǒng)，用于視覺引導移動機器人的轉向舵機的控制。該系統(tǒng)包括接收表征道路信息的圖像的圖像接收模塊；從所接收的表征道路信息的圖像中提取路徑信息點的路徑信息點提取模塊；用于判斷路徑信息點的數(shù)目的判斷模塊，用于進行比例控制的比例控制模塊，以及用于進行微分控制的微分控制模塊。本發(fā)明還涉及相應的控制方法。本發(fā)明解決了舵機系統(tǒng)發(fā)生振蕩的問題，并增加了抗干擾能力。
文檔編號G05B13/04GK102393741SQ20111024655
公開日2012年3月28日 申請日期2011年8月25日 優(yōu)先權日2011年8月25日
發(fā)明者戴震 申請人:東南大學