一種基于視覺定位的群機(jī)器人控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)器人智能控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于視覺定位的群機(jī)器人控制系 統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人在社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)研究中得到了十分廣泛 的應(yīng)用。工業(yè)生產(chǎn)和軍事應(yīng)用也對(duì)機(jī)器人提出了更高的要求。傳統(tǒng)的單機(jī)器人在面對(duì)復(fù)雜 任務(wù)，動(dòng)態(tài)變化環(huán)境下的信息處理控制方面能力尤顯不足。因此，考慮用多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的單 一機(jī)器人組成群機(jī)器人系統(tǒng)，提升機(jī)器人在信息處理，協(xié)同作業(yè)方面的能力，并通過協(xié)同控 制來提升機(jī)器人運(yùn)行的效率，完成單個(gè)機(jī)器人無法或者難以完成的任務(wù)。
[0003] 群機(jī)器人控制需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問題，首先是群機(jī)器人在個(gè)體協(xié)助執(zhí)行整體任務(wù) 的過程中需要實(shí)時(shí)的獲取自身的位姿信息以及周圍一定范圍內(nèi)的機(jī)器人狀態(tài)信息，其次是 群體機(jī)器人在已知位姿信息的情況下通過控制器的協(xié)同控制策略完成控制任務(wù)的執(zhí)行。傳 統(tǒng)機(jī)器人定位主要是通過傳感器對(duì)周圍環(huán)境的感知，對(duì)多種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)去噪融合，并 通過算法解算出機(jī)器人的實(shí)時(shí)位姿。這種方法在群機(jī)器人控制中存在著實(shí)時(shí)性較差、魯棒 性弱、應(yīng)用難度大等缺點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)一種基于視覺定位的群機(jī)器控制系統(tǒng)有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中采用傳感器對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定位及 位姿判斷的實(shí)時(shí)性較差、準(zhǔn)確度不高且應(yīng)用難度較大的缺陷，提供一種通過視覺定位技術(shù) 對(duì)機(jī)器人的位姿信息進(jìn)行判斷，并控制群機(jī)器人協(xié)調(diào)工作的基于視覺定位的群機(jī)器人控制 系統(tǒng)及方法。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0006] 本發(fā)明提供一種基于視覺定位的群機(jī)器人控制系統(tǒng)，包括視頻采集定位單元、上 位機(jī)單元和群機(jī)器人單元；
[0007] 所述視頻采集定位單元，用于采集群機(jī)器人單元運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的圖像，根據(jù)該運(yùn)動(dòng) 范圍建立坐標(biāo)系，識(shí)別群機(jī)器人單元中每個(gè)機(jī)器人的位姿信息，包括機(jī)器人的坐標(biāo)信息和 姿態(tài)角信息，并通過網(wǎng)絡(luò)接口將該位姿信息發(fā)送給所述上位機(jī)單元；
[0008] 所述上位機(jī)單元，根據(jù)接收到的機(jī)器人的位姿信息，實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)器人當(dāng)前坐標(biāo)信 息與目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)的誤差，根據(jù)誤差生成修正機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的控制信息，并將該控制信息 通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給機(jī)器人；
[0009] 所述群機(jī)器人單元，由多個(gè)單體機(jī)器人組成，每個(gè)單體機(jī)器人接收并解析來自所 述上位機(jī)單元的控制信息，并調(diào)整行走策略，完成路徑軌跡的跟隨控制及群體調(diào)度任務(wù)。
[0010] 所述視頻采集定位單元包括：
[0011] 多個(gè)攝像頭；
[0012] 對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理的視頻采集卡；
[0013] 將處理后的圖像發(fā)送給上位機(jī)單元的網(wǎng)絡(luò)接口。
[0014] 所述上位機(jī)單元包括：
[0015] 存儲(chǔ)機(jī)器人位姿信息和路徑文件的數(shù)據(jù)庫(kù)；
[0016] 對(duì)機(jī)器人編隊(duì)信息、路徑信息進(jìn)行輸入，并顯示機(jī)器人移動(dòng)控制信息的人機(jī)交互 界面；
[0017] 對(duì)機(jī)器人行進(jìn)中的位姿信息進(jìn)行計(jì)算得到位姿誤差的位姿誤差算法模塊；
[0018] 向機(jī)器人發(fā)送控制信息的無線傳感網(wǎng)絡(luò)Sink節(jié)點(diǎn)。
[0019] 所述群機(jī)器人單元中的單體機(jī)器人包括：
[0020] 為機(jī)器人提供動(dòng)力的供電模塊；
[0021] 解析控制信息并控制機(jī)器人行進(jìn)的主控模塊；
[0022] 與所述上位機(jī)單元進(jìn)行通信的無線通訊模塊。
[0023] 所述主控模塊采用AVRAtmega32芯片。
[0024] 所述無線通訊模塊采用Zigbee的通訊方式。
[0025] 本發(fā)明提供一種基于視覺定位的群機(jī)器人控制方法，包括以下步驟：
[0026] S1、視頻采集定位單元采集群機(jī)器人單元的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的圖像，根據(jù)該運(yùn)動(dòng)范圍 建立坐標(biāo)系，識(shí)別群機(jī)器人單元中每個(gè)機(jī)器人的位姿信息，包括機(jī)器人的坐標(biāo)信息和姿態(tài) 角信息，并通過網(wǎng)絡(luò)接口將該位姿信息發(fā)送給上位機(jī)單元；
[0027]S2、上位機(jī)單元根據(jù)位姿誤差算法生成控制信息，具體步驟為：
[0028] S21、上位機(jī)單元讀取路徑文件，按照機(jī)器人編號(hào)將每個(gè)機(jī)器人的路徑軌跡存入鏈 表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，該路徑文件包括機(jī)器人的路徑軌跡、目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)和路徑階段信息；
[0029] S22、根據(jù)每個(gè)機(jī)器人當(dāng)前的位姿信息和S21中的路徑軌跡，實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)器人姿態(tài) 角與路徑軌跡方向的偏差，記為姿態(tài)誤差；并實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前坐標(biāo)信息與目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)的距離， 記作位置誤差；
[0030] S23、將姿態(tài)誤差和位置誤差作為模糊控制算法的輸入，生成每個(gè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 調(diào)整的控制信息；
[0031] S24、判斷每個(gè)機(jī)器人是否完成當(dāng)前路徑階段，若未完成，則持續(xù)進(jìn)行反饋修正；若 已完成，則進(jìn)入下一路徑階段；
[0032] S3、對(duì)群機(jī)器人中的所有編號(hào)機(jī)器人的參數(shù)設(shè)置和目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行遍歷引導(dǎo)，完 成對(duì)群機(jī)器人的控制協(xié)作。
[0033] 步驟S1中獲取機(jī)器人位姿信息的具體方法為：
[0034]S11、對(duì)視頻采集定位模塊覆蓋的區(qū)域進(jìn)行坐標(biāo)標(biāo)定，通過灰度檢測(cè)算法對(duì)機(jī)器人 的標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，以此確定每個(gè)機(jī)器人的坐標(biāo)信息；
[0035] S12、對(duì)機(jī)器人的輪廓進(jìn)行標(biāo)定，通過ICP匹配算法對(duì)移動(dòng)的機(jī)器人目標(biāo)進(jìn)行匹 配，通過動(dòng)態(tài)匹配輪廓算法計(jì)算機(jī)器人的姿態(tài)角信息。
[0036] 步驟S23中對(duì)機(jī)器人的模糊控制方法具體為：
[0037] 控制機(jī)器人兩輪速度差進(jìn)行控制，在調(diào)整大角度誤差時(shí)采取大速率調(diào)整，在調(diào)整 小角度誤差時(shí)采取小速率調(diào)整；
[0038] 角度誤差調(diào)整進(jìn)入緩沖區(qū)域時(shí)，進(jìn)一步的減小調(diào)整速率，對(duì)速率較大的車輪施加 輕微剎車；
[0039] 角度誤差調(diào)整接近零時(shí)，將兩輪的速率調(diào)整至同一數(shù)值。
[0040] 步驟S23中對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行控制的控制方程為：
[0041 ]
[0042]其中，[xp(k+l) yp(k+l) Θ p(k+l)]為反饋調(diào)整狀態(tài)變化，[xp(k) yp(k) Θ p(k)] 為調(diào)整前移動(dòng)機(jī)器人位姿狀態(tài)，[vp(k) wp(k)]為移動(dòng)機(jī)器人的速度變化向量，ΔΤ為時(shí)間 間隔。
[0043] 本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明的基于視覺定位的群機(jī)器人控制系統(tǒng)，通過視 覺定位技術(shù)對(duì)群機(jī)器人的位姿信息進(jìn)行判斷，并控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，降低了個(gè)體機(jī)器 人對(duì)自身傳感器設(shè)備的依賴程度，且由主控計(jì)算機(jī)通過鏈表完成任務(wù)分配和指令操作，保 證了多個(gè)機(jī)器人協(xié)同控制運(yùn)行同時(shí)也提高了單個(gè)機(jī)器人個(gè)體作業(yè)能力；
[0044] 通過高頻率反饋控制與模糊控制策略提高了系統(tǒng)的運(yùn)行精度，降低了執(zhí)行復(fù)雜 度，保證在視覺數(shù)據(jù)持續(xù)有效的情況下簡(jiǎn)便、快速的完成個(gè)體任務(wù)和群體任務(wù)的執(zhí)行；
[0045] 使用快速有效的無線組網(wǎng)方式，在機(jī)器人群體中添加新個(gè)體能迅速完成群體匹配 與任務(wù)分配，便于提高系統(tǒng)整體運(yùn)行效率。
【附圖說明】
[0046] 下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：
[0047]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的基于視覺定位的群機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0048] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例的基于視覺定位的群機(jī)器人控制方法的流程圖；
[0049] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例的基于視覺定位的群機(jī)器人控制方法的詳細(xì)流程框圖；
[0050] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例的基于視覺定位的群機(jī)器人控制方法的視覺定位模塊識(shí)別 定位流程圖；
[0051]圖5是本發(fā)明實(shí)施例的基于視覺定位的群機(jī)器人控制系統(tǒng)的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)框圖；
[0052]圖6是本發(fā)明實(shí)施例的基于視覺定位的群機(jī)器人控制系統(tǒng)的無線通訊模塊的結(jié) 構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0053] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。
[0054] 如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的基于視覺定位的群機(jī)器人控制系統(tǒng)，包括視頻采集 定位單元、上位機(jī)單元和群機(jī)器人單元；
[0055] 視頻采集定位單元，用于采集群機(jī)器人單元運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的圖像，根據(jù)該運(yùn)動(dòng)范圍 建立坐標(biāo)系，識(shí)別群機(jī)器人單元中每個(gè)機(jī)器人的位姿信息，包括機(jī)器人的坐標(biāo)信息和姿態(tài) 角信息，并通過網(wǎng)絡(luò)接口將該位姿信息發(fā)送給上位機(jī)單元；
[0056] 視頻采集定位單元包括：多個(gè)攝像頭；對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理的視頻采集卡； 將處理后的圖像發(fā)送給上位機(jī)單元的網(wǎng)絡(luò)接口。
[0057] 上位機(jī)單元，根據(jù)接收到的機(jī)器人的位姿信息，實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)器人當(dāng)前坐標(biāo)信息與 目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)的誤差，根據(jù)誤差生成修正機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的控制信息，并將該控制信息通過 無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給機(jī)器人；
[0058] 上位機(jī)單元包括：存儲(chǔ)機(jī)器人位姿信