一種基于超聲波傳感器測距的自平衡圖像采集裝置的制造方法
【專利摘要】一種用于獼猴桃采摘機(jī)器人中的基于超聲波傳感器測距的自平衡圖像采集裝置，包括攝像頭、二自由度云臺、加速度傳感器、超聲波傳感器、單片機(jī)五部分。該裝置由單片機(jī)最小系統(tǒng)所控制，在二自由度云臺上方安裝有攝像頭和四個超聲波傳感器。攝像頭的下方安裝加速度傳感器，當(dāng)攝像頭的位置發(fā)生變化時，加速度傳感器會立刻檢測到變化量，將收集到的數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)。單片機(jī)控制云臺上的舵機(jī)將云臺調(diào)至水平。當(dāng)攝像頭調(diào)整到水平位置后，四個超聲波傳感器會同時向外發(fā)射超聲波，遇到物體被反射回來，四個超聲波傳感器將收集的數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)取四個距離中的最小值作為攝像頭至獼猴桃的距離。
【專利說明】
一種基于超聲波傳感器測距的自平衡圖像采集裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本專利是涉及一種用于獼猴桃采摘機(jī)器人中的基于超聲波傳感器測距的自平衡圖像采集裝置，主要用于田間環(huán)境下獼猴桃采摘機(jī)器人的目標(biāo)圖像采集。
【背景技術(shù)】
[0002]我國是獼猴桃生產(chǎn)大國，而獼猴桃獨(dú)特的棚架式生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，決定了攝像頭可以自下而上對獼猴桃進(jìn)行果實(shí)的圖像拍攝。由于獼猴桃距地高度不一樣，所以拍攝時攝像頭與獼猴桃的距離也不一樣，這導(dǎo)致了攝像頭最終拍攝的圖像與獼猴桃的真實(shí)尺寸存在偏差，影響了采集的圖像質(zhì)量。另外由于田間環(huán)境復(fù)雜，獼猴桃采摘機(jī)器人在田間運(yùn)動時如果發(fā)生傾斜就會導(dǎo)致攝像頭傾斜，也會影響到采集的圖像質(zhì)量。因此，如果能在圖像采集裝置自動平衡的前提下添加超聲波傳感器，利用其測出攝像頭到獼猴桃的距離，就能獲得較為可靠的圖像。
[0003]由于對獼猴桃的圖像采集是實(shí)現(xiàn)對獼猴桃采摘功能的第一步，所以一個精準(zhǔn)的拍攝方法會讓獼猴桃的最終識別產(chǎn)生一個更為理想的效果。傳統(tǒng)的獼猴桃識別裝置忽略了對獼猴桃的精準(zhǔn)拍攝問題，導(dǎo)致了智能機(jī)器人所展現(xiàn)的智能化與精確性等優(yōu)點(diǎn)不能完美體現(xiàn)。本專利則是在原有獼猴桃識別裝置的基礎(chǔ)上另外解決了獼猴桃的拍攝問題，即在攝像頭的下方加一個加速度傳感器，解決了圖像采集裝置的平衡問題，在攝像頭旁邊(云臺的上方)安裝四個超聲波傳感器用于獲取攝像頭距離目標(biāo)獼猴桃的距離，用于后期通過圖像處理的方法計算獼猴桃的真實(shí)尺寸。然后單片機(jī)最小系統(tǒng)對整個圖像采集裝置進(jìn)行控制，指導(dǎo)采摘機(jī)器人的精確操作。本專利使用的是二自由度云臺，可以調(diào)節(jié)水平和垂直位置，將攝像頭安裝于其上，實(shí)現(xiàn)攝像頭自動調(diào)整到水平位置的功能。加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設(shè)備，通過測量由于重力引起的加速度，可以計算出設(shè)備相對于水平面的傾斜角度，通過分析動態(tài)加速度，可以分析出設(shè)備移動的方式。采用加速度傳感器保證攝像頭在任意位置下，能夠自動調(diào)整到水平狀態(tài)，自下向上拍攝獼猴桃。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，既可以發(fā)射超聲波，也可以接受超聲波。四個超聲波傳感器同時向外發(fā)射超聲波，避免了單一超聲波不能返回的現(xiàn)象。四個超聲波傳感器同時測量攝像頭到上方的距離，取最小距離為攝像頭到獼猴桃的距離，再通過相似三角形原理，利用圖像處理方法估算出獼猴桃的實(shí)際尺寸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對獼猴桃圖像的采集問題，本實(shí)驗(yàn)提出了一種高效率、智能化、高精準(zhǔn)的基于超身波傳感器測距的自平衡圖像采集裝置。
[0005]實(shí)現(xiàn)上述實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖怯梢韵录夹g(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0006]本專利包括攝像頭、二自由度云臺、加速度傳感器、超聲波傳感器、單片機(jī)五部分。其特征是該裝置由單片機(jī)最小系統(tǒng)所控制，在二自由度云臺上方安裝攝像頭和四個超聲波傳感器。攝像頭的下方安裝加速度傳感器，當(dāng)攝像頭的位置發(fā)生變化時，加速度傳感器會立刻檢測到變化量，將收集到的數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)。云臺上搭載兩個舵機(jī)，第一個舵機(jī)為垂直轉(zhuǎn)向舵機(jī)，搭載在云臺上端，第二個舵機(jī)為水平轉(zhuǎn)向舵機(jī)，搭載在云臺的下端。單片機(jī)控制垂直轉(zhuǎn)向舵機(jī)的方向轉(zhuǎn)向，舵機(jī)通過齒輪嚙合帶動云臺在垂直方向轉(zhuǎn)動，同時單片機(jī)控制水平轉(zhuǎn)向舵機(jī)的方向轉(zhuǎn)向，舵機(jī)通過齒輪嚙合帶動云臺在水平方向轉(zhuǎn)向。當(dāng)攝像頭調(diào)整到水平位置后，四個超聲波傳感器會同時向外發(fā)射超聲波，避免了單一超聲波傳感器將超聲波發(fā)射到天空的情況。當(dāng)超聲波遇到物體被反射回來，四個超聲波傳感器將收集的數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)取四個距離中的最小值作為攝像頭至獼猴桃的距離，利用圖像處理方法估算出獼猴桃的實(shí)際尺寸。
[0007]上述單片機(jī)用來發(fā)送接收和處理信號和數(shù)據(jù)，并控制舵機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的操作。
[0008]上述的超聲波傳感器用來測量攝像頭到獼猴桃的距離。
[0009]上述的加速度傳感器用來測量重力加速度的夾角變化。
[0010]上述的舵機(jī)用來對云臺進(jìn)行水平和垂直方向的調(diào)整。
[0011]本專利的優(yōu)點(diǎn):攝像頭始終與地面保持水平，保證了裝置穩(wěn)定性，確保了攝像頭自上而下對著獼猴桃的果萼部分直接拍攝。超聲波傳感器可以測出攝像頭到獼猴桃的距離，通過相似三角形原理估算獼猴桃的真實(shí)尺寸，有利于獼猴桃采摘機(jī)器人的精確操作。
【附圖說明】
[0012]下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對本專利進(jìn)一步說明。
[0013]圖1是一種自適應(yīng)調(diào)整的圖像采集裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0014]圖2是該裝置中二自由度云臺的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖3是該裝置中對攝像頭和超聲波傳感器的俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]在圖1、2、3中，本專利的一種基于超聲波傳感器測距的自平衡圖像采集裝置，包括單片機(jī)1、二自由度云臺2、加速度傳感器3、超聲波傳感器4、攝像頭5。所述單片機(jī)I作為控制系統(tǒng)，接收加速度傳感器3和超聲波傳感器4傳送的信息并處理，進(jìn)而控制二自由度云臺2的運(yùn)動;二自由度云臺2包括水平轉(zhuǎn)向舵機(jī)、垂直轉(zhuǎn)向舵機(jī)。
[0017]具體工作過程:
[0018]當(dāng)云臺裝置最上端的攝像頭5位置發(fā)生變化時，加速度傳感器3立即感應(yīng)到云臺水平夾角的變化，將采集的數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)I。單片機(jī)I控制水平轉(zhuǎn)向舵機(jī)22的轉(zhuǎn)動，舵機(jī)22通過齒輪24捏合帶動下部的云臺在水平方向轉(zhuǎn)動。同時，單片機(jī)I控制垂直轉(zhuǎn)向舵機(jī)21的方向轉(zhuǎn)向，舵機(jī)21通過齒輪23嚙合控制上端云臺上下轉(zhuǎn)動。云臺2在單片機(jī)I的控制下最終恢復(fù)為水平狀態(tài)。當(dāng)單片機(jī)I判斷云臺2調(diào)整到水平位置后，裝置停止工作。此時，云臺2上方的四個超聲波傳感器41、42、43、44同時測量其離上方的距離，并將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)I，單片機(jī)I取四個距離中的最小值作為攝像頭至獼猴桃的距離，后期再利用圖像處理方法估算出獼猴桃的實(shí)際尺寸。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于超聲波傳感器測距的自平衡圖像采集裝置，包括單片機(jī)(I)、二自由度云臺(2)、加速度傳感器(3)、超聲波傳感器(4)、攝像頭(5)五部分;其特征是，該裝置由單片機(jī)(1)控制，在二自由度云臺(2)上方安裝攝像頭(5)和四個超聲波傳感器(41、42、43、44);攝像頭(5)的下方安裝加速度傳感器(3)，當(dāng)攝像頭(5)的位置發(fā)生變化時，加速度傳感器(3)會立刻檢測到變化量，將收集到的數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)(I);單片機(jī)(I)控制水平轉(zhuǎn)向舵機(jī)(22)的轉(zhuǎn)動，水平轉(zhuǎn)向舵機(jī)舵機(jī)(22)通過齒輪(24)捏合帶動下部的云臺在水平方向轉(zhuǎn)動；單片機(jī)(I)再控制垂直轉(zhuǎn)向舵機(jī)(21)的方向轉(zhuǎn)向，垂直轉(zhuǎn)向舵機(jī)(21)通過齒輪(23)嚙合控制上端云臺上下轉(zhuǎn)動，最終調(diào)至水平位置；當(dāng)攝像頭(5)調(diào)整到水平位置后，四個超聲波傳感器(41、42、43、44)會同時向外發(fā)射超聲波；當(dāng)超聲波遇到物體被反射回來，四個超聲波傳感器(41、42、43、44)將收集的數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)(1)，單片機(jī)(I)取四個距離中的最小值作為攝像頭至獼猴桃的距離，利用圖像處理方法估算出獼猴桃的實(shí)際尺寸。
【文檔編號】H04N5/225GK205490832SQ201620085251
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月26日
【發(fā)明人】傅隆生, 李玉龍, 彭俊, 孫世鵬, 李 瑞
【申請人】西北農(nóng)林科技大學(xué)