CN101579857B - 自主捡球机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能帮人们捡球的自主机器人，包括移动基本载体、充电装置以及控制***。移动基本载体在控制***的控制下完成移动、捡球与倒球操作；充电装置为移动基本载体充电；控制***采集并处理整个场地的图像信息，并通过无线通讯对移动基本载体进行控制。自主捡球机器人有单机运行和多机协作两种工作模式，能实现自主找球、自主捡球、自主倒球以及自主充电等功能，捡球效率高，智能性高。

Description

自主捡球机器人

技术领域

本发明涉及一种自主机器人，特别涉及一种能帮人们捡球的自主机器人。

背景技术

随着社会的发展，人们关注的焦点不单是衣食住行，更希望一种更加健康、更加快乐的生活。参与体育运动无疑是绝佳的选择，但是运动中的很多琐事影响着人们的运动热情，例如在网球或乒乓球运动的发球练习中，会使大量的球散落于地面，不停弯腰去捡地上的球无疑是一件令人心烦的事；而对于残疾人运动员来说，在打球时不断捡地面上的球将面临更多困难，甚至发生危险。

目前已经出现了一些能够实现捡球功能的设计，例如专利号为CN200710190398.X的专利文献中提出一种智能捡球方案，即在车头安装机械臂，在车头摄像头的引导下找到球并利用机械臂将球捡起放到球篮内。专利号为CN200710041084.3的专利文献中提出一种利用气泵将球吸进球盒的方法。专利号为CN200610118792.8的专利文献中提出一种在装置前端装一个转筒，转筒上插有转板，转板上有抄球板和定位板，转筒转动时利用抄球板和定位板夹住球，然后将球送到收集容器里。另外几个相关专利是将一个容器的底面做成弹性结构，当人用力在球上方挤压，球可以通过容器底面压进容器，实现捡球功能。

但是上述方法仍然有一些缺陷：一、捡球效率低，例如利用机械臂捡球的方法，一次只能捡一个球；利用转筒结构捡球的方法，如何将球夹在抄球板与定位板之间是一个难题。二、智能性低，已提出的方法中只有CN200710190398.X提出了一种无需人工操作的智能捡球方法，其它方法都需要人亲自参与捡球过程，但CN200710190398.X提出的方法是在车头安装摄像头进行球的识别以及小车的引导，这样摄像头只能监视小车前方小范围内的图像信息，视场范围窄，只能是一种“走到哪、捡到哪”的策略，无法进行捡球路径的全局规划，这样做虽然实现了自主捡球操作，但智能性不高。三、用气泵吸球的方法需要安装气泵，捡球装置结构复杂，且在吸球的同时也会将地上的尘土、杂物吸入球盒，虽然实现了捡球功能，但也带来一些麻烦。

发明内容

为了克服现有技术捡球效率低和智能性低的缺陷，本发明提出一种可自主识别并收集地面上的球，然后将球倾倒至指定地点的机器人。该机器人有单机运行和多机协作两种工作模式，可以完成自主寻找地面上的球、自主收集地面上的球、自主将球运送并倾倒至指定地点等任务，并具有自主充电的功能。

本发明的技术方案是：自主捡球机器人包括移动基本载体、充电装置以及控制***；其中移动基本载体在控制***的控制下寻找、识别、收集地面上的球，将收集的球运送并倾倒至指定地点，并在电量不足时在控制***的控制下与充电装置对接进行充电；控制***采集并处理整个场地的图像信息，并通过无线通讯控制移动基本载体进行找球、捡球、倒球与充电操作；

移动基本载体包括捡球机构、倒球机构与移动平台；其中，捡球机构包括捡球刷、捡球机构壳体、捡球入口、捡球出口、捡球驱动轴以及捡球电机；并且捡球机构壳体包括壳体侧壁、壳体上盖和捡球挡板，通过控制***控制捡球刷的转动，将球推向捡球挡板，并随着捡球刷转动而逐渐上升，实现捡球功能；捡球机构壳体侧壁为半圆形，壳体侧壁竖直安装，使半圆形的直边垂直地面；壳体上盖为圆弧面，壳体上盖从壳体侧壁最高点向下沿侧壁弧线边安装；捡球挡板为圆弧面，捡球挡板从壳体侧壁最低点向上沿侧壁弧线边安装，捡球挡板的上边沿要比捡球机构壳体侧壁圆心低ΔH，ΔH值需要根据球的体积进行调整；捡球机构壳体上盖与捡球挡板之间为捡球入口与捡球出口；捡球驱动轴安装在两个捡球机构壳体侧壁之间，捡球驱动轴在壳体侧壁上的安装点位于壳体侧壁的圆心，捡球驱动轴由捡球电机驱动，可绕侧壁圆心转动；捡球刷安装在捡球驱动轴上，调整捡球刷的长度使捡球刷正好接触捡球挡板内表面；捡球电机装配有减速箱与编码器，通过前法兰的方式安装在捡球机构壳体侧壁上；

倒球机构在控制***的控制下，将球在指定地点倒出；倒球机构包括球筐、倒球驱动轴、倒球叶片以及倒球电机，其中球筐包括球筐进球口、球筐出球口以及球筐底面；球筐底面自球筐进球口至出球口向下倾斜，与地面成α角，α角度值需要根据球的体积进行调整；倒球驱动轴安装在球筐出球口上端，两个球筐侧壁之间，倒球驱动轴由倒球电机驱动，可绕侧壁上的安装点转动；倒球叶片安装在倒球驱动轴上，倒球叶片的面积近似等于球筐出球口截面，倒球叶片的初始位置为与地面垂直的位置，从而将球筐出口封堵住；倒球电机装配有减速箱与编码器，通过前法兰安装在球筐侧壁上；移动平台包括移动平台主框架，主动轮、从动轮、驱动电机、控制***盒以及充电插头，其中移动平台主框架为***各机构提供安装支撑；主动轮安装在移动平台主框架前端左右两侧，由驱动电机驱动；从动轮安装在移动平台主框架后端左右两侧，可随意转向，只起支撑作用；驱动电机装配有减速箱与编码器，通过前法兰安装在移动平台主框架上；控制***盒安装在球筐上方，为部分控制***电路提供安装支撑，整个控制***盒相当于球筐的上盖，调试时可以将整个控制***盒掀起，检查球筐的内部状况；充电插头安装在控制***盒处于移动基本载体尾部一侧的面板上；

移动平台为捡球机构、倒球机构提供安装支撑，并且在控制***的控制下移动；

充电装置包括充电装置主面板、充电装置侧壁、充电装置入口以及充电插座，充电装置安装在场地的旁边；充电装置主面板竖直安装，宽度要比移动基本载体宽，宽出的幅度根据图像识别的精度确定；充电装置侧壁为折线形，安装在充电装置主面板的左右两端；充电装置入口由外向内逐渐变小，在充电装置侧壁折线拐点处减小至主面板宽度，自此向内不再发生变化；充电插座分正负两极，安装在充电装置主面板上，安装高度与充电插头的高度一致，且充电插座的截面积大于充电插头的截面，以方便两者的对接；

控制***包括主处理器模块、子处理器模块以及自保护模块；主处理器模块采集并处理整个场地的图像信息，并通过无线通讯与子处理器模块进行通讯；子处理器模块安装在移动基本载体上，采集并处理局部范围的图像信息，与主处理器模块进行无线通讯并对移动基本载体进行控制；

主处理器模块包括主处理器、全局视觉传感器以及无线通讯模块甲；全局视觉传感器安装在场地上方，采集整个场地的图像信息；主处理器安装在场地的旁边，接受并处理全局视觉传感器的图像信息输出；无线通讯模块甲安装在场地旁边，主处理器通过无线通讯模块甲进行无线通讯；

子处理器模块安装在移动基本载体上，子处理器模块包括子处理器、局部视觉传感器、无线通讯模块乙、人机交互模块、电源管理模块以及电机驱动器；人机交互模块包括显示屏、显示驱动器、按键以及按键接口电路，局部视觉传感器安装在捡球机构壳体上盖之上，采集移动基本载体前方局部范围内的图像信息；子处理器安装在控制***盒内，子处理器接收并处理来自局部视觉传感器的图像输出；无线通讯模块乙安装在控制***盒上顶盖，子处理器通过无线通讯模块乙与主处理器进行通讯；显示屏安装在控制***盒的上顶盖；显示驱动器安装在控制***盒内，子处理器通过显示驱动器控制显示屏；按键安装在控制***盒上顶盖，按键通过按键接口电路与子处理器相连，子处理器采集按键输入信息；电源管理模块安装在控制***盒内，电源管理模块与子处理器相连，充电插头通过电源管理模块与电池相连，电源管理模块时刻检测充电插头之间电压；电机驱动器安装在控制***盒内，电机驱动器与驱动电机、捡球电机以及倒球电机相连，子处理器通过电机驱动器控制电机的转动；

自保护模块包括限流保护电路以及紧急按键，限流保护电路安装在控制***盒内，限流保护电路串联在电池供电回路中，检测电流值；紧急按键安装在控制***盒上顶盖，串联在电池供电回路中，可控制供电回路的通断；

控制***控制移动基本载体进行找球、捡球、倒球与充电操作的方法包括：

1)控制***控制移动基本载体完成自主找球球任务的步骤为：全局视觉传感器采集整个视场范围内的图像信息，主处理器根据全局图像信息初步判定移动基本载体的位置、球的位置及障碍物的位置，然后规划捡球路径；局部视觉传感器同时采集移动基本载体前方局部范围内的图像信息，子处理器对局部图像信息的处理结果作为全局图像信息处理结果的补充，当两者的处理结果相吻合时，子处理器执行主处理器发出的控制命令；当两者的处理结果不吻合时，子处理器通过无线通讯模块乙向主处理器发出重判信号，主处理器对全局图像信息进行重新处理并再次发送控制命令，若仍不能吻合，则再次发出重判信号，重复三次后仍然不能吻合，则认为是噪点，放弃对该点的处理；

2)控制***控制移动基本载体完成自主捡球任务的步骤为：当子处理器收到主处理器发出的控制命令，并且子处理器对局部图像信息的处理结果与控制命令一致时，子处理器控制移动基本载体沿主处理器规划的捡球路径行驶；当全局图像信息显示捡球机构与目标球之间距离小于捡球启动距离，且局部图像信息也发现目标球时，子处理器控制移动基本载体继续前进，并控制捡球电机转动，捡球刷逆时针转动，将到达捡球入口的球推至捡球挡板，转动的捡球刷与捡球挡板形成合力，使捡球刷与捡球挡板之间的球不断上升，球达到捡球出口时，由于捡球挡板上边沿比捡球壳体侧壁圆心低ΔH，此刻的捡球刷是倾斜的，因此球在自身重力作用下滚动出捡球机构；当全局图像信息中移动基本载体已完全覆盖目标球位置，且局部图像信息中的球也消失，主处理器认为此次捡球任务已完成，并将捡球个数加一，开始对下一个目标球执行捡球操作；

3)控制***控制移动基本载体完成自主倒球任务的步骤为：当主处理器记录的捡球个数接近球筐的容量时，主处理器启动自主倒球程序；主处理器根据全局视觉图像信息确定移动基本载***置、倒球处位置以及障碍物位置，然后规划倒球路径，使移动基本载体能以最快的方式到达倒球处；主处理器引导移动基本载体到达倒球处前方，调整移动基本载体的运动方向，使移动基本载体尾部对准倒球处，然后子处理器控制倒球电机逆时针转动，倒球叶片从初始位置向上转动β角度，由于倒球电机配有编码器，因此通过编码器的反馈可以控制倒球叶片的转动范围，β角度值需要根据球的体积来确定；由于球筐底面倾斜，倒球叶片转动至高位后，球筐内的球便从球筐出球口落入倒球处；球筐内无球后，子处理器控制倒球叶片向下转动至初始位置，封堵住球筐出球口，完成倒球任务；

4)控制***控制移动基本载体完成自主充电任务的步骤为：电源管理模块时刻检测电池电量，一旦发现电池电量低于额定电量的某一阈值时便向子处理器发出电量不足信号，以使移动基本载体有充足的电量从工作地点运行至充电装置；主处理器接到子处理器发出的电量不足信号后，首先根据全局图像信息确定移动基本载体的位置、充电装置的位置以及障碍物位置，规划充电行驶路径，使移动基本载体能以最快的速度到达充电装置，然后判断机器人的捡球工作进度，当移动基本载体距离目标球捡球启动距离时，直接暂停现在的捡球工作，然后驶向充电装置；若移动基本载体距离目标球小于等于捡球启动距离时，移动基本载体先完成此次捡球操作，然后再驶向充电装置；移动基本载体到达充电装置后首先调整运动方向，使移动基本载体尾部对准充电装置入口，然后倒车进入充电装置，当充电插头与充电插座稳定对接后，电源管理模块检测到充电插头之间存在电压，便向子处理器发出成功对接信号，子处理器控制移动基本载体停止后退，电源管理模块控制电池对移动基本载体的供电回路断开，并将充电插头与电池正负极之间连线接通，开始自动充电，待电池充满，电源管理模块重新将充电插头与电池正负极之间连线断开，然后将电池对移动基本载体的供电回路接通，移动基本载体驶出充电装置，完成自主充电任务。

控制***控制移动基本载体进行人机交互的方法为：子处理器控制显示屏实时显示机器人工作状态；人们通过按键查询机器人的详细工作参数，当机器人工作异常时，通过此方式查看机器人的详细参数，以便对***故障进行诊断。

控制***实现自保护功能的方法为：限流保护电路实时检测***供电回路的电流值，当出现过流情况时，限流保护电路切断供电回路，以保护***电路的安全；通过紧急按键可以紧急停止机器人的运行。

本发明提出的自主捡球机器人具有单机运行和多机协作两种工作模式。当场地较小时，自主捡球机器人可选择工作于单机运行模式，此时自主捡球机器人包括单个移动基本载体、单个充电装置以及控制***，所述控制***包括单个主处理器模块、单个子处理器模块以及单个自保护模块；当场地较大时，自主捡球机器人可选择工作于多机协作模式，所述自主捡球机器人包括多个移动基本载体、多个充电装置以及控制***，所述的控制***包括单个主处理器模块、多个子处理器模块以及多个自保护模块。

本发明提出的自主捡球机器人的捡球机构以及倒球机构并不是只针对某一种体积的球而设计，而是适用于不同体积的球类，特别适用于网球、乒乓球等球类。捡球机构的工作原理类似于古代水车，利用捡球刷的转动，将球推向捡球挡板，并随着捡球刷转动而逐渐上升，实现捡球功能。只要符合此原理，都可以实现捡球操作，而不局限于本例中描述的捡球机构的形状、安装方式。

本发明提出的自主捡球机器人的运动控制方式采用差动控制，控制两个主动轮的转速和转向就可以实现移动基本载体的进退及转向，控制方式简单灵活。本发明提出的自主捡球机器人亦可以采用其它控制方式来实现运动控制，例如以直流电机驱动，由舵机控制方向的控制方式。

本发明还提出了自主捡球机器人完成自主捡球的方法，包括自主找球的步骤、自主捡球的步骤、自主倒球的步骤、自主充电的步骤以及人机交互的步骤。

本发明提出的自主捡球机器人的有益效果是重量小、容量大，运动灵巧轻便，具有机械结构紧凑合理，实用性、稳定性、节能性、经济性和通用性好等特点，能够代替人工完成捡球工作，捡球效率高，智能性高。

本发明的具体方案和优点将在具体实施方式部分进行进一步阐述。

附图说明

图1为本发明自主捡球机器人的工作效果图(侧视)。

图2为本发明自主捡球机器人的工作效果图(俯视)。

图3为本发明自主捡球机器人移动基本载体示意图(侧视)。

图4为本发明自主捡球机器人移动基本载体示意图(俯视)。

图5为本发明自主捡球机器人捡球机构示意图(侧视)。

图6为本发明自主捡球机器人捡球机构示意图(正视)。

图7为本发明自主捡球机器人倒球结构示意图(正视)。

图8为本发明自主捡球机器人倒球结构示意图(侧视)。

图9为本发明自主捡球机器人充电插头示意图。

图10为本发明自主捡球机器人充电装置示意图(正视)。

图11为本发明自主捡球机器人充电装置示意图(俯视)。

图12为本发明自主捡球机器人控制***示意图。

图中各标号表示：

1、全局视觉传感器       2、无线通讯模块甲       3、充电装置

4、倒球处               5、局部视觉传感器       6、主动轮

7、从动轮               8、球筐                 9、控制***盒

10、充电插头            11、无线通讯模块乙      12、倒球电机

13、捡球电机            14、人机交互模块        15、紧急按键

16、捡球机构壳体侧壁    17、捡球机构壳体上盖    18、捡球挡板

19、捡球入口            20、捡球出口            21、捡球刷

22、捡球驱动轴          23、球筐侧壁            24、倒球叶片

25、倒球驱动轴          26、球筐进球口          27、球筐底面

28、球筐出球口          29、充电装置主面板      30、充电装置侧壁

31、充电装置入口        32、充电插座

具体实施方式

本发明提出的自主捡球机器人工作效果图如图1、图2所示，图中所示自主捡球机器人的工作地点为网球场地，但本发明提出的自主捡球机器人的运行环境并不局限于网球场地。如图1所示，机器人正在进行捡球工作，全局视觉传感器1架设在场地上方，主处理器与无线通讯模块甲2放置于场地的旁边。如图2所示，本发明提出的自主捡球机器人的充电装置3、倒球处4都放置在场地旁边。图2中所示四台机器人移动基本载体A、B、C、D 工作于多机协作模式，移动基本载体A与B正处于捡球工作状态，球与球之间的连线表示移动基本载体的捡球路径；移动基本载体C正在进行充电；移动基本载体D正在进行倒球操作。自主捡球机器人有单机运行与多机协作两种工作模式，图1所示自主捡球机器人工作于多机协作模式，适合于场地较大的条件；当场地较小时，自主捡球机器人可选择工作于单机运行模式。

本发明提出的自主捡球机器人包括移动基本载体、充电装置3以及控制***，如图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11以及图12所示。本发明所述的移动基本载体，如图3、图4所示，包括捡球机构、倒球机构以及移动平台。所述的捡球机构，如图5、图6所示，包括捡球机构壳体、捡球入口19、捡球出口20、捡球驱动轴22、捡球刷21以及捡球电机13。所述的捡球机构壳体包括壳体侧壁16、壳体上盖17以及捡球挡板18。捡球机构壳体侧壁16为半圆形，壳体侧壁16竖直安装，使半圆形的直边垂直地面；壳体上盖17为圆弧面，壳体上盖17从壳体侧壁16最高点向下沿侧壁弧线边安装；捡球挡板18为圆弧面，捡球挡板18从壳体侧壁16最低点向上沿侧壁弧线边安装，捡球挡板18的上边沿要比捡球机构壳体侧壁16圆心低ΔH，ΔH值需要根据球的体积进行调整；捡球机构壳体上盖17与捡球挡板18之间为捡球入口19与捡球出口20；捡球驱动轴22安装在两个捡球机构壳体侧壁16之间，捡球驱动轴22在壳体侧壁16上的安装点位于壳体侧壁的圆心，捡球驱动轴22由捡球电机13驱动，可绕侧壁圆心转动；捡球刷21安装在捡球驱动轴22上，调整捡球刷21的长度使捡球刷21正好接触捡球挡板18内表面；捡球电机13装配有减速箱与编码器，通过前法兰的方式安装在捡球机构壳体侧壁16上。所述的倒球机构，如图7、图8所示，包括球筐8、倒球驱动轴25、倒球叶片24以及倒球电机12。所述的球筐8包括球筐进球口26、球筐出球口28以及球筐底面27。其特征是球筐底面27自球筐进球口26至球筐出球口28向下倾斜，与地面成α角，α角度值需要根据球的体积进行调整；倒球驱动轴25安装在球筐出球口28上端，两个球筐侧壁23之间，倒球驱动轴25由倒球电机12驱动，可绕侧壁上的安装点转动；倒球叶片24安装在倒球驱动轴25上，倒球叶片24的面积近似等于球筐出球口28截面，倒球叶片24的初始位置为与地面垂直的位置，从而将球筐出口28封堵住；倒球电机12装配有减速箱与编码器，通过前法兰安装在球筐侧壁23上。所述移动平台包括移动平台主框架，主动轮6、从动轮7、驱动电机、控制***盒9以及充电插头10。其特征是移动平台主框架为***各机构提供安装支撑；主动轮6安装在移动平台主框架前端左右两侧，由驱动电机驱动；从动轮7安装在移动平台主框架后端左右两侧，可随意转向，只起支撑作用；驱动电机装配有减速箱与编码器，通过前法兰安装在移动平台主框架上；控制***盒9安装在球筐8上方，为部分控制***电路提供安装支撑，整个控制***盒相当于球筐8的上盖，调试时可以将整个控制***盒9掀起，检查球筐8的内部状况；充电插头10安装在控制***盒9处于移动基本载体尾部一侧的面板上。

本发明所述的充电装置3，如图10、图11所示，包括充电装置主面板29、充电装置侧壁30、充电装置入口31以及充电插座32，充电装置安装在场地的旁边。其特征是充电装置主面板29竖直安装，宽度要比移动基本载体移动基本载体宽，宽出的幅度主要根据图像识别的精度确定；充电装置侧壁30为折线形，安装在充电装置主面板29的左右两端；充电装置入口31由外向内逐渐变小，在充电装置侧壁30折线拐点处减小至主面板宽度，自此向内不再发生变化；充电插座32分正负两极，安装在充电装置主面板29上，安装高度与充电插头10的高度一致，且充电插座32的截面积大于充电插头10的截面，以方便两者的对接。

本发明所述的控制***，如图12所示，包括主处理器模块、子处理器模块以及自保护模块。所述的主处理器模块包括主处理器、全局视觉传感器1以及无线通讯模块甲2。其特征是全局视觉传感器1安装在场地上方，采集整个场地的图像信息；主处理器安装在场地的旁边，接受并处理全局视觉传感器1的图像信息输出；无线通讯模块甲2安装在场地旁边，主处理器通过无线通讯模块甲2进行无线通讯。所述子处理器模块安装在移动基本载体上，子处理器模块包括子处理器、局部视觉传感器5、无线通讯模块乙11、人机交互模块14、电源管理模块以及电机驱动器。所述人机交互模块14包括显示屏、显示驱动器、按键以及按键接口电路。其特征是局部视觉传感器5安装在捡球机构壳体上盖17之上，采集移动基本载体前方局部范围内的图像信息；子处理器安装在控制***盒9内，子处理器接收并处理来自局部视觉传感器5的图像输出；无线通讯模块乙11安装在控制***盒9上顶盖，子处理器通过无线通讯模块乙11与主处理器进行通讯；显示屏安装在控制***盒9的上顶盖；显示驱动器安装在控制***盒9内，子处理器通过显示驱动器控制显示屏；按键安装在控制***盒9上顶盖，按键通过按键接口电路与子处理器相连，子处理器采集按键输入信息；电源管理模块安装在控制***盒9内，电源管理模块与子处理器相连，充电插头10通过电源管理模块与电池相连，电源管理模块时刻检测充电插头之间电压；电机驱动器安装在控制***盒9内，电机驱动器与驱动电机、捡球电机13以及倒球电机12相连，子处理器通过电机驱动器控制电机的转动。所述自保护模块包括限流保护电路以及紧急按键15，其特征是限流保护电路安装在控制***盒9内，限流保护电路串联在电池供电回路中，检测电流值；紧急按键15安装在控制***盒9上顶盖，串联在电池供电回路中，可控制供电回路的通断。

本发明提出的自主捡球机器人的运动控制方式采用差动控制，控制两个主动轮6的转速和转向就可以实现移动基本载体的进退及转向，例如，控制两个主动轮6以相同的速度正转，可以实现移动基本载体前进；控制两个主动轮6以相同的速度反转，可以实现移动基本载体后退；控制左侧主动轮6转速大于右侧主动轮6，移动基本载体实现右转；控制右侧主动轮6转速大于左侧主动轮6，移动基本载体实现左转。

本发明提出的自主捡球机器人完成自主找球任务的过程为：全局视觉传感器1采集整个视场范围内的图像信息，主处理器根据全局图像信息可初步判定移动基本载体的位置、球的位置及障碍物的位置，然后规划捡球路径。为了提高机器人对球的识别率，减少相似形状或颜色物体的干扰，局部视觉传感器5同时采集移动基本载体前方局部范围内的图像信息，子处理器对局部图像信息的处理结果作为全局图像信息处理结果的补充，当两者的处理结果相吻合时，子处理器将执行主处理器发出的控制命令；当两者的处理结果不吻合时，子处理器将通过无线通讯模块乙11向主处理器发出重判信号，主处理器对全局图像信息进行重新处理并再次发送控制命令，若仍不能吻合，则再次发出重判信号，重复三次后仍然不能吻合，则认为是噪点，放弃对该点的处理。

本发明提出的自主捡球机器人完成自主捡球任务的过程为：当子处理器收到主处理器发出的控制命令，并且子处理器对局部图像信息的处理结果与控制命令一致时，子处理器控制移动基本载体沿主处理器规划的捡球路径行驶。当全局图像信息显示捡球机构与目标球之间距离小于捡球启动距离，且局部图像信息也发现目标球时，子处理器控制移动基本载体继续按图5中箭头方向前进，控制捡球电机13转动，转动的捡球刷21逆时针转动，将到达捡球入口19的球推至捡球挡板18，转动的捡球刷21与捡球挡板18形成合力，使捡球刷21与捡球挡板18之间的球不断上升，球达到捡球出口20时，由于捡球挡板18上边沿比捡球壳体侧壁16圆心低ΔH，此刻的捡球刷21是倾斜的，因此球在自身重力作用下滚动出捡球机构。当全局图像信息中移动基本载体已完全覆盖目标球位置，且局部图像信息中的球也消失，主处理器认为此次捡球任务已完成，并将捡球个数加一，开始对下一个目标球的捡球操作。

本发明提出的自主捡球机器人完成自主倒球任务的过程为：当主处理器记录的捡球个数接近球筐8的容量时，主处理器启动自主倒球程序。主处理器根据全局视觉图像信息确定移动基本载***置、倒球处4位置以及障碍物位置，然后规划倒球路径，使移动基本载体能以最快的方式到达倒球处4。主处理器引导移动基本载体到达倒球处4前方，调整移动基本载体的运动方向，使移动基本载体尾部对准倒球处4，然后子处理器控制倒球电机12逆时针转动，如图8所示，倒球叶片24从初始位置向上转动β角度，由于倒球电机12配有编码器，因此通过编码器的反馈可以控制倒球叶片24的转动范围，β角度值需要根据球的体积来确定。由于球筐底面27倾斜，倒球叶片24转动至高位后，球筐8内的球便从球筐出球口28落入倒球处4。球筐8内无球后，子处理器控制倒球叶片24向下转动至初始位置，封堵住球筐出球口28，完成倒球任务。

本发明提出的自主捡球机器人完成自主充电操作的过程为：电源管理模块时刻检测电池电量，一旦发现电池电量低于额定电量的某一阈值时便向子处理器发出电量不足信号，发出电量不足信号，是为了移动基本载体有充足的电量从工作地点运行至充电装置3。主处理器接到子处理器发出的电量不足信号后，首先根据全局图像信息确定移动基本载体的位置、充电装置3的位置以及障碍物位置，规划充电行驶路径，使移动基本载体能以最快的速度到达充电装置3。然后判断机器人的捡球工作进度，当移动基本载体距离目标球捡球启动距离时，直接暂停现在的捡球工作，然后驶向充电装置3；若移动基本载体距离目标球小于等于捡球启动距离时，移动基本载体先完成此次捡球操作，然后再驶向充电装置3。移动基本载体到达充电装置3后首先调整运动方向，使移动基本载体尾部对准充电装置入口31，然后倒车进入充电装置3，当充电插头10与充电插座32稳定对接后，电源管理模块检测到充电插头10之间存在电压，便向子处理器发出成功对接信号，子处理器控制移动基本载体停止后退，电源管理模块控制电池对移动基本载体的供电回路断开，并将充电插头10与电池正负极之间连线接通，开始自动充电。待电池充满，电源管理模块重新将充电插头10与电池正负极之间连线断开，然后将电池对移动基本载体的供电回路接通，移动基本载体驶出充电装置3，完成自主充电任务。

本发明提出的自主捡球机器人的人机交互功能为：子处理器控制显示屏实时显示机器人工作状态、比赛比分、赛事预告以及天气预报等信息；人们可以通过按键查询机器人的详细工作参数，当机器人工作异常时，可以通过此方式查看机器人的通讯数据，控制命令等详细参数，以便对***故障进行诊断。

本发明提出的自主捡球机器人的自保护功能为：限流保护电路实时检测***供电回路的电流值，当出现过流情况时，限流保护电路就会切断供电回路，以保护***电路的安全；通过紧急按键15可以紧急停止移动基本载体的运行，例如，移动基本载体运行过程中，可能与障碍物或人发生碰撞，或因程序错误而出现移动基本载体高速无序运动，此时人可以通过紧急按键15停止移动基本载体的运行，保障人和物的安全。

本发明不限于此实例，凡是利用本设计的设计思路，做一些简单变化的设计都应落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种自主捡球机器人，其特征在于：包括移动基本载体、充电装置(3)以及控制***；其中移动基本载体在控制***的控制下寻找、识别、收集地面上的球，将收集的球运送并倾倒至指定地点，并在电量不足时在控制***的控制下与充电装置对接进行充电；控制***采集并处理整个场地的图像信息，并通过无线通讯控制移动基本载体进行找球、捡球、倒球与充电操作；

所述移动基本载体包括捡球机构、倒球机构与移动平台；其中，捡球机构包括捡球刷、捡球机构壳体、捡球入口(19)、捡球出口(20)、捡球驱动轴(22)以及捡球电机(13)；并且捡球机构壳体包括壳体侧壁(16)、壳体上盖(17)和捡球挡板，通过控制***控制捡球刷的转动，将球推向捡球挡板，并随着捡球刷转动而逐渐上升，实现捡球功能；所述捡球机构壳体侧壁(16)为半圆形，壳体侧壁(16)竖直安装，使半圆形的直边垂直地面；壳体上盖(17)为圆弧面，壳体上盖(17)从壳体侧壁(16)最高点向下沿侧壁弧线边安装；所述捡球挡板(18)为圆弧面，捡球挡板(18)从壳体侧壁(16)最低点向上沿侧壁弧线边安装，捡球挡板(18)的上边沿要比捡球机构壳体侧壁(16)圆心低ΔH，ΔH值需要根据球的体积进行调整；捡球机构壳体上盖(17)与捡球挡板(18)之间为捡球入口(19)与捡球出口(20)；捡球驱动轴(22)安装在两个捡球机构壳体侧壁(16)之间，捡球驱动轴(22)在壳体侧壁(16)上的安装点位于壳体侧壁的圆心，捡球驱动轴(22)由捡球电机(13)驱动，可绕侧壁圆心转动；捡球刷(21)安装在捡球驱动轴(22)上，调整捡球刷(21)的长度使捡球刷(21)正好接触捡球挡板(18)内表面；捡球电机(13)装配有减速箱与编码器，通过前法兰的方式安装在捡球机构壳体侧壁(16)上；

所述倒球机构在控制***的控制下，将球在指定地点倒出；倒球机构包括球筐(8)、倒球驱动轴(25)、倒球叶片(24)以及倒球电机(12)，其中球筐(8)包括球筐进球口(26)、球筐出球口(28)以及球筐底面(27)；球筐底面(27)自球筐进球口(26)至出球口(28)向下倾斜，与地面成α角，α角度值需要根据球的体积进行调整；倒球驱动轴(25)安装在球筐出球口(28)上端，两个球筐侧壁(23)之间，倒球驱动轴(25)由倒球电机驱动(12)，可绕侧壁上的安装点转动；倒球叶片(24)安装在倒球驱动轴(25)上，倒球叶片(24)的面积近似等于球筐出球口(28)截面，倒球叶片(24)的初始位置为与地面垂直的位置，从而将球筐出口(28)封堵住；倒球电机(12)装配有减速箱与编码器，通过前法兰安装在球筐侧壁(23)上；所述移动平台包括移动平台主框架，主动轮(6)、从动轮(7)、驱动电机、控制***盒(9)以及充电插头(10)，其中移动平台主框架为***各机构提供安装支撑；主动轮(6)安装在移动平台主框架前端左右两侧，由驱动电机驱动；从动轮(7)安装在移动平台主框架后端左右两侧，可随意转向，只起支撑作用；驱动电机装配有减速箱与编码器，通过前法兰安装在移动平台主框架上；控制***盒(9)安装在球筐(8)上方，为部分控制***电路提供安装支撑，整个控制***盒相当于球筐(8)的上盖，调试时可以将整个控制***盒(9)掀起，检查球筐(8)的内部状况；充电插头(10)安装在控制***盒(9)处于移动基本载体尾部一侧的面板上；

所述移动平台为捡球机构、倒球机构提供安装支撑，并且在控制***的控制下移动；

所述充电装置(3)包括充电装置主面板(29)、充电装置侧壁(30)、充电装置入口(31)以及充电插座(32)，充电装置安装在场地的旁边；充电装置主面板(29)竖直安装，宽度要比移动基本载体宽，宽出的幅度根据图像识别的精度确定；充电装置侧壁(30)为折线形，安装在充电装置主面板(29)的左右两端；充电装置入口(31)由外向内逐渐变小，在充电装置侧壁(30)折线拐点处减小至主面板宽度，自此向内不再发生变化；充电插座(32)分正负两极，安装在充电装置主面板(29)上，安装高度与充电插头(10)的高度一致，且充电插座(32)的截面积大于充电插头(10)的截面，以方便两者的对接；

所述控制***包括主处理器模块、子处理器模块以及自保护模块；主处理器模块采集并处理整个场地的图像信息，并通过无线通讯与子处理器模块进行通讯；子处理器模块安装在移动基本载体上，采集并处理局部范围的图像信息，与主处理器模块进行无线通讯并对移动基本载体进行控制；

所述主处理器模块包括主处理器、全局视觉传感器(1)以及无线通讯模块甲(2)；全局视觉传感器(1)安装在场地上方，采集整个场地的图像信息；主处理器安装在场地的旁边，接受并处理全局视觉传感器(1)的图像信息输出；无线通讯模块甲(2)安装在场地旁边，主处理器通过无线通讯模块甲(2)进行无线通讯；

所述子处理器模块安装在移动基本载体上，子处理器模块包括子处理器、局部视觉传感器(5)、无线通讯模块乙(11)、人机交互模块(14)、电源管理模块以及电机驱动器；所述人机交互模块(14)包括显示屏、显示驱动器、按键以及按键接口电路，局部视觉传感器(5)安装在捡球机构壳体上盖(17)之上，采集移动基本载体前方局部范围内的图像信息；子处理器安装在控制***盒(9)内，子处理器接收并处理来自局部视觉传感器(5)的图像输出；无线通讯模块乙(11)安装在控制***盒(9)上顶盖，子处理器通过无线通讯模块乙(11)与主处理器进行通讯；显示屏安装在控制***盒(9)的上顶盖；显示驱动器安装在控制***盒(9)内，子处理器通过显示驱动器控制显示屏；按键安装在控制***盒(9)上顶盖，按键通过按键接口电路与子处理器相连，子处理器采集按键输入信息；电源管理模块安装在控制***盒(9)内，电源管理模块与子处理器相连，充电插头(10)通过电源管理模块与电池相连，电源管理模块时刻检测充电插头之间电压；电机驱动器安装在控制***盒(9)内，电机驱动器与驱动电机、捡球电机(13)以及倒球电机(12)相连，子处理器通过电机驱动器控制电机的转动；

所述自保护模块包括限流保护电路以及紧急按键(15)，限流保护电路安装在控制***盒(9)内，限流保护电路串联在电池供电回路中，检测电流值；紧急按键(15)安装在控制***盒(9)上顶盖，串联在电池供电回路中，可控制供电回路的通断；

所述控制***控制移动基本载体进行找球、捡球、倒球与充电操作的方法包括：

1)控制***控制移动基本载体完成自主找球球任务的步骤为：全局视觉传感器(1)采集整个视场范围内的图像信息，主处理器根据全局图像信息初步判定移动基本载体的位置、球的位置及障碍物的位置，然后规划捡球路径；局部视觉传感器(5)同时采集移动基本载体前方局部范围内的图像信息，子处理器对局部图像信息的处理结果作为全局图像信息处理结果的补充，当两者的处理结果相吻合时，子处理器执行主处理器发出的控制命令；当两者的处理结果不吻合时，子处理器通过无线通讯模块乙(11)向主处理器发出重判信号，主处理器对全局图像信息进行重新处理并再次发送控制命令，若仍不能吻合，则再次发出重判信号，重复三次后仍然不能吻合，则认为是噪点，放弃对该点的处理；

2)控制***控制移动基本载体完成自主捡球任务的步骤为：当子处理器收到主处理器发出的控制命令，并且子处理器对局部图像信息的处理结果与控制命令一致时，子处理器控制移动基本载体沿主处理器规划的捡球路径行驶；当全局图像信息显示捡球机构与目标球之间距离小于捡球启动距离，且局部图像信息也发现目标球时，子处理器控制移动基本载体继续前进，并控制捡球电机(13)转动，捡球刷(21)逆时针转动，将到达捡球入口(19)的球推至捡球挡板(18)，转动的捡球刷(21)与捡球挡板(18)形成合力，使捡球刷(21)与捡球挡板(18)之间的球不断上升，球达到捡球出口(20)时，由于捡球挡板(18)上边沿比捡球壳体侧壁(16)圆心低ΔH，此刻的捡球刷(21)是倾斜的，因此球在自身重力作用下滚动出捡球机构；当全局图像信息中移动基本载体已完全覆盖目标球位置，且局部图像信息中的球也消失，主处理器认为此次捡球任务已完成，并将捡球个数加一，开始对下一个目标球执行捡球操作；

3)控制***控制移动基本载体完成自主倒球任务的步骤为：当主处理器记录的捡球个数接近球筐(8)的容量时，主处理器启动自主倒球程序；主处理器根据全局视觉图像信息确定移动基本载***置、倒球处(4)位置以及障碍物位置，然后规划倒球路径，使移动基本载体能以最快的方式到达倒球处(4)；主处理器引导移动基本载体到达倒球处(4)前方，调整移动基本载体的运动方向，使移动基本载体尾部对准倒球处(4)，然后子处理器控制倒球电机(12)逆时针转动，倒球叶片(24)从初始位置向上转动β角度，由于倒球电机(12)配有编码器，因此通过编码器的反馈可以控制倒球叶片(24)的转动范围，β角度值需要根据球的体积来确定；由于球筐底面(27)倾斜，倒球叶片(24)转动至高位后，球筐(8)内的球便从球筐出球口(28)落入倒球处(4)；球筐(8)内无球后，子处理器控制倒球叶片(24)向下转动至初始位置，封堵住球筐出球口(28)，完成倒球任务；

4)控制***控制移动基本载体完成自主充电任务的步骤为：电源管理模块时刻检测电池电量，一旦发现电池电量低于额定电量的某一阈值时便向子处理器发出电量不足信号，以使移动基本载体有充足的电量从工作地点运行至充电装置(3)；主处理器接到子处理器发出的电量不足信号后，首先根据全局图像信息确定移动基本载体的位置、充电装置(3)的位置以及障碍物位置，规划充电行驶路径，使移动基本载体能以最快的速度到达充电装置(3)，然后判断机器人的捡球工作进度，当移动基本载体距离目标球捡球启动距离时，直接暂停现在的捡球工作，然后驶向充电装置(3)；若移动基本载体距离目标球小于等于捡球启动距离时，移动基本载体先完成此次捡球操作，然后再驶向充电装置(3)；移动基本载体到达充电装置(3)后首先调整运动方向，使移动基本载体尾部对准充电装置入口(31)，然后倒车进入充电装置(3)，当充电插头(10)与充电插座(32)稳定对接后，电源管理模块检测到充电插头(10)之间存在电压，便向子处理器发出成功对接信号，子处理器控制移动基本载体停止后退，电源管理模块控制电池对移动基本载体的供电回路断开，并将充电插头(10)与电池正负极之间连线接通，开始自动充电，待电池充满，电源管理模块重新将充电插头(10)与电池正负极之间连线断开，然后将电池对移动基本载体的供电回路接通，移动基本载体驶出充电装置(3)，完成自主充电任务；

所述控制***控制移动基本载体进行人机交互的方法为：子处理器控制显示屏实时显示机器人工作状态；人们通过按键查询机器人的详细工作参数，当机器人工作异常时，通过此方式查看机器人的详细参数，以便对***故障进行诊断；

所述控制***实现自保护功能的方法为：限流保护电路实时检测***供电回路的电流值，当出现过流情况时，限流保护电路切断供电回路，以保护***电路的安全；通过紧急按键(15)可以紧急停止机器人的运行。

2.根据权利要求1所述的自主捡球机器人，其特征在于，所述自主捡球机器人工作于单机运行模式时，包括单个移动基本载体、单个充电装置以及控制***，所述的控制***包括单个主处理器模块、单个子处理器模块；所述自主捡球机器人工作于多机协作模式时，包括多个移动基本载体、多个充电装置以及控制***，所述控制***包括单个主处理器模块、多个子处理器模块。

Images