CN103345252A - 智能捡球机器人***及其捡球方法 - Google Patents

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曹洁
马飞
牛丽波
王进花
贵向泉
耿振节
朱小琴
张玲
侯亮
陈牧
王川
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Abstract

智能捡球机器人***及其捡球方法，该***由基于视觉识别和多传感器数据融合的智能捡球机器人、无线通讯网络、上位机数据显示界面组成。智能捡球机器人由图像采集***、避障***、动力***、捡球计数***、信息处理***组成，通过多***的协调控制；其方法步骤为，避障***启动，优先避障；图像采集***启动，分别在0度、45度、90度三个角度采集图像信息，将采集到的图像信息送至动作控制中心（1-1）处理，确定球体所处位置；动力***启动，捡球计数***启动，捡球机构将球体的过程中，计数机构中的红外计数传感器将采集到的球体数量信息发送至计数控制中心，计数控制中心处理后将实时数据发送到到上位机显示界面（2）。

Description

智能捡球机器人***及其捡球方法
技术领域
 本发明涉及网球、乒乓球等场馆的用于捡球的机器人。
背景技术
  乒乓球、网球场馆的捡球工作是一项繁重的体力劳动，人工捡球费时费力，且效率不高。近年来，人们不断尝试用智能机器人代替人工来从事此项工作。目前，已提出专利申请的双模智能捡球机器人控制***（申请号：CN201310155091.1）利用两种工作模式相互结合的特点解决了捡取乒乓球、网球的问题。但其捡球效率较低，智能性较差，且不具备对所捡取的球体个数信息进行本地显示和远程显示的功能。因此，研发一种基于视觉识别和多传感器数据融合的智能捡球机器人***来提高捡球效率、提升智能性、实现捡球计数是十分必要的。
发明内容
  本发明的目的是提供一种智能捡球机器人***及其捡球方法。
 本发明是智能捡球机器人***及其捡球方法，智能捡球机器人***，由基于视觉识别和多传感器数据融合的智能捡球机器人1、无线通讯网络2、上位机数据显示界面3组成；基于视觉识别和多传感器数据融合的智能捡球机器人1由图像采集***、避障***、动力***、捡球计数***、信息处理***组成，智能捡球机器人1的图像采集***包括摄像头1-42、第八舵机1-27、舵机动力轴1-43、舵机支撑轴1-44，其中：第八舵机1-27控制摄像头1-42分别在0度、45度、90度三个位置采集图像信息；避障***包括第一红外传感器1-8、第二红外传感器1-21、第三红外传感器1-22、第四红外传感器1-9、第五红外传感器1-11、第六红外传感器1-18、第七红外传感器1-20、第五舵机1-10、第六舵机1-17、第七舵机1-19，其中：第一红外传感器1-8、第二红外传感器1-21、第三红外传感器1-22、第四红外传感器1-9为4个固定位置的传感器；第五舵机1-10控制第五红外传感器1-11、第六舵机1-17控制第六红外传感器1-18、第七舵机1-19控制第七红外传感器1-20组成3组能成角度摆动的、检测前方、左方和右方的障碍物的传感器；动力***包括第一舵机1-25、第二舵机1-30、第三舵机1-29、第四舵机1-26、第一全向轮1-15、第二全向轮1-23、第三全向轮1-24、第四全向轮1-16，其中：第一舵机1-25控制第一全向轮1-15、第二舵机1-30控制第二全向轮1-23、第三舵机1-29控制第三全向轮1-24、第四舵机1-26控制第四全向轮1-16组成4组动力装置；第一全向轮1-15、第二全向轮1-23、第三全向轮1-24、第四全向轮1-16与智能捡球机器人1的对称面的夹角均为60度；捡球计数***包括第一护球板1-39、第二护球板1-40、捡球叶轮1-13、第九舵机1-28、挡球板1-12、阻球板1-4、红外计数传感器1-5、储球盒1-7，其中：第一护球板1-39与第二护球板1-40保证球体1-14顺利进入捡球机构；第九舵机1-28、捡球叶轮1-13、挡球板1-12组成捡球计数***的捡球机构，第九舵机1-28控制捡球叶轮1-13将球体1-14捡起；红外计数传感器1-5、阻球板1-4组成捡球计数***的计数机构；信息处理***包括动作控制中心1-1、计数控制中心1-2；动作控制中心1-1由第一电源模块1-54、第一MCU1-48、RS232 1-59、第三MCU 1-49、NOR FLASH 16M 1-55、NADN FLASH 128M 1-56、SDRAM 16M 1-57组成；计数控制中心1-2由第二电源模块1-51、第二MCU1-50组成；动作控制中心1-1处理来自第一红外传感器1-8、第二红外传感器1-21、第三红外传感器1-22、第四红外传感器1-9、第五红外传感器1-11、第六红外传感器1-18、第七红外传感器1-20探测到的障碍物信息和摄像头1-42采集到的图像信息，并控制第一舵机1-25、第二舵机1-30、第三舵机1-29、第四舵机1-26、第五舵机1-10、第六舵机1-17、第七舵机1-19、第八舵机1-27、第九舵机1-28协调动作，避障和智能捡球；计数控制中心1-2处理来自红外计数传感器1-5采集的球体数量信息，将实时数据显示到液晶显示器1-6，并经过无线通讯网络3将实时数据同步传送至上位机显示界面2，实时监控球体数量。
智能捡球机器人的捡球方法，其步骤为：
A：避障***启动， 4个固定位置的红外传感器和3组能成角度摆动的红外传感器同时动作，扫描前方，或者左方，或者右方，或者斜后方的270度范围内的障碍物，优先避障；
B：图像采集***启动，第八舵机（1-27）控制摄像头（1-42）分别在0度、45度、90度三个角度采集图像信息，摄像头（1-42）将采集到的图像信息经USB（1-58）发送至动作控制中心（1-1）处理，确定球体所处位置；
C：动力***启动，4组动力装置依据动作控制中心（1-1）发出的指令朝球体运动并将其捡起；
D：捡球计数***启动，捡球机构将球体的过程中，计数机构中的红外计数传感器（1-5）将采集到的球体数量信息发送至计数控制中心（1-2），计数控制中心（1-2）处理后将实时数据发送到到液晶显示器（1-6）和上位机显示界面（2）。
 本发明的有益之处在于：基于视觉识别和多传感器数据融合的智能捡球机器人场地的适应能力强、智能化程度高。应用图像处理技术，使捡球效率大幅度提高。采用多传感器融合技术使避障、计数功能的实现更加简单，节省了硬件资源，提高了代码的执行效率。
附图说明
图1是***结构框图，图2是机器人整体透视图，图3是机器人俯视剖视图，图4是机器人正视图，图5是机器人左视图，图6是机器人右视图，图7是机器人后视图，图8是图像采集模块及关联器件结构图，图9是全向轮正视图，图10是全向轮侧视图，图11是技术控制中心结构图，图12是动作控制中心结构图，图13是动力装置结构图。
附图标记及对应名称为：智能捡球机器人1，上微机数据显示界面2，无线通讯网络3，动作控制中心1-1，计数控制中心1-2，摄像头模块1-3，阻球板1-4，红外计数传感器1-5，液晶显示器1-6，储球盒1-7，第一红外传感器1-8，第四红外传感器1-9，第五舵机1-10，第五红外传感器1-11，挡球板1-12，捡球叶轮1-13，球体1-14，第一全向轮1-15，第四全向轮1-16，第六舵机1-17，第六红外传感器1-18，第七舵机1-19，第七红外传感器1-20，第二红外传感器1-21，第三红外传感器1-22，第二全向轮1-23，第三全向轮1-24，第一舵机1-25，第四舵机1-26，第八舵机1-27，第九舵机1-28，第三舵机1-29，第二舵机1-30，第一合叶1-31，第二合叶1-32，第三合叶1-33，第四合叶1-34，第五合叶1-35，第六合叶1-36，左侧门开关1-37，右侧门开关1-38，第一护球板1-39，第二护球板1-40，后门开关提手1-41，摄像头1-42，舵机动力轴1-43，舵机支撑轴1-44，左侧门1-45，右侧门1-46，后门1-47，第一MCU 1-48，第三MCU 1-49，第二MUC 1-50，第二电源模块1-51，第一无线通讯模块1-52，第二无线通讯模块1-53，第一电源模块1-54，NOR FLASH 16M 1-55， NADN FLASH 128M 1-56，DRAM 16M 1-57，USB 1-58，RS232 1-59。
具体实施方式
如图1所示，本发明的智能捡球机器人***由智能捡球机器人1、无线通讯网络2、上位机数据显示界面3组成。
如图2、图3所示，智能捡球机器人***由智能捡球机器人、图像采集***、避障***、动力***、捡球计数***、信息处理***组成。
如图2、图8、图12所示，智能捡球机器人1的图像采集***包括摄像头1-42、第八舵机1-27、舵机动力轴1-43、舵机支撑轴1-44，其特点是：动作控制中心1-1控制第八舵机1-27，第八舵机1-27控制摄像头1-42分别在0度、45度、90度三个位置采集图像信息。
如图2、图3、图9、图10、图13所示，智能捡球机器人***的动力***为第一舵机1-25控制第一全向轮1-15、第二舵机1-30控制第二全向轮1-23、第三舵机1-29控制第三全向轮1-24、第四舵机1-26控制第四全向轮1-16组成的4组动力装置，第一全向轮1-15、第二全向轮1-23、第三全向轮1-24、第四全向轮1-16与智能捡球机器人1对称面的夹角均为60度，并且4组动力装置的动作均由动作控制中心1-1控制。
如图2、图3、图4、图5、图6、图7、图12所示，智能捡球机器人***的避障***包括第一红外传感器1-8、第二红外传感器1-21、第三红外传感器1-22、第四红外传感器1-9组成的4个固定位置的传感器，第五舵机1-10控制的第五红外传感器1-11、第六舵机1-17控制的第六红外传感器1-18、第七舵机1-19控制的第七红外传感器1-20组成的3组可成角度摆动的传感器，动作控制中心1-1通过处理这些传感器采集的信息，控制4组动力装置达到避障的目的。
如图2、图3、图4所示，智能捡球机器人***的捡球计数***，第一护球板1-39与第二护球板1-40保证球体1-14顺利进入捡球机构；第九舵机1-28、捡球叶轮1-13、挡球板1-12组成捡球计数***的捡球机构；第九舵机1-28控制捡球叶轮1-13将球体1-14捡起；红外计数传感器1-5、阻球板1-4组成捡球计数***的计数机构；阻球板1-4起到防止因球体1-14的晃动而影响红外计数传感器1-5计数效果的作用。
如图2、图11、图12所示，智能捡球机器人***的信息处理***包括动作控制中心1-1、计数控制中心1-2；动作控制中心1-1由第一电源模块1-54、第一MCU1-48、RS232 1-59、第三MCU1-49、NOR FLASH 16M 1-55、NADN FLASH 128M 1-56、SDRAM 16M 1-57组成；计数控制中心1-2由第二电源模块1-51、第二MCU1-50组成；动作控制中心1-1处理来自第一红外传感器1-8、第二红外传感器1-21、第三红外传感器1-22、第四红外传感器1-9、第五红外传感器1-11、第六红外传感器1-18、第七红外传感器1-20探测到的障碍物信息和摄像头1-42采集到的图像信息，并控制第一舵机1-25、第二舵机1-30、第三舵机1-29、第四舵机1-26、第五舵机1-10、第六舵机1-17、第七舵机1-19、第八舵机1-27、第九舵机1-28协调动作，达到避障和智能捡球的目的；计数控制中心1-2处理来自红外计数传感器1-5采集的球体数量信息，将实时数据显示到液晶显示器1-6，并经过无线通讯网络3将实时数据同步传送至上位机显示界面2，达到实时监控球体数量的目的。
如图5、图6、图7所示，智能捡球机器人1的左侧门1-45由第一合叶1-31、第二合叶1-32固定，左侧门开关1-37控制左侧门1-45的关闭情况；智能捡球机器人1的右侧门1-46由第三合叶1-33、第四合叶1-34固定，右侧门开关1-38控制右侧门1-46的关闭情况；智能捡球机器人1的后门1-47由第五合叶1-35、第六合叶1-36固定，后门开关提手1-41控制后门1-47的关闭情况。左侧门1-45、右侧门1-46、后门1-47的协调运用，使操作者取球与维护更加方便。
本发明的具体捡球过程为：
捡球方法：在智能捡球机器人1开机后，信息处理***依据预设程序，首先避障***被激活，其中的4个固定红外传感器和3组可成角度摆动的传感器同时动作，扫描周围270度范围（尾部90度范围除外）内的障碍物，优先避障；其次图像采集***被激活，第八舵机1-27控制摄像头1-42分别在0度、45度、90度三个角度采集图像信息，摄像头1-42将采集到的图像信息经USB1-58发送至动作控制中心1-1处理；最后动力***被激活，4组动力装置依据动作控制中心1-1发出的捡球信号朝确定目标运动，同时捡球计数***被激活，捡球机构将球体捡起，计数机构中的红外计数传感器1-5将采集到的球体数量信息发送至计数控制中心1-2，计数控制中心1-2处理后将实时数据显示到液晶显示器1-6和上位机显示界面2。
捡球路径：智能捡球机器人1完成上述的捡球方法后，由于4组动力装置具有全向转动的优势，智能捡球机器人1按顺时针方向转动两次，每次转动角度为30度，在每次转向30度结束后，执行上述的捡球方法；之后智能捡球机器人1向前运动一段距离，执行上述的捡球方法，完成后，智能捡球机器人1按逆时针方向转动两次，每次转动角度为30度，在每次转向30度结束后，执行上述的捡球方法。
循环上述捡球方法和捡球路径，即为智能捡球机器人1的具体捡球过程。

Claims (5)

1.智能捡球机器人***，其特征在于：该***由基于视觉识别和多传感器数据融合的智能捡球机器人（1）、无线通讯网络（2）、上位机数据显示界面（3）组成；基于视觉识别和多传感器数据融合的智能捡球机器人（1）由图像采集***、避障***、动力***、捡球计数***、信息处理***组成，智能捡球机器人（1）的图像采集***包括摄像头（1-42）、第八舵机（1-27）、舵机动力轴（1-43）、舵机支撑轴（1-44），其中：第八舵机（1-27）控制摄像头（1-42）分别在0度、45度、90度三个位置采集图像信息；避障***包括第一红外传感器（1-8）、第二红外传感器（1-21）、第三红外传感器（1-22）、第四红外传感器（1-9）、第五红外传感器（1-11）、第六红外传感器（1-18）、第七红外传感器（1-20）、第五舵机（1-10）、第六舵机（1-17）、第七舵机（1-19），其中：第一红外传感器（1-8）、第二红外传感器（1-21）、第三红外传感器（1-22）、第四红外传感器（1-9）为4个固定位置的传感器；第五舵机（1-10）控制第五红外传感器（1-11）、第六舵机（1-17）控制第六红外传感器（1-18）、第七舵机（1-19）控制第七红外传感器（1-20）组成3组能成角度摆动的、检测前方、左方和右方的障碍物的传感器；动力***包括第一舵机（1-25）、第二舵机（1-30）、第三舵机（1-29）、第四舵机（1-26）、第一全向轮（1-15）、第二全向轮（1-23）、第三全向轮（1-24）、第四全向轮（1-16），其中：第一舵机（1-25）控制第一全向轮（1-15）、第二舵机（1-30）控制第二全向轮（1-23）、第三舵机（1-29）控制第三全向轮（1-24）、第四舵机（1-26）控制第四全向轮（1-16）组成4组动力装置；第一全向轮（1-15）、第二全向轮（1-23）、第三全向轮（1-24）、第四全向轮（1-16）与智能捡球机器人（1）的对称面的夹角均为60度；捡球计数***包括第一护球板（1-39）、第二护球板（1-40）、捡球叶轮（1-13）、第九舵机（1-28）、挡球板（1-12）、阻球板（1-4）、红外计数传感器（1-5）、储球盒（1-7），其中：第一护球板（1-39）与第二护球板（1-40）保证球体（1-14）顺利进入捡球机构；第九舵机（1-28）、捡球叶轮（1-13）、挡球板（1-12）组成捡球计数***的捡球机构，第九舵机（1-28）控制捡球叶轮（1-13）将球体（1-14）捡起；红外计数传感器（1-5）、阻球板（1-4）组成捡球计数***的计数机构；信息处理***包括动作控制中心（1-1）、计数控制中心（1-2）；动作控制中心（1-1）由第一电源模块（1-54）、第一MCU（1-48）、RS232（1-59）、第三MCU（1-49）、NOR FLASH 16M（1-55）、NADN FLASH 128M（1-56）、SDRAM 16M（1-57）组成；计数控制中心（1-2）由第二电源模块（1-51）、第二MCU（1-50）组成；动作控制中心（1-1）处理来自第一红外传感器（1-8）、第二红外传感器（1-21）、第三红外传感器（1-22）、第四红外传感器（1-9）、第五红外传感器（1-11）、第六红外传感器（1-18）、第七红外传感器（1-20）探测到的障碍物信息和摄像头（1-42）采集到的图像信息，并控制第一舵机（1-25）、第二舵机（1-30）、第三舵机（1-29）、第四舵机（1-26）、第五舵机（1-10）、第六舵机（1-17）、第七舵机（1-19）、第八舵机（1-27）、第九舵机（1-28）协调动作，避障和智能捡球；计数控制中心（1-2）处理来自红外计数传感器（1-5）采集的球体数量信息，将实时数据显示到液晶显示器（1-6），并经过无线通讯网络（3）将实时数据同步传送至上位机显示界面（2），实时监控球体数量。
2.根据权利要求1所述的智能捡球机器人***，其特征在于：智能捡球机器人（1）的左侧门（1-45）由第一合叶（1-31）、第二合叶（1-32）固定，左侧门开关（1-37）控制左侧门（1-45）的关闭；智能捡球机器人（1）的右侧门（1-46）由第三合叶（1-33）、第四合叶（1-34）固定，右侧门开关（1-38）控制右侧门（1-46）的关闭；智能捡球机器人（1）的后门（1-47）由第五合叶（1-35）、第六合叶（1-36）固定，后门开关提手（1-41）控制后门（1-47）的关闭；左侧门（1-45）、右侧门（1-46）、后门（1-47）的协调运用。
3.根据权利要求1所述的智能捡球机器人***，其特征在于的动作控制中心（1-1）的第一MCU（1-48）采用PXA270微处理器，第三MCU（1-49）采用AVR Mega128微处理器；计数控制中心（1-2）的第二MCU（1-50）采用AT89S52微处理器。
4.智能捡球机器人***的捡球方法，其步骤为：
A：避障***启动， 4个固定位置的红外传感器和3组能成角度摆动的红外传感器同时动作，扫描前方，或者左方，或者右方，或者斜后方的270度范围内的障碍物，优先避障；
B：图像采集***启动，第八舵机（1-27）控制摄像头（1-42）分别在0度、45度、90度三个角度采集图像信息，摄像头（1-42）将采集到的图像信息经USB（1-58）发送至动作控制中心（1-1）处理，确定球体所处位置；
C：动力***启动，4组动力装置依据动作控制中心（1-1）发出的指令朝球体运动并将其捡起；
D：捡球计数***启动，捡球机构将球体的过程中，计数机构中的红外计数传感器（1-5）将采集到的球体数量信息发送至计数控制中心（1-2），计数控制中心（1-2）处理后将实时数据发送到到液晶显示器（1-6）和上位机显示界面（2）。
5.根据权利要求4所述的智能捡球机器人***的捡球方法，其特征在于：智能捡球机器人（1）的捡球运动轨迹为折线形路径；智能捡球机器人（1）完成权利要求4所述的捡球方法后，由于第一舵机（1-25）控制第一全向轮（1-15）、第二舵机（1-30）控制第二全向轮（1-23）、第三舵机（1-29）控制第三全向轮（1-24）、第四舵机（1-26）控制第四全向轮（1-16）组成的4组动力装置能够进行全向转动，智能捡球机器人（1）按顺时针方向转动两次，每次转动角度为30度，在每次转向30度结束后，执行权利要求4所述的捡球方法；然后，智能捡球机器人（1）向前运动2米，执行权利要求4所述的捡球方法；最后，智能捡球机器人（1）按逆时针方向转动两次，每次转动角度为30度，在每次转向30度结束后，执行权利要求4所述的捡球方法；循环上述步骤，即为智能捡球机器人（1）的捡球运动轨迹。
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