CN108153313A - 基于计算机视觉激光导航雷达及感知传感融合的自行走机器人*** - Google Patents

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Abstract

一种能够降低成本、应用范围广泛的基于计算机视觉激光导航雷达及感知传感融合的自行走机器人***。技术方案是：包括车体(1)，其特征是所述车体(1)为四轮电动驱动结构，在车体(1)上设置有自动驾驶导航仪器平台(4)，所述自动驾驶导航仪器平台(4)上安装有计算机视觉、激光导航雷达、三维视觉(Stereo Vision)三个导航仪器；在车体(1)上安装有多模无线通讯的天线杆(5)，车体(1)的后端安装有被动万向轮(7)，车体(1)的前端安装有嵌入式***控制‑光学编码角速度传感器的电动车轮组合***(8)。

Description

基于计算机视觉激光导航雷达及感知传感融合的自行走机器 人***
技术领域
本发明属于自行走机器人装置领域，尤其是一种能够降低成本、应用范围广泛的基于计算机视觉激光导航雷达及感知传感融合的自行走机器人***。
背景技术
目前自行走机器人采用磁条或激光导航，磁条导航具有成本较高制约因素并受到环境限制。激光导航本身缺少计算机视觉对自然环境的感知和缺少与人工智能技术紧密融合，应用场景有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够降低成本、应用范围广泛的基于计算机视觉激光导航雷达及感知传感融合的自行走机器人***。
本发明的技术方案是：基于计算机视觉激光导航雷达及感知传感融合的自行走机器人***，包括车体(1)，其特征是所述车体(1)为四轮电动驱动结构，在车体(1)上设置有自动驾驶导航仪器平台(4)，所述自动驾驶导航仪器平台(4)上安装有计算机视觉、激光导航雷达、三维视觉(Stereo Vision)三个导航仪器；在车体(1)上安装有多模无线通讯的天线杆(5)，车体(1)的后端安装有被动万向轮(7)，车体(1)的前端安装有嵌入式***控制-光学编码角速度传感器的电动车轮组合***(8)；
所述的计算机视觉、激光导航雷达、三维视觉(Stereo Vision)三个导航仪器由含有RISC CPU中央处理器的嵌入式GPU图形图像阵列处理***服务器GX2SVR(41)、含有RISCCPU中央处理器的嵌入式处理***ED1NOD(42)以及含有RISC CPU中央处理器的嵌入式处理***ED2NOD(43)组成，所述服务器GX2SVR(41)用于对自动行走机器人进行全面的***资源控制管理，实现人工智能算法、智能控制和计算机图像处理运算，并实现嵌入式Web服务器以及含有169Mhz到2.4GHz的多模无线通讯等功能，同时挂带自行走机器人视觉激光导航雷达子***，三维视觉(Stereo Vision)计算机视觉子***及计算机视觉子***；所述***ED1NOD(42)用于控制自行走机器人的驱动运行，通过其MODBUS模块在GX2SVR***服务器管理下输出PWM控制指令实现自动行走机器人各种转弯轨迹计算和控制，***ED2NOD(43)通过8种以上传感器实现对自行走机器人运行状态的实时监测，并通过其MODBUS模块将传感器信息实时报送到服务器GX2SVR(41)。
所述的计算机视觉、激光导航雷达、三维视觉(Stereo Vision)三个导航仪器设置有含有RISC CPU中央处理器的嵌入式处理***ED2NOD和多模无线通讯***和按键式手持控制子***(44)，用于通过多模无线通讯***实现对自行走机器人无线控制。
所述的含有RISC CPU中央处理器的嵌入式GPU图形图像阵列处理***服务器GX2SVR(41)由64比特嵌入式RISC CPU中央处理器及GPU图形图像阵列处理***(412)、含有RF1,RF2和RF3的多模无线通讯子***(413)、计算机视觉子***(416)、视觉激光导航雷达子***(417)和三维视觉(Stereo Vision)计算机视觉子***(418)组成；所述服务器GX2SVR(411)与多模无线通讯子***(43)连接，所述服务器GX2SVR(41)通过USB插件(414)分别与计算机视觉子***(416)和三维视觉(Stereo Vision)计算机视觉子***(418)连接，所述服务器GX2SVR(41)通过MODBUS总线(415)与视觉激光导航雷达子***(417)相连。
所述RF1,RF2实现LF到HF的通讯频段通讯，RF3实现2.4GHz无线通讯。
含有RISC CPU中央处理器的嵌入式处理***ED1NOD(42)由32比特RISC CPU中央处理器(422)、MODBUS总线单元(423)、含有RF1,RF2多模无线通讯子***(424)、J1插件(425)和双直流电机***(427)组成，其中，32比特RISC CPU中央处理器(422)分别与MODBUS总线单元(423)和含有RF1,RF2多模无线通讯子***(424)相连，32比特RISC CPU中央处理器(422)通过J1插件(425)与双直流电机***(427)的电机控制器MOTDRV(426)连接。
所述含有RF1,RF2多模无线通讯子***(424)中RF1,RF2实现LF到HF的通讯频段通讯，其中LF＝169MHz,、433MHz或490MHz，HF为868MHz和915MHz；J1插件(425)用于输出PWM频率信号和GPP电平控制信号，实现对电机控制器MOTDRV的速度和方向的智能调控功能；在嵌入式处理***ED1NOD控制下的双直流电机***(427)驱动整车左边和右边各一个的主动车轮运行。
含有RISC CPU中央处理器的嵌入式处理***ED2NOD(43)由32比特RISC CPU2中央处理器(432)、MODBUS总线单元(434)、综合传感器子***(436)和LSMSEN综合传感器子***(437)组成，其中，32比特RISC CPU2中央处理器(432)分别与MODBUS总线单元(434)、综合传感器子***(436)和LSMSEN综合传感器子***(437)相连；
MODBUS总线单元(434)用于连接64比特RISC CPU嵌入式GPU图形图像阵列处理***服务器GX2SVR，实现数据通讯；
综合传感器子***(436)含有一个ULTSEN超声测距仪、两个超声波避障传感器和2个光学传感器；其中，ULTSEN超声测距仪安装于车底部，用于行走避障测量；两个超声波避障传感器，安装于车前部；2个光学传感器安装于电动车轮组合***，用于测量车轮的运行角速度，通过数学理论方程实现对车辆运行速度的感知功能；
LSMSEN综合传感器子***(437)含GPS或北斗卫星位置定位模块，XYZ加速度传感器模块以及地磁导航用传感器模块。
所述手持无线操作子***(44)由含有RISC CPU中央处理器的嵌入式处理***ED2NOD、手持多模无线通讯子***(444)和按键式手持控制器(446)组成；所述含有RISCCPU中央处理器的嵌入式处理***ED2NOD通过SPI接插件(443)与手持多模无线通讯子***(444)连接；所述含有RISC CPU中央处理器的嵌入式处理***ED2NOD的32比特RISC CPU中央处理器(442)通过USB器件通讯的转接单元(445)与按键式手持控制器(446)连接。
所述车体(1)前端设置有第一自行走机器人动力紧急停车开关(2)，用于多模无线通讯的天线杆(5)上设置车辆行走警示灯和第二自行走机器人动力紧急停车开关，在车体(1)侧端设置有第三自行走机器人动力紧急停车开关(6)，车体(1)前端设置有两个超声波避障传感器(3)。
所述车体(1)的后端设置有两个超声波避障传感器(3)、LCD彩色显示触摸屏(10)和自动行走机器人***的手动按键输入仪表盘(11)，在车体(1)的车底部超声测距仪(12)用于行走避障测量。
本发明的效果是：基于计算机视觉激光导航雷达及感知传感融合的自行走机器人***，车体为四轮电动驱动结构，在车体上设置有自动驾驶导航仪器平台，所述自动驾驶导航仪器平台上安装有计算机视觉、激光导航雷达、三维视觉(Stereo Vision)三个导航仪器；在车体上安装有多模无线通讯的天线杆，车体的后端安装有被动万向轮，车体(1)的前端安装有嵌入式***控制-光学编码角速度传感器的电动车轮组合***。
基于计算机视觉的自动行走机器人***智能控制子***含有RISC CPU中央处理器的嵌入式GPU图形图像阵列处理***服务器GX2SVR，其主要功能是对自动行走机器人进行全面的***资源控制管理，实现人工智能算法，智能控制和计算机图像处理运算，并实现嵌入式Web服务器实现本地和云计算平台无线连接，本***含有169Mhz到2.4GHz(WIFI)的多模无线通讯和无线远程控制，在需要时可以实现人工操作对机器人示教，无线通讯距离可达1000米。本自动行走机器人***同时挂带自行走机器人视觉激光导航雷达子***，三维视觉(Stereo Vision)计算机视觉子***，及计算机视觉子***，支持无磁条，全视觉导航，自动行走功能，特别适用于智能仓储，智能工厂，安防巡检等领域的应用。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为图1的背面结构示意图；
图3为图1的后视图；
图4为本发明控制***的电路框图；
图5为图4中含有RISC CPU中央处理器的嵌入式GPU图形图像阵列处理***服务器硬件***GX2SVR的框图；
图6为图4中含有RISC CPU中央处理器的嵌入式处理***ED1N OD的电路框图；
图7为图4中含有RISC CPU中央处理器的嵌入式处理***ED2N OD的电路框图；
图8为图4中手持无线操作***电路框图；
图9为本发明的工作流程图。
具体实施方式
图1中，基于计算机视觉激光导航雷达及感知传感融合的自行走机器人***，包括车体1，所述车体1为四轮电动驱动结构，在车体1上设置有自动驾驶导航仪器平台4，所述自动驾驶导航仪器平台4上安装有计算机视觉、激光导航雷达、三维视觉(Stereo Vision)三个导航仪器；在车体1上安装有多模无线通讯的天线杆5，车体1的后端安装有被动万向轮7，车体1的前端安装有嵌入式***控制-光学编码角速度传感器的电动车轮组合***8。
车体1前端设置有第一自行走机器人动力紧急停车开关2，用于多模无线通讯的天线杆5上设置车辆行走警示灯和第二自行走机器人动力紧急停车开关，在车体1侧端设置有第三自行走机器人动力紧急停车开关6，车体1前端设置有两个个超声波避障传感器3。图中9该***前端保险杆，14为LSMSEN综合传感器，具有GPS定位，XY Z三轴加速度感知，及地磁指北针传感功能。
图2中，车体1的后端设置有两个超声波避障传感器3、LCD彩色显示触摸屏10和自动行走机器人***的手动按键输入仪表盘11，15为车载嵌入式服务器机箱上置放的机盖，16为电池箱体的盖子。
图3中，在车体1的车底部超声测距仪12用于行走避障测量，3为两个超声波避障传感器，13为2个光学传感器。
图4中，计算机视觉、激光导航雷达、三维视觉(Stereo Vision)三个导航仪器由含有RISC CPU中央处理器的嵌入式GPU图形图像阵列处理***服务器GX2SVR41、含有RISCCPU中央处理器的嵌入式处理***ED1NOD42以及含有RISC CPU中央处理器的嵌入式处理***ED2NOD43组成，所述服务器GX2SVR41用于对自动行走机器人进行全面的***资源控制管理，实现人工智能算法、智能控制和计算机图像处理运算，并实现嵌入式Web服务器以及含有169Mhz到2.4GHz的多模无线通讯等功能，同时挂带自行走机器人视觉激光导航雷达子***，三维视觉(Stereo Vision)计算机视觉子***及计算机视觉子***；所述***ED1NOD42用于控制自行走机器人的驱动运行，通过其MODBUS模块在GX2SVR***服务器管理下输出PWM控制指令实现自动行走机器人各种转弯轨迹计算和控制，***ED2NOD43通过8种以上传感器实现对自行走机器人运行状态的实时监测，并通过其MODBUS模块将传感器信息实时报送到服务器GX2SVR41。
计算机视觉、激光导航雷达、三维视觉(Stereo Vision)三个导航仪器设置有含有RISC CPU中央处理器的嵌入式处理***ED2NOD和多模无线通讯***和按键式手持控制子***44，用于通过多模无线通讯***实现对自行走机器人无线控制。
图5中，含有RISC CPU中央处理器的嵌入式GPU图形图像阵列处理***服务器GX2SVR由64比特嵌入式RISC CPU中央处理器及GPU图形图像阵列处理***412、含有RF1,RF2和RF3的多模无线通讯子***413、计算机视觉子***416、视觉激光导航雷达子***417和三维视觉(Stereo Vision)计算机视觉子***418组成；所述服务器GX2SVR411与多模无线通讯子***43连接，所述服务器GX2SVR通过USB插件414分别与计算机视觉子***416和三维视觉(Stereo Vision)计算机视觉子***418连接，所述服务器GX2SVR通过MODBUS总线415与视觉激光导航雷达子***417相连。RF1,RF2实现LF到HF的通讯频段通讯，RF3实现2.4GHz无线通讯。
图6中，含有RISC CPU中央处理器的嵌入式处理***ED1NOD由32比特RISC CPU中央处理器422、MODBUS总线单元423、含有RF1,RF2多模无线通讯子***424、J1插件425和双直流电机***427组成，其中，32比特RISC CPU中央处理器422分别与MODBUS总线单元423和含有RF1,RF2多模无线通讯子***424相连，32比特RISC CPU中央处理器422通过J1插件425与双直流电机***427的电机控制器MOTDRV426连接。
含有RF1,RF2多模无线通讯子***424中RF1,RF2实现LF到HF的通讯频段通讯，其中LF＝169MHz,、433MHz或490MHz，HF为868MHz和915MHz；J1插件425用于输出PWM频率信号和GPP电平控制信号，实现对电机控制器MOTDRV的速度和方向的智能调控功能；在嵌入式处理***ED1NOD控制下的双直流电机***427驱动整车左边和右边各一个的主动车轮运行。
图7中，含有RISC CPU中央处理器的嵌入式处理***ED2NOD由32比特RISC CPU2中央处理器432、MODBUS总线单元434、综合传感器子***436和LSMSEN综合传感器子***437组成，其中，32比特RISC CPU2中央处理器432分别与MODBUS总线单元434、综合传感器子***436和LSMSEN综合传感器子***437相连；
MODBUS总线单元434用于连接64比特RISC CPU嵌入式GPU图形图像阵列处理***服务器GX2SVR，实现数据通讯；
综合传感器子***436含有一个ULTSEN超声测距仪、两个超声波避障传感器和2个光学传感器；其中，ULTSEN超声测距仪安装于车底部，用于行走避障测量；两个超声波避障传感器，安装于车前部；2个光学传感器安装于电动车轮组合***，用于测量车轮的运行角速度，通过数学理论方程实现对车辆运行速度的感知功能；
LSMSEN综合传感器子***437含GPS或北斗卫星位置定位模块，XYZ加速度传感器模块以及地磁导航用传感器模块。
图8中，手持无线操作子***44由含有RISC CPU中央处理器的嵌入式处理***ED2NOD、手持多模无线通讯子***444和按键式手持控制器446组成；所述含有RISC CPU中央处理器的嵌入式处理***ED2NOD通过SPI接插件443与手持多模无线通讯子***444连接；所述含有RISC CPU中央处理器的嵌入式处理***ED2NOD的32比特RISC CPU中央处理器442通过USB器件通讯的转接单元445与按键式手持控制器446连接。
图9中，基于计算机视觉激光导航雷达及感知传感融合的自行走机器人***工作原理流程包括下列步骤：
第1步，启动整车电力，进入工作状态初始设置；
第2步，测试无线通讯工作正常，并调整最优通讯信道，同时开启激光导航雷达、计算机视觉、超声测距仪，嵌入式***读取数据和视频图像；
第3步，手动示教调度车辆到达工作起始位置；
第4步，VIDCAM计算机视觉子***,LRDCAM视觉激光导航雷达子***,STRCAM三维视觉(Stereo Vision)计算机视觉子***进入正常工作，导航开始，嵌入式GPU图形图像阵列处理***服务器GX2SVR实施对自行走机器人全面***资源控制管理，智能控制和计算机图像处理运算，并实现嵌入式Web服务器以及含有169Mhz到2.4GHz(WIFI)的多模无线通讯等功能；
第5步，整车***进入自动驾驶运行；
第6步，检查是否运行正常，是否有驾驶或安全问题，如果没有问题，进入第7步，否则如果有问题，进入第8步；
第7步，询问嵌入式GPU图形图像阵列处理***服务器GX2SVR是否继续运行，如果继续，进入第4步，否则正常停止运行，完成运行工作；
第8步，根据出现的问题，嵌入式GPU图形图像阵列处理***服务器GX2SVR对自动驾驶运行参数进行优化调整。

Claims (10)

1.基于计算机视觉激光导航雷达及感知传感融合的自行走机器人***，包括车体(1)，其特征是所述车体(1)为四轮电动驱动结构，在车体(1)上设置有自动驾驶导航仪器平台(4)，所述自动驾驶导航仪器平台(4)上安装有计算机视觉、激光导航雷达、三维视觉(Stereo Vision)三个导航仪器；在车体(1)上安装有多模无线通讯的天线杆(5)，车体(1)的后端安装有被动万向轮(7)，车体(1)的前端安装有嵌入式***控制-光学编码角速度传感器的电动车轮组合***(8)；
所述的计算机视觉、激光导航雷达、三维视觉(Stereo Vision)三个导航仪器由含有RISC CPU中央处理器的嵌入式GPU图形图像阵列处理***服务器GX2SVR(41)、含有RISCCPU中央处理器的嵌入式处理***ED1NOD(42)以及含有RISC CPU中央处理器的嵌入式处理***ED2NOD(43)组成，所述服务器GX2SVR(41)用于对自动行走机器人进行全面的***资源控制管理，实现人工智能算法、智能控制和计算机图像处理运算，并实现嵌入式Web服务器以及含有169Mhz到2.4GHz的多模无线通讯等功能，同时挂带自行走机器人视觉激光导航雷达子***，三维视觉(Stereo Vision)计算机视觉子***及计算机视觉子***；所述***ED1NOD(42)用于控制自行走机器人的驱动运行，通过其MODBUS模块在GX2SVR***服务器管理下输出PWM控制指令实现自动行走机器人各种转弯轨迹计算和控制，***ED2NOD(43)通过8种以上传感器实现对自行走机器人运行状态的实时监测，并通过其MODBUS模块将传感器信息实时报送到服务器GX2SVR(41)。
2.根据权利要求1所述的基于计算机视觉激光导航雷达及感知传感融合的自行走机器人***，其特征是所述的计算机视觉、激光导航雷达、三维视觉(Stereo Vision)三个导航仪器设置有含有RISC CPU中央处理器的嵌入式处理***ED2NOD和多模无线通讯***和按键式手持控制子***(44)，用于通过多模无线通讯***实现对自行走机器人无线控制。
3.根据权利要求1或2所述的基于计算机视觉激光导航雷达及感知传感融合的自行走机器人***，其特征是所述的含有RISC CPU中央处理器的嵌入式GPU图形图像阵列处理***服务器GX2SVR(41)由64比特嵌入式RISC CPU中央处理器及GPU图形图像阵列处理***(412)、含有RF1,RF2和RF3的多模无线通讯子***(413)、计算机视觉子***(416)、视觉激光导航雷达子***(417)和三维视觉(Stereo Vision)计算机视觉子***(418)组成；所述服务器GX2SVR(411)与多模无线通讯子***(43)连接，所述服务器GX2SVR(41)通过USB插件(414)分别与计算机视觉子***(416)和三维视觉(Stereo Vision)计算机视觉子***(418)连接，所述服务器GX2SVR(41)通过MODBUS总线(415)与视觉激光导航雷达子***(417)相连。
4.根据权利要求3所述的基于计算机视觉激光导航雷达及感知传感融合的自行走机器人***，其特征是所述RF1,RF2实现LF到HF的通讯频段通讯，RF3实现2.4GHz无线通讯。
5.根据权利要求1或2所述的基于计算机视觉激光导航雷达及感知传感融合的自行走机器人***，其特征是含有RISC CPU中央处理器的嵌入式处理***ED1NOD(42)由32比特RISC CPU中央处理器(422)、MODBUS总线单元(423)、含有RF1,RF2多模无线通讯子***(424)、J1插件(425)和双直流电机***(427)组成，其中，32比特RISC CPU中央处理器(422)分别与MODBUS总线单元(423)和含有RF1,RF2多模无线通讯子***(424)相连，32比特RISCCPU中央处理器(422)通过J1插件(425)与双直流电机***(427)的电机控制器MOTDRV(426)连接。
6.根据权利要求5所述的基于计算机视觉激光导航雷达及感知传感融合的自行走机器人***，其特征是所述含有RF1,RF2多模无线通讯子***(424)中RF1,RF2实现LF到HF的通讯频段通讯，其中LF＝169MHz,、433MHz或490MHz，HF为868MHz和915MHz；J1插件(425)用于输出PWM频率信号和GPP电平控制信号，实现对电机控制器MOTDRV的速度和方向的智能调控功能；在嵌入式处理***ED1NOD控制下的双直流电机***(427)驱动整车左边和右边各一个的主动车轮运行。
7.根据权利要求1或2所述的基于计算机视觉激光导航雷达及感知传感融合的自行走机器人***，其特征是含有RISC CPU中央处理器的嵌入式处理***ED2NOD(43)由32比特RISC CPU2中央处理器(432)、MODBUS总线单元(434)、综合传感器子***(436)和LSMSEN综合传感器子***(437)组成，其中，32比特RISC CPU2中央处理器(432)分别与MODBUS总线单元(434)、综合传感器子***(436)和LSMSEN综合传感器子***(437)相连；
MODBUS总线单元(434)用于连接64比特RISC CPU嵌入式GPU图形图像阵列处理***服务器GX2SVR，实现数据通讯；
综合传感器子***(436)含有一个ULTSEN超声测距仪、两个超声波避障传感器和2个光学传感器；其中，ULTSEN超声测距仪安装于车底部，用于行走避障测量；两个超声波避障传感器，安装于车前部；2个光学传感器安装于电动车轮组合***，用于测量车轮的运行角速度，通过数学理论方程实现对车辆运行速度的感知功能；
LSMSEN综合传感器子***(437)含GPS或北斗卫星位置定位模块，XYZ加速度传感器模块以及地磁导航用传感器模块。
8.根据权利要求2所述的基于计算机视觉激光导航雷达及感知传感融合的自行走机器人***，其特征是所述手持无线操作子***(44)由含有RISC CPU中央处理器的嵌入式处理***ED2NOD、手持多模无线通讯子***(444)和按键式手持控制器(446)组成；所述含有RISC CPU中央处理器的嵌入式处理***ED2NOD通过SPI接插件(443)与手持多模无线通讯子***(444)连接；所述含有RISC CPU中央处理器的嵌入式处理***ED2NOD的32比特RISCCPU中央处理器(442)通过USB器件通讯的转接单元(445)与按键式手持控制器(446)连接。
9.根据权利要求1所述的基于计算机视觉激光导航雷达及感知传感融合的自行走机器人***，其特征是所述车体(1)前端设置有第一自行走机器人动力紧急停车开关(2)，用于多模无线通讯的天线杆(5)上设置车辆行走警示灯和第二自行走机器人动力紧急停车开关，在车体(1)侧端设置有第三自行走机器人动力紧急停车开关(6)，车体(1)前端设置有两个超声波避障传感器(3)。
10.根据权利要求1所述的基于计算机视觉激光导航雷达及感知传感融合的自行走机器人***，其特征是所述车体(1)的后端设置有两个超声波避障传感器(3)、LCD彩色显示触摸屏(10)和自动行走机器人***的手动按键输入仪表盘(11)，在车体(1)的车底部超声测距仪(12)用于行走避障测量。
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