CN111813129A - 一种基于立体视觉的狭小空间远程搜救机器人的避障方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于立体视觉的狭小空间远程搜救机器人的避障方法，属于机器人技术领域，建立机器人避障***，通过首选控制舵机选择角度，测量左右两边的障碍物距离，然后再控制小车底盘进行相应的旋转动作，解决了机器人在狭小空间进行快速行进和避障的技术问题，本发明采用两种行进速度来控制机器人小车，极大的增加了小车的行进速度，减少了搜救的时间，本发明采用无校验位的协议包括的形式进行通信，加快了协议通信的速度，提高了机器人小车的反应速度。

Description

一种基于立体视觉的狭小空间远程搜救机器人的避障方法
技术领域
本发明属于机器人技术领域，涉及一种基于立体视觉的狭小空间远程搜救机器人的避障方法。
背景技术
当发生地震等自然灾害时，受困人员往往被困在倒塌的建筑物内，由于空间狭小，无法发出求救信息，因此外部救援人员也无法及时发现狭小空间内的被困人员，并且由于狭小空间内情况复杂，会给救援人员的搜救工作造成阻碍。
狭小空间远程监控搜救机器人则可以对搜救工作起到极大的帮助。
目前狭小空间远程监控搜救机器人存在以下缺点：
1.行进速度慢，行进速度单一；
2.数据传输协议复杂，无法快速进行相应。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于立体视觉的狭小空间远程搜救机器人的避障方法，解决了机器人在狭小空间进行快速行进和避障的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于立体视觉的狭小空间远程搜救机器人的避障方法，包括如下步骤：
步骤1：建立机器人避障***，机器人避障***包括机器人小车、手持控制终端、树莓派路由板、主控制器、超声波模块、图像采集模块和电机驱动模块，机器人小车包括小车底盘和舵机云台，电机驱动模块、树莓派路由板和主控制器设于第一线路板上，第一线路板固设于小车底盘上，电机驱动模块与主控制器连接，用于驱动小车底盘上的电动机，树莓派路由板通过串口与主控制器通信；
图像采集模块和超声波模块设于舵机云台上，图像采集模块跟随舵机云台进行上、下、左、右各180度旋转，超声波模块跟随舵机云台进行左、右各180度旋转；
图像采集模块和超声波模块均通过数据线与主控制器电连接；
树莓派路由板通过WIFI网络与手持控制终端通信；
舵机云台通过串口总线与主控制器通信；
步骤2：主控制器通过树莓派路由板构建局域网，其步骤如下：
步骤A1：创建一个接口Socket，建立一个IP地址，用于监听有效的Socket端口；
步骤A2：调用accept函数从连接请求队列中获得连接信息，等待与手持控制终端构成连接；
步骤A3：若连接成功，则主控制器的线程与手持控制终端进行数据通信，主控制器根据手持控制终端的请求做出相应的处理，数据通信完成后，主控制器关闭该线程，重新进入主线程循环；
步骤3：主控制器创建协议包数据库，并通过树莓派路由板将协议包数据库发送给手持控制终端，手持控制终端根据协议包数据库中的协议与主控制器通信；
步骤4：机器人避障***根据以下步骤进行自动避障：
步骤B1：主控制器对舵机云台、超声波模块、图像采集模块和电机驱动模块进行初始化，并根据步骤2的方法，通过树莓派路由板构建局域网；
手持控制终端通过局域网建立与主控制器之间的通信；
步骤B2：超声波模块实时监测前方障碍物的距离信息，并将距离信息发送给主控制器，距离信息包括前方障碍物的距离值；
步骤B3：主控制器判断前方障碍物的距离值是否小于10cm：是，则执行步骤B5；否，则执行步骤B4；
步骤B4：主控制器通过电机驱动模块控制小车底盘直走，执行步骤B2；
步骤B5：主控制器开启计时器，并通过电机驱动模块控制小车底盘后退，直到计时器计时完毕，主控制器通过电机驱动模块控制小车底盘停止；
步骤B6：主控制器通过串口控制舵机云台向左旋转90度，超声波模块再次测量前方障碍物距离，生成左方障碍物距离信息，主控制器保存左方障碍物距离信息；
左方障碍物距离信息包括左方障碍物的距离值；
主控制器通过串口控制舵机云台向右旋转180度，超声波模块再次测量前方障碍物距离，生成右方障碍物距离信息，主控制器保存右方障碍物距离信息；
右方障碍物距离信息包括右方障碍物的距离值；
步骤B7：主控制器判断右方障碍物的距离值和左方障碍物的距离值是否均小于10cm：是，则执行步骤B8；否，则执行步骤B10；
步骤B8：主控制器通过电机驱动模块控制小车底盘向右旋转180度，并控制舵机云台向左旋转90度；
步骤B9：主控制器通过电机驱动模块控制小车底盘直走，执行步骤B2；
步骤B10：主控制器判断右方障碍物的距离值是否小于左方障碍物的距离值：是，则执行步骤B11；否，则执行步骤B12；
步骤B11：主控制器通过电机驱动模块控制小车底盘向左旋转90度，并控制舵机云台向左旋转90度，执行步骤B2；
步骤B12：主控制器通过电机驱动模块控制小车底盘直走，并控制舵机云台向右旋转90度，并控制舵机云台向左旋转90度，执行步骤B2。
优选的，在执行步骤B4时，所述主控制器通过所述电机驱动模块控制所述小车底盘的行进速度，所述主控制器设定快速和慢速两种行进速度；
判断前方障碍物的距离值是否小于25cm：否，则所述主控制器控制所述小车底盘进行快速直行；是，则所述主控制器控制所述小车底盘进行慢速直行。
优选的，在执行步骤3时，协议包格式传送指令如下：
包头用Ox FF，包尾用Ox FF，无校验位；
手持控制终端利用步骤2中构建的所述局域网，发送数据包到所述树莓派路由板，所述树莓派路由板通过解包机制把协议包解开，再通过串口发送到主控制器，主控制器根据协议包的指令执行相关操作。
优选的，机器人小车的型号为ZYRP60B ROS机器人，手持控制终端为手机，主控制器的型号为STM32F4单片机，超声波模块的型号为HC-SR04，图像采集模块为自带USB图像采集模块，电机驱动模块的型号为TB6612FNG。
优选的，所述树莓派路由板还设有蓝牙模块，所述手持控制终端还可以通过蓝牙模块与所述主控制器通信。
本发明所述的一种基于立体视觉的狭小空间远程搜救机器人的避障方法，解决了机器人在狭小空间进行快速行进和避障的技术问题，本发明采用两种行进速度来控制机器人小车，极大的增加了小车的行进速度，减少了搜救的时间，本发明采用无校验位的协议包括的形式进行通信，加快了协议通信的速度，提高了机器人小车的反应速度。
附图说明
图1为本发明的机器人避障***的***构架图；
图2是本发明的步骤4的流程图。
具体实施方式
如图1-图2所示的一种基于立体视觉的狭小空间远程搜救机器人的避障方法，包括如下步骤：
步骤1：建立机器人避障***，机器人避障***包括机器人小车、手持控制终端、树莓派路由板、主控制器、超声波模块、图像采集模块和电机驱动模块，机器人小车包括小车底盘和舵机云台，电机驱动模块、树莓派路由板和主控制器设于第一线路板上，第一线路板固设于小车底盘上，电机驱动模块与主控制器连接，用于驱动小车底盘上的电动机，树莓派路由板通过串口与主控制器通信；
图像采集模块和超声波模块设于舵机云台上，图像采集模块跟随舵机云台进行上、下、左、右各180度旋转，超声波模块跟随舵机云台进行左、右各180度旋转；
图像采集模块和超声波模块均通过数据线与主控制器电连接；
树莓派路由板通过WIFI网络与手持控制终端通信；
舵机云台通过串口总线与主控制器通信；
步骤2：主控制器通过树莓派路由板构建局域网，其步骤如下：
步骤A1：创建一个接口Socket，建立一个IP地址，用于监听有效的Socket端口；
步骤A2：调用accept函数从连接请求队列中获得连接信息，等待与手持控制终端构成连接；
步骤A3：若连接成功，则主控制器的线程与手持控制终端进行数据通信，主控制器根据手持控制终端的请求做出相应的处理，数据通信完成后，主控制器关闭该线程，重新进入主线程循环；
本发明通过socket套接字的TCP协议进行通信，将指令发送给树莓派路由板，树莓派路由板通过解析相关的手机发送过来的指令，并传送给主控制器以设置相应的GPIO口。
步骤3：主控制器创建协议包数据库，并通过树莓派路由板将协议包数据库发送给手持控制终端，手持控制终端根据协议包数据库中的协议与主控制器通信；
步骤4：机器人避障***根据以下步骤进行自动避障：
步骤B1：主控制器对舵机云台、超声波模块、图像采集模块和电机驱动模块进行初始化，并根据步骤2的方法，通过树莓派路由板构建局域网；
手持控制终端通过局域网建立与主控制器之间的通信；
步骤B2：超声波模块实时监测前方障碍物的距离信息，并将距离信息发送给主控制器，距离信息包括前方障碍物的距离值；
步骤B3：主控制器判断前方障碍物的距离值是否小于10cm：是，则执行步骤B5；否，则执行步骤B4；
步骤B4：主控制器通过电机驱动模块控制小车底盘直走，执行步骤B2；
步骤B5：主控制器开启计时器，并通过电机驱动模块控制小车底盘后退，直到计时器计时完毕，主控制器通过电机驱动模块控制小车底盘停止；
步骤B6：主控制器通过串口控制舵机云台向左旋转90度，超声波模块再次测量前方障碍物距离，生成左方障碍物距离信息，主控制器保存左方障碍物距离信息；
左方障碍物距离信息包括左方障碍物的距离值；
主控制器通过串口控制舵机云台向右旋转180度，超声波模块再次测量前方障碍物距离，生成右方障碍物距离信息，主控制器保存右方障碍物距离信息；
右方障碍物距离信息包括右方障碍物的距离值；
步骤B7：主控制器判断右方障碍物的距离值和左方障碍物的距离值是否均小于10cm：是，则执行步骤B8；否，则执行步骤B10；
步骤B8：主控制器通过电机驱动模块控制小车底盘向右旋转180度，并控制舵机云台向左旋转90度；
步骤B9：主控制器通过电机驱动模块控制小车底盘直走，执行步骤B2；
步骤B10：主控制器判断右方障碍物的距离值是否小于左方障碍物的距离值：是，则执行步骤B11；否，则执行步骤B12；
步骤B11：主控制器通过电机驱动模块控制小车底盘向左旋转90度，并控制舵机云台向左旋转90度，执行步骤B2；
步骤B12：主控制器通过电机驱动模块控制小车底盘直走，并控制舵机云台向右旋转90度，并控制舵机云台向左旋转90度，执行步骤B2。
优选的，在执行步骤B4时，所述主控制器通过所述电机驱动模块控制所述小车底盘的行进速度，所述主控制器设定快速和慢速两种行进速度；
判断前方障碍物的距离值是否小于25cm：否，则所述主控制器控制所述小车底盘进行快速直行；是，则所述主控制器控制所述小车底盘进行慢速直行。
本发明通过控制电机驱动模块输出的PWM信号来控制小车底盘的速度。
本发明采用ZYRP60B ROS机器人作为***的基础载体，极大的减小了二次开发的难度。
优选的，在执行步骤3时，协议包格式传送指令如下：
包头用Ox FF，包尾用Ox FF，无校验位；
树莓派路由板通过解包机制把数据包解开,通过串口发送到主控制器并通过控制模块执行相关操作。其协议规定如表1所示。
Figure BDA0002610707750000071
表1
本发明的通信协议如表1所示，包括包头、类型位、命令位、数据位、包尾几部分组成，在数据传输接收时，会对包头、类型位、命令位等进行检查，以防止传输过程中出现数据丢失情况，本发明的协议不需要校验位，也没有包数据长度，并且能保证协议的正常传输，极大的压缩了协议传输的数量，加快了传输速度。
手持控制终端利用步骤2中构建的所述局域网，发送数据包到所述树莓派路由板，所述树莓派路由板通过解包机制把协议包解开,再通过串口发送到主控制器，主控制器根据协议包的指令执行相关操作。
优选的，机器人小车的型号为ZYRP60B ROS机器人，手持控制终端为手机，主控制器的型号为STM32F4单片机，超声波模块的型号为HC-SR04，图像采集模块为自带USB图像采集模块，电机驱动模块的型号为TB6612FNG,主控制器的型号为STM32单片机，超声波模块的型号为HC-SR04，本实施例中，图像采集模块为ZYRP60B ROS机器人自带的图像采集模块。
优选的，所述树莓派路由板还设有蓝牙模块，所述手持控制终端还可以通过蓝牙模块与所述主控制器通信。
本发明采用DX-BT05 4.0蓝牙模块，该模块采用CC2541芯片，配置256Kb空间，遵循V4.0 BLE蓝牙规范。支持AT指令，可根据需要更改串口波特率、设备名称、配对密码等参数，使用灵活。
图像采集模块将采集到的图像信息发送给主控制器，主控制器在通过树莓派路由板将图像信息发送给手持控制终端，展示给用户机器人小车前方的图像信息。
本发明所述的一种基于立体视觉的狭小空间远程搜救机器人的避障方法，解决了机器人在狭小空间进行快速行进和避障的技术问题，本发明采用两种行进速度来控制机器人小车，极大的增加了小车的行进速度，减少了搜救的时间，本发明采用无校验位的协议包括的形式进行通信，加快了协议通信的速度，提高了机器人小车的反应速度。

Claims (5)

1.一种基于立体视觉的狭小空间远程搜救机器人的避障方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：建立机器人避障***，机器人避障***包括机器人小车、手持控制终端、树莓派路由板、主控制器、超声波模块、图像采集模块和电机驱动模块，机器人小车包括小车底盘和舵机云台，电机驱动模块、树莓派路由板和主控制器设于第一线路板上，第一线路板固设于小车底盘上，电机驱动模块与主控制器连接，用于驱动小车底盘上的电动机，树莓派路由板通过串口与主控制器通信；
图像采集模块和超声波模块设于舵机云台上，图像采集模块跟随舵机云台进行上、下、左、右各180度旋转，超声波模块跟随舵机云台进行左、右各180度旋转；
图像采集模块和超声波模块均通过数据线与主控制器电连接；
树莓派路由板通过WIFI网络与手持控制终端通信；
舵机云台通过串口总线与主控制器通信；
步骤2：主控制器通过树莓派路由板构建局域网，其步骤如下：
步骤A1：创建一个接口Socket，建立一个IP地址，用于监听有效的Socket端口；
步骤A2：调用accept函数从连接请求队列中获得连接信息，等待与手持控制终端构成连接；
步骤A3：若连接成功，则主控制器的线程与手持控制终端进行数据通信，主控制器根据手持控制终端的请求做出相应的处理，数据通信完成后，主控制器关闭该线程，重新进入主线程循环；
步骤3：主控制器创建协议包数据库，并通过树莓派路由板将协议包数据库发送给手持控制终端，手持控制终端根据协议包数据库中的协议与主控制器通信；
步骤4：机器人避障***根据以下步骤进行自动避障：
步骤B1：主控制器对舵机云台、超声波模块、图像采集模块和电机驱动模块进行初始化，并根据步骤2的方法，通过树莓派路由板构建局域网；
手持控制终端通过局域网建立与主控制器之间的通信；
步骤B2：超声波模块实时监测前方障碍物的距离信息，并将距离信息发送给主控制器，距离信息包括前方障碍物的距离值；
步骤B3：主控制器判断前方障碍物的距离值是否小于10cm：是，则执行步骤B5；否，则执行步骤B4；
步骤B4：主控制器通过电机驱动模块控制小车底盘直走，执行步骤B2；
步骤B5：主控制器开启计时器，并通过电机驱动模块控制小车底盘后退，直到计时器计时完毕，主控制器通过电机驱动模块控制小车底盘停止；
步骤B6：主控制器通过串口控制舵机云台向左旋转90度，超声波模块再次测量前方障碍物距离，生成左方障碍物距离信息，主控制器保存左方障碍物距离信息；
左方障碍物距离信息包括左方障碍物的距离值；
主控制器通过串口控制舵机云台向右旋转180度，超声波模块再次测量前方障碍物距离，生成右方障碍物距离信息，主控制器保存右方障碍物距离信息；
右方障碍物距离信息包括右方障碍物的距离值；
步骤B7：主控制器判断右方障碍物的距离值和左方障碍物的距离值是否均小于10cm：是，则执行步骤B8；否，则执行步骤B10；
步骤B8：主控制器通过电机驱动模块控制小车底盘向右旋转180度，并控制舵机云台向左旋转90度；
步骤B9：主控制器通过电机驱动模块控制小车底盘直走，执行步骤B2；
步骤B10：主控制器判断右方障碍物的距离值是否小于左方障碍物的距离值：是，则执行步骤B11；否，则执行步骤B12；
步骤B11：主控制器通过电机驱动模块控制小车底盘向左旋转90度，并控制舵机云台向左旋转90度，执行步骤B2；
步骤B12：主控制器通过电机驱动模块控制小车底盘直走，并控制舵机云台向右旋转90度，并控制舵机云台向左旋转90度，执行步骤B2。
2.如权利要求1所述的一种基于立体视觉的狭小空间远程搜救机器人的避障方法，其特征在于：在执行步骤B4时，所述主控制器通过所述电机驱动模块控制所述小车底盘的行进速度，所述主控制器设定快速和慢速两种行进速度；
判断前方障碍物的距离值是否小于25cm：否，则所述主控制器控制所述小车底盘进行快速直行；是，则所述主控制器控制所述小车底盘进行慢速直行。
3.如权利要求1所述的一种基于立体视觉的狭小空间远程搜救机器人的避障方法，其特征在于：在执行步骤3时，协议包格式传送指令如下：
包头用Ox FF，包尾用Ox FF，无校验位；
手持控制终端利用步骤2中构建的所述局域网，发送数据包到所述树莓派路由板，所述树莓派路由板通过解包机制把协议包解开,再通过串口发送到主控制器，主控制器根据协议包的指令执行相关操作。
4.如权利要求1所述的一种基于立体视觉的狭小空间远程搜救机器人的避障方法，其特征在于：机器人小车的型号为ZYRP60B ROS机器人，手持控制终端为手机，主控制器的型号为STM32F4单片机，超声波模块的型号为HC-SR04，图像采集模块为自带USB图像采集模块，电机驱动模块的型号为TB6612FNG。
5.如权利要求1所述的一种基于立体视觉的狭小空间远程搜救机器人的避障方法，其特征在于：所述树莓派路由板还设有蓝牙模块，所述手持控制终端还可以通过蓝牙模块与所述主控制器通信。
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