高速視覺智能移動機器人開發(fā)與設(shè)計

陳怡冉　納鵬舉　趙琦　郭海杰

【摘要】本文提出一種高速視覺智能移動機器人設(shè)計方案，一定程度上解決了移動機器視覺系統(tǒng)出現(xiàn)的功耗過大、視覺算法特征匹配準(zhǔn)確率不高等問題。本系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機為核心元件，搭載獨立的單目視覺系統(tǒng)，可以完成標(biāo)準(zhǔn)“加騰一郎”派行走與高速奔跑，可以協(xié)助用戶構(gòu)建完整的行走模型，具有靜平衡步伐方程與動平衡步伐方程的交接帶函數(shù)。機器人可以完成找球、追球、踢球等功能，可同時跟蹤7個移動目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】高速視覺機器人? 避障? 規(guī)劃路徑

移動機器人視覺系統(tǒng)是指在移動機器人上加配視覺傳感器，使移動機器人在未知環(huán)境中具有定位、識別、以及檢測和自主決策的能力。它在當(dāng)今科學(xué)領(lǐng)域具有重大的研究意義。

視覺移動機器人的開發(fā)在裝配加工、智能家居、核事故處理、現(xiàn)代戰(zhàn)爭偵查等領(lǐng)域都得到了很好的體現(xiàn)。但是，與傳統(tǒng)的機器視覺相比，移動機器人視覺系統(tǒng)呈現(xiàn)出了一些新的問題。主要表現(xiàn)在：在硬件方面，視覺系統(tǒng)由傳統(tǒng)圖像采集卡和主控計算機組成，這使得移動機器人的功耗過大;視覺軟件算法方面，如何在光照、局部遮擋以及機器人振動等因素的影響下，提高特征匹配準(zhǔn)確率，縮短特征匹配時間是移動機器人位姿估計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

本文提出一種高速視覺智能移動機器人設(shè)計方案，一定程度上解決了移動機器視覺系統(tǒng)出現(xiàn)的功耗過大、視覺算法特征匹配準(zhǔn)確率不高等問題。

一、整體硬件結(jié)構(gòu)

采用完整版加藤一郎結(jié)構(gòu)體，全身由金屬零件構(gòu)成，具有18個自由度;頭部裝有特制的轉(zhuǎn)塔機構(gòu)，并搭載完整的視覺系統(tǒng);搭載3軸加速度計;后背加裝防摔減震罩;腿部采用加長結(jié)構(gòu)，提高行走速度，有利于足球比賽;腳部采用中空結(jié)構(gòu)，增大摩擦力;手臂采用3自由度結(jié)構(gòu)設(shè)計，輔助機體完成前倒地起身和后倒地起身等動作。

全身16個特種數(shù)字伺服舵機，每個舵機重65g，尺寸45×35×25mm（不包含安裝支架），采用空心杯電機，扭力達(dá)到25kg.cm（7.4v），速度0.18秒/60度;舵機可以采用并行連接也支持總線連接;16個金屬舵盤，與軟件同步實現(xiàn)初始坐標(biāo)補償。

軀干：軀干通過使用加厚加強的雙U形件將頭部和四肢連接在一起，結(jié)實牢固的軀體保證了機器人的四肢連接起來更穩(wěn)定。在每個舵機2個方向的轉(zhuǎn)動來保證左右肩的前后運動、左右跨的左右擺動以及頭部轉(zhuǎn)塔的左右運動。中心采用掏空設(shè)計，一來可以減輕機器人的負(fù)載，二來可以作為電池及控制板的安裝位置。

腿部：腿部用金屬連接件與舵機的安裝支架連接，實現(xiàn)高強度的結(jié)構(gòu)支撐。在每個舵機2個方向的轉(zhuǎn)動下，來保證腿部的前后左右的轉(zhuǎn)動。實現(xiàn)機器人腿部的靈活運動。

左右臂：左右臂用金屬連接件與舵機的安裝支架連接，實現(xiàn)高強度的結(jié)構(gòu)支撐。在每個舵機2個方向的轉(zhuǎn)動下，來保證左右臂的前后左右的轉(zhuǎn)動。在大臂前段采用加長高強度手臂支架，實現(xiàn)摔倒迅速爬起及機體摔倒的支撐力。

頭部：頭部采用雙舵機雙軸設(shè)計機構(gòu)，可以讓視覺攝像頭在橫縱兩個方向掃描拍攝，將每秒50貞，每貞640×400像素的數(shù)據(jù)通過串行外設(shè)接口SPI傳輸給機器人機體控制器。在視覺控制器和機體控制器的完美配合下，機器人便可實現(xiàn)實時跟蹤物體的能力

二、視覺ARM控制板部分

功能及參數(shù)：（1）可以簡單的通過按鍵設(shè)置需要跟蹤的物體。（2）幀輸出速率高達(dá)每秒50次。（3）可同時記錄多達(dá)7種不同顏色和100多個目標(biāo)。（4）圖像通過USB可以實時傳輸。（5）通信方式包括USB，SPI，UART，I2C以及數(shù)字或者模擬信號等多種通信接口。（6）交互軟件包括Windows，MacOS以及Linux等多種版本。（7）采用NXP LPC4330 雙核處理器，主頻204MHz，264K bytes RAM，1M bytes Flash。OV9715圖像傳感器。（8）典型功耗140mA。（9）電源支持USB 5V輸入，或者DC6V-10V。（10）尺寸：5.3cmx5.1cm x 3.6cm。（11）重量：27克。

三、路徑規(guī)劃

（一）采用柵格法對足球場環(huán)境進(jìn)行劃分

為了便于搜索到最優(yōu)路徑， 設(shè)機器人的工作空間為二維平面上的有限區(qū)域， 起始點和目標(biāo)點分別為S 和T 。本文路徑規(guī)劃的優(yōu)化準(zhǔn)則為路徑最短，即尋找一條從S 到T避開障礙物的最短路徑.按從左到右、從上到下的順序?qū)鸥襁M(jìn)行編號。

（二）對障礙物的位置進(jìn)行標(biāo)記

設(shè)機器人工作空間由M 行N 列柵格組成， 序號為R 的任意柵格所對應(yīng)的環(huán)境柵格的行號和列號分別為x 、y ， 則可得關(guān)系式如下：

x= R/N+1 （1）

y=R %N +1 （2）

將障礙物地圖用一個二維數(shù)組矩陣map（M， N）表示為：

map（p，q）=1，第p行第q列柵格上有障礙物

0，其他

四、總結(jié)

本設(shè)計以STC12C5A60S2為核心，結(jié)合外圍電路與各功能模塊，構(gòu)成了高度集成化的高速視覺移動機器人。該系統(tǒng)在準(zhǔn)確定位，高智能移動控制等方面得到了實現(xiàn)，同時也實現(xiàn)了智能尋跡、避障、路徑規(guī)劃等功能?？梢酝瓿森h(huán)境勘測，準(zhǔn)確定位，以及在惡劣環(huán)境下工作的任務(wù)。在機器人踢球接球競賽中也具有很大的實用性。

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基金項目：北京聯(lián)合大學(xué)“啟明星”大學(xué)生科技創(chuàng)新項目（201911417SJ10

2）。

作者簡介：陳怡冉（1995-），女，河南洛陽人，主要研究方向電子系統(tǒng)設(shè)計。