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一种基于视觉跟随的自主导航 机器人

阅读：83发布：2020-05-12

专利汇可以提供一种基于视觉跟随的自主导航机器人专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于视觉跟随的自主导航机器人，包括双目视觉模块、主控模块、电机驱动模块及上位机模块；其中，双目视觉模块用于输出跟踪目标的深度图像和RGB图像；主控模块用于运行KCF跟踪算法得到跟踪目标的实时位置和距离，并通过控制电机驱动模块驱动机器人向跟踪目标的所在位置运动；电机驱动模块用于接收主控模块输出的调制占空比，并将接收到的调制占空比转换为输出给电动机的电压值，从而通过调节电动机的转速，实现对机器人的运动控制；上位机模块用于显示机器人的状态信息，同时上位机模块还用于接收用户输入的控制指令控制机器人的运行状态。本发明只需一个摄像头，就可以随意选择跟踪目标，大大拓展了机器人的应用空间。，下面是一种基于视觉跟随的自主导航机器人专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于视觉跟随的自主导航机器人，其特征在于，所述自主导航机器人包括双目视觉模块、主控模块、电机驱动模块以及上位机模块；其中，所述双目视觉模块和所述电机驱动模块分别与所述主控模块电连接，所述上位机模块与所述主控模块之间通信连接；
所述双目视觉模块用于检测跟踪目标，并输出所述跟踪目标的深度图像和RGB图像；所述主控模块用于运行KCF跟踪算法，根据所述双目视觉模块输出的深度图像和RGB图像得到所述跟踪目标的实时位置和与机器人的距离，并在得到所述跟踪目标的实时位置和与机器人的距离后，通过控制所述电机驱动模块驱动机器人向所述跟踪目标的所在位置运动；
所述电机驱动模块用于接收所述主控模块输出的调制占空比，并将接收到的调制占空比转换为输出给电动机的电压值，从而通过调节所述电动机的转速，实现对机器人的运动控制；所述上位机模块用于显示机器人的状态信息，同时所述上位机模块还用于接收用户输入的控制指令，并根据接收到的所述控制指令通过所述主控模块控制机器人的运行状态。
2.如权利要求1所述的基于视觉跟随的自主导航机器人，其特征在于，所述机器人的状态信息包括机器人的电量、速度以及机器人检测到的图像。
3.如权利要求1所述的基于视觉跟随的自主导航机器人，其特征在于，所述双目视觉模块包括彩色摄像机、红外投影机以及红外摄像机；
其中，所述彩色摄像机用于获取跟踪目标的RGB图像；所述红外投影机用于发出激光，所述激光经过红外滤光片后投射近红外光谱；所述红外摄像机用于收集当所述近红外光谱照射到跟踪目标后，所述红外光谱发生扭曲所形成的散斑点，得到跟踪目标的散斑图像；并将得到的散斑图像传输给处理芯片PS1080，PS1080对散斑图像进行处理后得到跟踪目标的深度图像。
4.如权利要求1所述的基于视觉跟随的自主导航机器人，其特征在于，为保证深度图像的精确性，所述红外摄像机按照预设标定方法进行标定；
所述预设标定方法具体为：在所述红外摄像机和跟踪目标之间的距离范围内，每隔预设距离取一个参考平面，并记录所取参考平面上的第一散斑图像，从而得到多个参考平面所对应的多幅第一散斑图像；
在测量跟踪目标的实际位置时，将当前获取到的跟踪目标的第二散斑图像与多幅第一散斑图像分别做与运算，如果两幅图像重合度高，则相应的位置将会在图像上产生峰值，将得到的峰值叠加，然后经过插值运算生成该跟踪目标对应的深度图像中各点的深度数据。
5.如权利要求1所述的基于视觉跟随的自主导航机器人，其特征在于，所述电机驱动模块包括与所述电动机电连接的四个MOS管，所述四个MOS管组成用于驱动所述电动机的H桥电路。
6.如权利要求1所述的基于视觉跟随的自主导航机器人，其特征在于，所述主控模块包括PID控制器；所述PID控制器用于在所述主控模块得到跟踪目标的实时位置和与机器人的距离后，向所述电机驱动模块输出用于调节所述电动机转速的调制占空比。
7.如权利要求1所述的基于视觉跟随的自主导航机器人，其特征在于，所述上位机模块通过WIFI与所述主控模块连接。

说明书全文

一种基于视觉跟随的自主导航机器人

技术领域

[0001] 本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种通过视觉跟随技术实现机器人的自主导航，而无需人为操控的基于视觉跟随的自主导航机器人。

背景技术

[0002] 近年来，服务机器人技术迅猛发展，在生活中的应用场景也越来越多。自主跟随机器人是服务机器人的一种，涉及电机控制、数据融合、图像处理等各个领域的技术，目前在自主跟随机器人的相关领域，多是利用RF(射频)模块实现跟踪，需要被跟踪目标携带信号源，这限制了自主跟随的应用场景。

发明内容

[0003] 针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于视觉跟随的自主导航机器人，只需一个摄像头，就可以随意选择跟踪目标，这大大拓展了机器人的应用空间。

[0004] 该自主导航机器人包括双目视觉模块、主控模块、电机驱动模块以及上位机模块；其中，所述双目视觉模块和所述电机驱动模块分别与所述主控模块电连接，所述上位机模块与所述主控模块之间通信连接；

[0005] 所述双目视觉模块用于检测跟踪目标，并输出所述跟踪目标的深度图像和RGB图像；所述主控模块用于运行KCF跟踪算法，根据所述双目视觉模块输出的深度图像和RGB图像得到所述跟踪目标的实时位置和与机器人的距离，并在得到所述跟踪目标的实时位置和与机器人的距离后，通过控制所述电机驱动模块驱动机器人向所述跟踪目标的所在位置运动；

[0006] 所述电机驱动模块用于接收所述主控模块输出的调制占空比，并将接收到的调制占空比转换为输出给电动机的电压值，从而通过调节所述电动机的转速，实现对机器人的运动控制；所述上位机模块用于显示机器人的状态信息，同时所述上位机模块还用于接收用户输入的控制指令，并根据接收到的所述控制指令通过所述主控模块控制机器人的运行状态。

[0007] 可选地，所述机器人的状态信息包括机器人的电量、速度以及机器人检测到的图像。

[0008] 进一步地，所述双目视觉模块包括彩色摄像机、红外投影机以及红外摄像机；其中，所述彩色摄像机用于获取跟踪目标的RGB图像；所述红外投影机用于发出激光，所述激光经过红外滤光片后投射近红外光谱；所述红外摄像机用于收集当所述近红外光谱照射到跟踪目标后，所述红外光谱发生扭曲所形成的散斑点，得到跟踪目标的散斑图像；并将得到的散斑图像传输给处理芯片PS1080，PS1080对散斑图像进行处理后得到跟踪目标的深度图像。

[0009] 进一步地，为保证深度图像的精确性，所述红外摄像机按照预设标定方法进行标定；

[0010] 所述预设标定方法具体为：在所述红外摄像机和跟踪目标之间的距离范围内，每隔预设距离取一个参考平面，并记录所取参考平面上的第一散斑图像，从而得到多个参考平面所对应的多幅第一散斑图像；

[0011] 在测量跟踪目标的实际位置时，将当前获取到的跟踪目标的第二散斑图像与多幅第一散斑图像分别做与运算，如果两幅图像重合度高，则相应的位置将会在图像上产生峰值，将得到的峰值叠加，然后经过插值运算生成该跟踪目标对应的深度图像中各点的深度数据。

[0012] 进一步地，所述电机驱动模块包括与所述电动机电连接的四个MOS管，所述四个MOS管组成用于驱动所述电动机的H桥电路。

[0013] 进一步地，所述主控模块包括PID控制器；所述PID控制器用于在所述主控模块得到跟踪目标的实时位置和与机器人的距离后，向所述电机驱动模块输出用于调节所述电动机转速的调制占空比。

[0014] 可选地，所述上位机模块通过WIFI与所述主控模块连接。

[0015] 本发明设计了一款利用视觉跟随技术来自主导航的机器人，主要是为了解决现有的利用RF模块实现目标跟踪的机器人需要被跟踪目标携带信号源，从而限制了自主跟随的应用场景的问题；通过采用视觉跟随技术，本发明的机器人只需一个摄像头，就可以随意选择跟踪目标，这大大拓展了机器人的应用空间；可将其应用于超市导购、老年人看护、目标跟踪等领域。附图说明

[0016] 图1为本发明实施例提供的基于视觉跟随的自主导航机器人的结构图。

[0017] 附图标记说明：

[0018] 101：双目视觉模块，102：主控模块，103：电机驱动模块，

[0019] 104：上位机模块。

具体实施方式

[0020] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0021] 请参阅图1，图1示出了本实施例中的基于视觉跟随的自主导航机器人的结构示意图；该基于视觉跟随的自主导航机器人包括双目视觉模块101、主控模块102、电机驱动模块103以及上位机模块104；其中，双目视觉模块101和电机驱动模块103分别与主控模块102电连接，上位机模块104与主控模块102之间通过WIFI实现通信连接；

[0022] 上述双目视觉模块101用于检测跟踪目标，并输出跟踪目标的深度图像和RGB图像；其中，深度图像包含摄像头前方的距离信息，RGB图像可以得到摄像头拍到的图像信息，二者结合就可以得到跟踪目标与机器人之间的距离和在图像中的偏移；主控模块102是一台小型计算机，当上述双目视觉模块101输出跟踪目标的深度图像和RGB图像后，该主控模块102运行KCF跟踪算法，得到跟踪目标的实时位置和与机器人的距离；

[0023] 该KCF跟踪算法的流程为：首先初始化跟踪区域图像，然后将区域图像的位置框循环移位之后对齐目标得到多个样本，通过这些样本训练出一个分类器，当分类器训练好之后，取下一帧图像，先生成预测区域，这是在目标图像区域附近取的一个图像区，然后在预测区域采样，然后对该采样进行循环移位，对齐目标后得到若干图像预测区，通过之前训练的分类器分别对这些预测区计算响应，响应最大的则为目标在这帧图像中的真实位置，然后重复此过程，再训练再检测。

[0024] 进一步地，上述主控模块102还用于在得到跟踪目标的实时位置和与机器人的距离后，通过PID控制器向电机驱动模块103输出调制占空比，电机驱动模块103接收到主控模块102输出的调制占空比后，将接收到的调制占空比转换为输出给电动机的电压值，从而通过调节电动机的转速，实现对机器人的运动控制；驱动机器人朝目标位置运动，实现对目标的跟踪。

[0025] 而上述上位机模块104则用于显示机器人的状态信息，包括机器人的电量、速度以及机器人检测到的图像等信息。同时该上位机模块104还用于向用户展示操控界面，接收用户输入的控制指令，并根据接收到的控制指令通过主控模块102控制机器人的前后左右运行、紧急停机等操作。

[0026] 具体地，上述双目视觉模块101包括彩色摄像机、红外投影机以及红外摄像机；其中，该彩色摄像机用于获取跟踪目标的RGB图像；该红外投影机用于发出激光，其发出的激光经过红外滤光片后投射近红外光谱；当该近红外光谱照射到跟踪目标后，该红外光谱发生扭曲形成散斑点，此时红外摄像机收集红外光谱发生扭曲所形成散斑点，得到跟踪目标的散斑图像，并将得到的散斑图像传输给处理芯片PS1080，PS1080对散斑图像进行处理后得到跟踪目标的深度图像。

[0027] 进一步地，为保证深度图像的精确性，上述红外摄像机需要按照预设标定方法进行标定；该预设标定方法具体为：在红外摄像机和跟踪目标之间的距离范围内，每隔预设距离取一个参考平面，并记录所取参考平面上的第一散斑图像，从而得到多个参考平面所对应的多幅第一散斑图像；在测量跟踪目标的实际位置时，将当前获取到的跟踪目标的第二散斑图像与多幅第一散斑图像分别做与运算，如果两幅图像重合度高，则相应的位置将会在图像上产生峰值，将得到的峰值叠加，然后经过插值运算生成该跟踪目标对应的深度图像中各点的深度数据。

[0028] 例如跟踪目标与摄像头的距离范围为0.8m-3.5m，每隔1cm取一个参考平面，则一共可标定270幅散斑图像。那么在真实测量跟踪目标的实际位置的时候，可将当前得到的散斑图像与这270幅图像分别做与运算，如果两幅图像重合度高，则相应的位置将会在图像上产生峰值，将得到的峰值叠加，经过插值运算就可生成深度图像中各点的深度数据。

[0029] 上述电机驱动模块103包括与电动机电连接的四个MOS管，该电动机为直流电机；四个MOS管组成用于驱动电动机的H桥电路。导通该H桥电路对角线上的一对MOS管后电动机可以运转。根据选择不同对角线的MOS管对进行导通，可以调节电动机中的电流方向，从而实现对电动机转向的控制。它通过接收主控模块102输出的调制占空比，并将接收到的调制占空比转为输出给电动机的电压值，从而实现对电动机转速的调节，进而实现对机器人的运动控制。

[0030] 上述上位机模块104可以是基于JAVA语言开发的安卓APP。其主要有两个任务：一是对双目视觉模块101所采集的图像的读取；二是与主控模块102进行通信。其中为了用户交互界面的流畅性，每个事件的处理都需要在短时间内完成，否则会出现卡顿的情况。而图像处理任务一般较为耗时，因此需要单独开辟一个线程进行处理。

[0031] 机器人将压缩图像通过WIFI传输回来后，上位机模块104的图像读取线程对图像解码后在界面上显示，此时用户除了可以实时查看机器人的摄像头图像外，还可以在图像上手动选择一个跟踪区域，选择跟踪区域后机器人会对所选区域内的运动物体自动跟踪。此外，为了查看机器人的工作状态，该上位机模块104还实时读取机器人通过WIFI传回来的电量、速度等状态信息，然后也显示在界面上。并且为了防止意外发生，该上位机模块104的操作界面上还设置了紧急停车按钮，点击该按钮可以紧急停止机器人的运动。

[0032] 本实施例设计了一款利用视觉跟随技术来自主导航的机器人，主要是为了解决现有的利用RF模块实现目标跟踪的机器人需要被跟踪目标携带信号源，从而限制了自主跟随的应用场景的问题；通过采用视觉跟随技术，本实施例的机器人只需一个摄像头，就可以随意选择跟踪目标，这大大拓展了机器人的应用空间；可将其应用于超市导购、老年人看护、目标跟踪等领域。

[0033] 需要说明的是，本发明实施例中，“第一”、“第二”的出现，仅仅是为了作区分技术名词和描述方便，不应理解为对本发明实施例的限定。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

[0034] 以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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