一种动态追踪装置及追踪方法与流程

本发明涉及机器人领域，具体为一种动态追踪装置。

背景技术：

随着科技的发展，用户玩具科技含量不断提高，越来越智能化，高端化，可预知的未来，用户使用的机器人将不断出现，占据更多的市场份额，现在市面上的用户用机器人，功能单一，只能够按照预先编程的模式进行工作，不具备主动保护功能，在没有家长监护的情况下，用户在使用较大的机器人时，会由于误操作或自身活动等原因撞上机器人出现伤害，给用户，家长和商家造成不必要的损害，目前的用户机器人也不具备自动伴随玩耍的功能，降低了用户玩耍的舒适性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种动态追踪装置，解决了现有用户机器人不具备主动保护的功能，具有自动跟随用户，并始终使显示屏面向用户的功能。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种动态追踪装置，包括机器人小车车身、机器人小车车颈和机器人小车车头。

所述机器人小车车身包括左前轮，右前轮，前车身，后车身，后轮和超声波测距模块，在前车身的顶面上布置有机器人小车车颈，在机器人小车车颈的上方布置有机器人小车车头。所述前车身下大上小、类似梯形的弧形车身，前侧面是向后倾斜的弧形面，顶面和底面是圆弧面，左侧面和右侧面是对称的，也是弧形面，后侧面也是向后倾斜的弧形面，前侧面，顶面，底面，左侧面和右侧面相交处都是弧形过度的，在车身左侧面的下方布置有弧形大盖，它的弧形与左侧面下部的弧形是相配保持一致的，在车身右侧面的下方也布置有弧形大盖，所述弧形大盖的弧形与右侧面下部的弧形是相配保持一致的，在前车身后侧面的中间布置有后车身，所述后车身整体是向前倾斜的，它与前车身组成人字形，后车身的宽度是小于前车身的宽度，它包括上弧形面和下弧形面，两者相交处是平滑过渡的，上弧形面与前车身后侧面是平滑过渡的，下弧形面与前车身后侧面也是平滑过渡的，它还是向上凹的弧形面，在上弧形面和下弧形面相接处的左端布置有弧形小盖，在右端也布置有弧形小盖，所述弧形小盖的弧形弧度与上弧形面和下弧形面左右两端交接处的弧形弧度是相配保持一致的，在上弧形面的上方还布置有散热孔。

在前车身的左下端布置有左轮安装槽，在它上面安装有左前轮，在前车身左轮安装槽的内部，左前轮上安装有左驱动电机；在前车身的右下端布置有右轮安装槽，在它上面安装有右前轮，在前车身右轮安装槽的内部，右前轮上安装有右驱动电机，在后车身的下端布置有后轮安装槽，在它上面安装有后轮，所述后轮是万向轮。优选的，所述左前轮和右前轮是主动轮，前车身的左驱动电机和右驱动电机转速相同实现机器人小车车身的前或后直行，转速不同实现机器人小车车身的左或右转弯。

优选的，所述机器人小车车颈包括保护颈套和万向装置，所述保护颈套是不锈钢伸缩管或工程塑料伸缩管，所述万向装置在保护颈套的内部，它包括第一电机，过渡座，第二电机和连接座，所述第一电机与机器人小车车身顶部连接，它的输出轴顶部是法兰结构，在上面装有过渡座，所述过渡座底部是圆盘，它与第一电机输出轴的法兰盘连接，在圆盘上方是支耳板，支耳板上装有第二电机，它的输出轴上装有连接座，所述连接座远离第二电机的一端与机器人小车车头连接。优选的，所述第一电机和第二电机与cpu主控平台的运动控制器连接。

在机器人小车车身的内部还布置有cpu主控平台，所述cpu主控平台包括分析器，定时驱动器，脉冲信号收发器，采集器，匹配器，存储器和运动控制器，在前车身前侧面下方的中间布置有超声波测距模块，所述超声波测距模块包括超声波发射器、超声波接收器和超声波信号放大处理器，所述超声波测距模块与cpu主控平台连接，cpu主控平台的脉冲信号收发器与超声波发射器连接。

优选的，机器人小车车头(6)的前侧面与后侧面相交处平滑过渡，在它前侧面正上方装有摄像头模块(3)，所述摄像头模块(3)包括红外热成像仪和高清摄像头；所述屏幕组件(4)包括显示屏、识别框处理器和像素点坐标分析器，所述显示屏与cpu主控平台的采集器连接，所述识别框处理器与cpu主控平台的匹配器连接，所述像素点坐标分析器与cpu主控平台的运动控制器连接。

本发明还提出一种应用在上述动态追踪装置的追踪方法，包括确定追踪方向和确定追踪距离。

确定追踪方向的具体内容如下：在机器人小车车头前侧面正上方装有摄像头模块，所述摄像头模块包括红外热成像仪和高清摄像头，所述红外热成像仪采集用户的红外特征信息，所述高清摄像头采集用户图像信息，所述摄像头模块与cpu主控平台连接，它的红外热成像仪和高清摄像头与cpu主控平台采集器连接，所述采集器采集红外特征信息和图像信息，它与cpu主控平台的匹配器连接，向匹配器传递获取的信息，所述匹配器与cpu主控平台的存储器连接，读取存储器数据进行匹配，所述存储器预存储人脸特征的图像数据、人形特征的图像数据、人眼部的红外图谱数据，匹配器只输出人形、人脸图像特征和人眼部的红外特征的动态数据，在摄像头模块的下方装有屏幕组件，所述屏幕组件包括显示屏、识别框处理器和像素点坐标分析器，所述显示屏与cpu主控平台的采集器连接，显示前方的图像信息或红外热成像信息，所述识别框处理器与cpu主控平台的匹配器连接，当显示屏显示的图像或红外热成像信息中有与匹配器重合的部分，则在重合的部分即人形、人脸图像特征和人眼部的红外特征上显示识别框，所述像素点坐标分析器获取识别框在显示屏上显示像素的坐标，并自动算出识别框显示的像素坐标与显示屏中间点的坐标差值，它还与cpu主控平台的运动控制器连接，向它传递坐标差值，控制机器人小车左右移动，直到坐标差值为零。此时，显示屏的中心面向用户。

确定追踪距离的具体内容如下：所述脉冲信号收发器一次输出10个40khz的脉冲信号，所述超声波发射器接收脉冲信号收发器的脉冲信号并发出第一超声波，第一超声波经障碍物反射，成为第二超声波，超声波接收器接收第二超声波，所述超声波信号放大处理器与超声波接收器连接，将第二超声波转换成回波脉冲信号，cpu主控平台的脉冲信号收发器还与超声波信号放大处理器连接，接收回波脉冲信号，所述cpu主控平台的定时驱动器从脉冲信号收发器发射脉冲信号开始计时，到接收回波脉冲信号停止计时，所述cpu主控平台的分析器算出机器人小车到障碍物的距离，并判断机器人小车到障碍物的距离是否是安全距离。

若所述机器人小车到障碍物距离是l，所述cpu主控平台的定时驱动器从脉冲信号收发器发射脉冲信号开始计时，到接收回波脉冲信号停止计时的时间差是△t，公知的声波在空气中的传输速度v，则机器人到障碍物距离l＝(△t·v)/2。所述分析器判断的安全距离是30cm到40cm，当机器人小车到障碍物的距离大于40cm，分析器发出机器人小车前进的命令，当机器人小车到障碍物的距离小于30cm，分析器发出机器人小车后退的命令。

所述cpu主控平台的分析器与运动控制器连接，向运动控制器发出机器人小车前进或后退的命令，所述运动控制器与左驱动电机或右驱动电机连接，控制机器人小车前进或后退。

优选的，所述cpu主控平台匹配器识别的人形图像特征用于远距离快速捕获用户的方位信息，所述识别的人脸图像特征和人眼部红外特征用于近距离判断用户的人脸是否显示屏的中间。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明在前车身上布置有超声波测距模块，通过超声波测距模块与cpu主控平台连接，可以实时探测前方用户的距离，通过cpu主控平台的定时驱动器，可以测出发射和接收超声波的时间差，通过cpu主控平台的分析器可以算出前方用户相隔距离，并自动判断是否是安全距离，通过cpu主控平台的分析器与运动控制器连接，可以使机器人小车自动前进或后退，与传统的用户机器人相比，可以始终保证机器人与用户处在一个安全的范围内，避免了伤害情况的发生，同时也避免了机器人隔得太远，降低娱乐性的情况。

2、本发明在机器人小车车头上装摄像头模块，通过摄像头模块与cpu主控平台连接，可以实时采集前方用户的图像信息和红外特征信息，通过屏幕组件内的显示屏，可以实时显示前方的图像信息，通过识别框处理器与cpu主控平台的匹配器连接，可以在显示屏人形、人脸和人眼部红外信息上显示识别框，通过像素点坐标分析器，可以自动算出识别框与显示屏重点的坐标差值，通过像素点坐标分析器与cpu主控平台的运动控制器连接，可以自动调整机器人小车位置，使人脸或人形识别框在显示屏的正中间位置，与传统的用户机器人相比，可以始终让显示屏的中心面向用户，提高了亲和度，增加了用户玩耍的兴趣。

3、本发明的机器人小车车颈由保护颈套和万向装置构成，通过使用不锈钢伸缩管或工程塑料伸缩管作为保护颈套，可以在车颈万向活动时也不影响内部装置的运动，通过cpu主控平台的运动控制器与万向装置中的第一电机和第二电机连接，可以使机器人小车车头按照获取的命令任意活动，与传统的用户机器人相比，具备了类人的点头，转头功能，提高了机器人的可玩性，同时增加了机器人小车车头的自由度，在面对个子低于或高于显示屏中心高度的用户时，也可以灵活地使显示屏始终面对用户。

4、本发明通过摄像头模块的高清摄像头，可以实时采集前方的图像信息，通过红外热成像仪，可以实时采集前方用户的红外分布信息，通过cpu主控平台匹配器识别的用户人形图像特征，可以远距离快速捕获用户的方位信息，通过识别人脸图像特征和人眼部红外特征，为近距离调整用户的人脸到显示屏的中间提供了数据保证，同时采集人脸图像特征和人眼部红外特征，两种信息提高了显示屏对中的准确度，与传统的单一采集信息相比，采用远距离快速定位，近距离调整的方式，提高了工作效率。

5、本发明采取大前车身，小后车身的结构，将后车身作为防倾覆的支柱，同时通过在前车身布置两个主动大轮，后车身布置万向小从动轮，完成机器人前进，后退或转弯，与传统的双轮机器人相比，三角结构的车轮布局，保证了小车的稳定性，不需要内置陀螺防倾覆装置，成本低于双轮机器人，同时，小后车身配合万向小从动轮没有占据过多的空间，也具有良好空间通过性。

附图说明

图1为本发明结构主视图；

图2为本发明结构左视图；

图3为本发明机器人小车车颈剖视图；

图4为本发明cpu主控平台连接图；

图5为本发明超声波测距模块工作原理图；

图6为本发明工作流程图；

图中：1机器人小车车身、2超声波测距模块、3摄像头模块、4屏幕组件、5机器人小车车颈、6机器人小车车头、101左前轮、102右前轮、103前车身、104后车身、105后轮、501保护颈套、502第一电机、503过渡座、504第二电机、505连接座。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

请参阅图1-6，一种动态追踪装置，包括机器人小车车身1，机器人小车车颈5和机器人小车车头6，机器人小车车身1包括左前轮101，右前轮102，前车身103，后车身104，后轮105和超声波测距模块2，前车身103是类似梯形的弧形车身，它下大上小，前侧面是向后倾斜的弧形面，顶面和底面是圆弧面，左侧面和右侧面是对称的，也是弧形面，后侧面也是向后倾斜的弧形面，前侧面，顶面，底面，左侧面和右侧面相交处都是弧形过度的，在车身左侧面的下方布置有弧形大盖，它的弧形与左侧面下部的弧形是相配保持一致的，在车身右侧面的下方也布置有弧形大盖，它的弧形与右侧面下部的弧形是相配保持一致的，在前车身103后侧面的中间布置有后车身104，它整体是向前倾斜的，它与前车身组成人字形，后车身104的宽度是小于前车身103的宽度，它包括上弧形面和下弧形面，两者相交处是平滑过渡的，上弧形面与前车身103后侧面是平滑过渡的，下弧形面与前车身103后侧面也是平滑过渡的，它还是向上凹的弧形面，在上弧形面和下弧形面相接处的左端布置有弧形小盖，在右端也布置有弧形小盖，弧形小盖的弧形与上弧形面和下弧形面左右两端交接处的弧形是相配保持一致的，在上弧形面的上方还布置有散热孔。上述弧形面与平滑过渡的设计是为了增强抗压抗衰能力，提高结构的稳定性。

在前车身103的左下端布置有左轮安装槽，在它上面安装有左前轮101，在前车身103左轮安装槽的内部，左前轮101上安装有左驱动电机，在前车身103的右下端布置有右轮安装槽，在它上面安装有右前轮102，在前车身103右轮安装槽的内部，右前轮102上安装有右驱动电机，左前轮101和右前轮102是主动轮，前车身103的左驱动电机和右驱动转速相同实现机器人小车车身1的前或后直行，转速不同实现机器人小车车身1的左或右转弯，在后车身104的下端布置有后轮安装槽，在它上面安装有后轮105，它是万向轮。所述左前轮和右前轮是主动轮，前车身的左驱动电机和右驱动电机转速相同实现机器人小车车身的前或后直行，转速不同实现机器人小车车身的左或右转弯。

在前车身103的顶面上布置有机器人小车车颈5，它包括保护颈套501和万向装置，保护颈套501是不锈钢伸缩管或工程塑料伸缩管，万向装置在保护颈套501的内部，它包括第一电机502，过渡座503，第二电机504和连接座505，第一电机502与机器人小车车身1顶部连接，它的输出轴顶部是法兰结构，在上面装有过渡座503，它的底部是圆盘，它与第一电机502输出轴的法兰盘连接，在圆盘上方是支耳板，支耳板上装有第二电机504，它的输出轴上装有连接座505，它远离第二电机504的一端与机器人小车车头6连接，第一电机502和第二电机504与cpu主控平台的运动控制器连接，机器人小车车头6的前侧面是向后倾斜的平面，后侧面是弧形面，前侧面与后侧面相交处平滑过渡。第一电机和第二电机与cpu主控平台的运动控制器连接。

在机器人小车车身1的内部还布置有cpu主控平台，它包括分析器、定时驱动器、脉冲信号收发器、采集器、匹配器、存储器和运动控制器，在前车身103前侧面下方的中间布置有超声波测距模块2，超声波测距模块2包括超声波发射器、超声波接收器和超声波信号放大处理器，超声波测距模块2与cpu主控平台连接，cpu主控平台的脉冲信号收发器与超声波发射器连接。

本发明还提出一种应用在上述动态追踪装置上的追踪方法，包括确定追踪方向和确定追踪距离。

确定追踪方向的具体内容如下：

在机器人小车车头6的前侧面正上方装有摄像头模块3，它包括红外热成像仪和高清摄像头，红外热成像仪采集用户的红外特征信息，高清摄像头采集用户图像信息，摄像头模块3的红外热成像仪和高清摄像头与cpu主控平台采集器连接，采集器采集红外特征信息和图像信息，采集器与cpu主控平台的匹配器连接，向匹配器传递获取的信息，匹配器与cpu主控平台的存储器连接，读取存储器数据进行匹配，存储器存储人脸和人形特征的图像数据、人眼部的红外图谱数据，匹配器只输出人形、人脸图像特征和人眼部的红外特征的动态数据。

在摄像头模块3的下方装有屏幕组件4，它包括显示屏、识别框处理器和像素点坐标分析器，显示屏与cpu主控平台的采集器连接，显示前方的图像信息或红外热成像信息，识别框处理器与cpu主控平台的匹配器连接，当显示屏显示的图像或红外热成像信息中有与匹配器重合的部分，则在重合的部分即人形、人脸图像特征和人眼部的红外特征上显示识别框，像素点坐标分析器获取识别框在显示屏上显示像素的坐标，并自动算出识别框显示的像素坐标与显示屏中间点的坐标差值，它还与cpu主控平台的运动控制器连接，向它传递坐标差值，控制机器人小车左右移动，直到坐标差值为零，并始终维持人形或人脸识别框在屏幕的正中间位置，即机器人超声波探头的正前方，cpu主控平台通过协调达到跟随用户的效果。

确定追踪距离的具体内容如下：

脉冲信号收发器一次输出10个40khz的脉冲信号，超声波发射器接收脉冲信号收发器的脉冲信号并发出第一超声波，第一超声波经障碍物反射，成为第二超声波，超声波接收器接收第二超声波，超声波信号放大处理器与超声波接收器电气连接，将第二超声波转换成回波脉冲信号，cpu主控平台的脉冲信号收发器还与超声波信号放大处理器连接，接收回波脉冲信号，cpu主控平台的定时驱动器从脉冲信号收发器发射脉冲信号开始计时，到接收回波脉冲信号停止计时，cpu主控平台的分析器算出机器人小车到障碍物的距离，这个距离是l，cpu主控平台的定时驱动器从脉冲信号收发器发射脉冲信号开始计时，到接收回波脉冲信号停止计时的时间差是△t，公知的声波在空气中的传输速度v，则机器人到障碍物距离l＝(△t·v)/2，分析器还判断机器人小车到障碍物的距离是否是安全距离，这个安全距离是30cm到40cm，当机器人小车到障碍物的距离大于40cm，分析器发出机器人小车前进的命令，当机器人小车到障碍物的距离小于30cm，分析器发出机器人小车后退的命令，cpu主控平台的分析器与运动控制器连接，向运动控制器发出机器人小车前进或后退的命令，运动控制器与左驱动电机或右驱动电机连接，控制机器人小车前进或后退。

所述cpu主控平台匹配器识别的人形图像特征用于远距离快速捕获用户的方位信息，所述识别的人脸图像特征和人眼部红外特征用于近距离判断用户的人脸是否显示屏的中间。

使用时，当用户移动后，机器人小车上的摄像头模块3实时采集前方用户的图像信息和红外特征信息，cpu主控平台的采集器实时获取这些信息，同时向匹配器传递获取的信息，匹配器将获取的信息与存储器中预存的人脸图像数据、人形图像数据、人眼部的红外图谱数据进行匹配，并只输出人形、人脸图像特征和人眼部的红外特征的动态数据，屏幕组件4中的显示屏也获取采集器的信息，并显示前方的的图像信息或红外热成像信息，当显示屏显示的图像或红外热成像信息中有与匹配器匹配的人形，人脸图像特征和人眼部的红外特征重合的部分，则在重合的部分显示识别框，像素点坐标分析器获取识别框在显示屏上显示像素的坐标，并自动算出识别框显示的像素坐标与显示屏中心点的坐标差值，并将差值传递给运动控制器，控制机器人小车左右移动，直到坐标差值为零，此时显示屏的中心面向用户；cpu主控平台的脉冲信号收发器一次输出10个40khz的脉冲信号，超声波测距模块2的超声波接收器接收脉冲信号后发出超声波，超声波接收器接收障碍物反射的超声波，超声波信号放大处理器将接收的反射超声波信号转换成回波脉冲信号，cpu主控平台的脉冲信号收发器接收回波脉冲信号，cpu主控平台的定时驱动器从脉冲信号收发器发射脉冲信号开始计时，到接收回波脉冲信号停止计时，cpu主控平台的分析器算出机器人小车到障碍物的距离，并判断这个距离是否是30cm到40cm，当机器人小车到障碍物的距离大于40cm，分析器发出机器人小车前进的命令，当机器人小车到障碍物的距离小于30cm，分析器发出机器人小车后退的命令，运动控制器收到分析器的命令后，控制左驱动电机或右驱动电机，使小车前进或后退，直到机器人小车距离用户30cm到40cm处为止，机器人小车停下；当用户再次移动后，机器人小车按照上面的步骤重新运动，始终跟随用户。

综上所述：该自动跟随用户机器人，在前车身103上布置有超声波测距模块2，通过超声波测距模块2与cpu主控平台连接，可以实时探测前方用户的距离，通过cpu主控平台的定时驱动器，可以测出发射和接收超声波的时间差，通过cpu主控平台的分析器可以算出前方用户相隔距离，并自动判断是否是安全距离，通过cpu主控平台的分析器与运动控制器连接，可以使机器人小车自动前进或后退，与传统的用户机器人相比，可以始终保证机器人与用户处在一个安全的范围内，避免了伤害情况的发生，同时也避免了机器人隔得太远，降低娱乐性的情况；在机器人小车车头6上装摄像头模块3，通过摄像头模块3与cpu主控平台连接，可以实时采集前方用户的图像信息和红外特征信息，通过屏幕组件4内的显示屏，可以实时显示前方的图像信息，通过识别框处理器与cpu主控平台的匹配器连接，可以在显示屏人形，人脸和人眼部红外信息上显示识别框，通过像素点坐标分析器，可以自动算出识别框与显示屏的坐标差值，通过像素点坐标分析器与cpu主控平台的运动控制器连接，可以自动调整机器人小车位置，使人脸或人形识别框在显示屏的正中间位置，与传统的用户机器人相比，可以始终让显示屏的中心面向用户，提高了亲和度，增加了用户玩耍的兴趣；机器人小车车颈5由保护颈套501和万向装置构成，通过使用不锈钢伸缩管或工程塑料伸缩管作为保护颈套501，可以在车颈万向活动时也不影响内部装置的运动，通过cpu主控平台的运动控制器与万向装置中的第一电机502和第二电机503连接，可以使机器人小车车头6按照获取的命令任意活动，与传统的用户机器人相比，具备了类人的点头、转头功能，提高了机器人的可玩性，同时增加了机器人小车车头6的自由度，在面对个子低于或高于显示屏中心高度的用户时，也可以灵活地使显示屏始终面对用户；通过摄像头模块3的高清摄像头，可以实时采集前方的图像信息，通过红外热成像仪，可以实时采集前方用户的红外分布信息，通过cpu主控平台匹配器识别的用户人形图像特征，可以远距离快速捕获用户的方位信息，通过识别人脸图像特征和人眼部红外特征，为近距离调整用户的人脸到显示屏的中间提供了数据保证，同时采集人脸图像特征和人眼部红外特征，两种信息提高了显示屏对中的准确度，与传统的单一采集信息相比，采用远距离快速定位，近距离调整的方式，提高了工作效率；采取大前车身，小后车身的结构，将后车身作为防倾覆的支柱，同时通过在前车身布置两个主动大轮，后车身布置万向小从动轮，完成机器人前进，后退或转弯，与传统的双轮机器人相比，三角结构的车轮布局，保证了小车的稳定性，不需要内置陀螺防倾覆装置，成本低于双轮机器人，同时，小后车身配合万向小从动轮没有占据过多的空间，也具有良好空间通过性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。