可绘制3D地图并实时传输图像的洞穴探测爬行机器人的制作方法

本发明涉及陆地四足仿生爬行机器人领域，特别是一种可绘制3d地图并实时传输图像的洞穴探测爬行机器人。

背景技术：

爬行机器人是移动机器人的一种，其对应于普通车轮机器人或履带机器人，具有更适应变化地形的特点。目前，爬行机器人多用于管道监测，可实现对于管网施工单位的工程自检，随时抽检施工动态，避免施工漏洞，为施工项目的竣工验收提供评估依据和在役管道的普查、养护、检修以及各种储罐、箱体等内部情况的检测，是水利、燃气、铁道通信、市政建设、工矿、基建等单位进行改造、维修、普查管线的必备设备之一。

由于管道内的工作面较为平坦、波动较小，因此，应用于管道内的的爬行机器人对地形的适应性通常较低；并且，管道机器人通常是在已知管道的构造以及走向的情况下，对管道进行监测检修，并不具有采集地形地貌实时信息及搜寻绘图的能力，所以在科研考古的洞穴探测中针对一些未知地形的探测时，现有的管道爬行机器人技术还不足以满足研究人员的使用要求。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能探测未知环境并绘制实时3d地图，传输实时图像的可绘制3d地图并实时传输图像的洞穴探测爬行机器人。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：可绘制3d地图并实时传输图像的洞穴探测爬行机器人，包括固定板支架和四条支腿，四条支腿分别安装在固定板支架的四个角上；四条支腿结构相同；所述的支腿包括上部舵机、大臂连杆、中部舵机、小臂连杆、下部舵机和钳部；所述的上部舵机依次与大臂连杆、中部舵机、小臂连杆、下部舵机和钳部串联，形成三关节三连杆的结构；所述的上部舵机与固定底板支架的一个角相连接。

所述的固定底板支架上分别安装嵌入式控制模块、无线通信模块、运动模块、超声波测距模块和机器视觉模块；

所述的嵌入式控制模块作为机器人的主控芯片，包括嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口、i/o接口、电源电路、时钟电路和存储器电路。

所述的运动模块包括四个上部舵机、四个中部舵机、四个下部舵机，每个舵机分别与主控芯片连接，主控芯片对所有舵机的转角进行控制。

所述的超声波测距模块有三个，分别安装在固定底板支架的上部和左右两侧，每个超声波测距模块结构相同，均包括超声波发射器、超声波接收器和测距控制电路。上部的超声波测距模块用于测量机器人中心到洞穴顶壁的距离；左右两侧的超声波测距模块分别用于测量机器人中心到洞穴左右侧壁的距离；三个超声波测距模块均与主控芯片相连，接受主控芯片的命令、向主控芯片反馈距离数据信息，主控芯片再通过无线通信模块将数据发送给上位机进行处理，通过labview软件进行3d地图绘制。

所述的机器视觉模块，包括openmv专用摄像头、摄像头底座和控制芯片，所述的控制芯片与主控芯片连接，openmv专用摄像头通过摄像头底座安装在固定底板支架上、朝向机器人运动的正前方，将机器人行走前方的道路图像进行实时传输，将视觉识别结果反馈给主控芯片，主控芯片通过无线通信模块将机器人接收到的图像结果发送给上位机进行处理，进行实时监控洞穴内部情况及机器人运动情况。

进一步地，所述的上位机中安装的软件包含机器人运动控制界面、超声波测量数据绘图实时显示界面和实时图像信息回传界面；机器人通过计算机远程操纵爬行进入待测区域中，操作人员在安全地区对其进行运动控制，通过openmv摄像头监控爬行机器人视觉，如果有具体的探测对象，则利用openmv摄像头进行物体识别与搜寻，进入待测区后，超声波测距仪开始传送机器人上方、左侧和右侧距离数据给上位机，上位机通过软件处理，得到实时绘制的3d地图图像，实现采集洞穴结构信息的目的。

进一步地，所述的主控芯片和控制芯片均为为低功耗、低电压、高性能、高实时性的stm32芯片。

进一步地，所述的无线通信模块是低功耗局域网协议模块，采用通用的、低功耗的近距离无线组网通讯技术zigbee。

进一步地，所述的超声波测距模块为超声波测距器hy-srf05。

与现有技术比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过让运动灵活的爬行机器人载有超声波测距器进入洞穴的未知区域中，在机器人的运动过程中，将超声波测距器测得的距离数据通过无线通信模块实时传输回上位机，利用上位机中的绘图软件处理后，实现了三维地图的实时绘制。

2、本发明通过让运动灵活的爬行机器人载有机器视觉模块openmv进入被测区域中，利用摄像头的实时传输图像功能，通过无线通信模块将图像传输到上位机，实现了操作人员对未知区域的同步监测。

3、本发明用到的openmv是一种多功能多优势的摄像头装置，但在实际的应用中开发量甚少，因此本发明不仅采用openmv实时采集图像信息并回传，还可以做到利用openmv的物体识别功能，对洞穴等未知区域特定物体的识别与搜寻。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明支腿的侧视结构图(四条支腿均相同)。

图3是本发明的信号传递关系图。

图4是本发明的工作流程图(箭头方向代表信息传输方向)。

图中：1-超声波测距模块；2-机器视觉模块；3-主控芯片；4-上部舵机；5-大臂连杆；6-中部舵机；7-小臂连杆；8-下部舵机；9-钳部。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。

如图1-3所示，一种可绘制3d地图并实时传输图像的洞穴探测爬行机器人，包括固定板支架和四条支腿，四条支腿分别安装在固定板支架的四个角上；四条支腿结构相同；所述的支腿包括上部舵机4、大臂连杆5、中部舵机6、小臂连杆7、下部舵机8和钳部9；所述的上部舵机4依次与大臂连杆5、中部舵机6、小臂连杆7、下部舵机8和钳部9串联，形成三关节三连杆的结构；所述的上部舵机4与固定底板支架的一个角相连接。

所述的固定底板支架上分别安装嵌入式控制模块、无线通信模块、运动模块、超声波测距模块1和机器视觉模块2；

所述的嵌入式控制模块作为机器人的主控芯片3，包括嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口、i/o接口、电源电路、时钟电路和存储器电路。

所述的运动模块包括四个上部舵机4、四个中部舵机6、四个下部舵机8，每个舵机分别与主控芯片3连接，主控芯片3对所有舵机的转角进行控制。

所述的超声波测距模块1有三个，分别安装在固定底板支架的上部和左右两侧，每个超声波测距模块1结构相同，均包括超声波发射器、超声波接收器和测距控制电路。上部的超声波测距模块1用于测量机器人中心到洞穴顶壁的距离；左右两侧的超声波测距模块1分别用于测量机器人中心到洞穴左右侧壁的距离；三个超声波测距模块1均与主控芯片3相连，接受主控芯片3的命令、向主控芯片3反馈距离数据信息，主控芯片3再通过无线通信模块将数据发送给上位机进行处理，通过labview软件进行3d地图绘制。

所述的机器视觉模块2，包括openmv专用摄像头、摄像头底座和控制芯片，所述的控制芯片与主控芯片3连接，openmv专用摄像头通过摄像头底座安装在固定底板支架上、朝向机器人运动的正前方，将机器人行走前方的道路图像进行实时传输，将视觉识别结果反馈给主控芯片3，主控芯片3通过无线通信模块将机器人接收到的图像结果发送给上位机进行处理，进行实时监控洞穴内部情况及机器人运动情况。

进一步地，所述的上位机中安装的软件包含机器人运动控制界面、超声波测量数据绘图实时显示界面和实时图像信息回传界面；机器人通过计算机远程操纵爬行进入待测区域中，操作人员在安全地区对其进行运动控制，通过openmv摄像头监控爬行机器人视觉，如果有具体的探测对象，则利用openmv摄像头进行物体识别与搜寻，进入待测区后，超声波测距仪开始传送机器人上方、左侧和右侧距离数据给上位机，上位机通过软件处理，得到实时绘制的3d地图图像，实现采集洞穴结构信息的目的。

进一步地，所述的主控芯片3和控制芯片均为为低功耗、低电压、高性能、高实时性的stm32芯片。

进一步地，所述的无线通信模块是低功耗局域网协议模块，采用通用的、低功耗的近距离无线组网通讯技术zigbee。

进一步地，所述的超声波测距模块1为超声波测距器hy-srf05。

如图1-4所示，本发明的工作方法如下：本发明的上位机中安装的软件包含爬行机器人运动控制界面、超声波测量数据绘图实时显示界面、实时图像信息回传界面。

操作人员在安全地区通过无线通信模块利用电脑远程向机器人主控芯片3发出前行后退转弯等命令，主控芯片3则向十二个舵机发出合适的角度弯曲代码指令，操纵机器人爬行进入待测区域中。然后，通过openmv摄像头的芯片stm32和机器人的主控芯片3的信息交互，可以传送回机器人视觉于远程的上位机，如果有具体的探测对象，则还可以利用openmv进行物体识别与搜寻。同时，进入待测区后，主控芯片3发出开始命令，控制超声波测距仪启动，三个测距器分别开始传送洞穴上部、左壁、右壁的距离数据给主控芯片3，再传回上位机，通过labview软件处理，得到实时绘制的3d-map图像，则可以实现采集洞穴结构信息的目的。

整个过程完成了爬行机器人的克服障碍运动、对洞穴图像实时传输、三维地图绘制、以及目标识别的工作，也是人工智能的体现。