一种微小型机器人运动控制系统、方法、存储介质及终端与流程

本发明涉及智能微小型机器人技术领域，尤其涉及一种微小型机器人运动控制系统、方法、存储介质及终端。

背景技术：

侦察微小型机器人作为一种专业性服务微小型机器人，其在空间探索、危险环境探查和取样、战场侦察、城市救灾、排爆、反恐防化等领域具有广泛的应用需求，是当前微小型机器人领域的研究热点之一。近些年，世界上各类自然灾害、恐怖袭击事件和高危行业重大事故频发，造成了大量的人员伤亡和财产损失。面对这些事件的应急救援，需要对现场进行全面探查充分了解现场环境，然后进行针对性部署。但在这一过程中，往往会遇到情况不明或具有高度危检的区域，贸然进入这些场合将有可能带来更大的人员伤亡，侦察微小型机器人则可代替人完成这些任务。操控人员只需在现场外围，通过无线遥控操作微小型机器人进入现场获取微小型机器人回传的现场视频和音频数据，从而完成探查任务。这样不仅保证了相关人员的安全性，更能提高救援工作效率。

侦察微小型机器人向微小型方向发展将成为侦察微小型机器人的一个重要趋势，相对于大中型微小型机器人，微小型机器人无法实现较为复杂的功能，如搭载机械臂进行抓取作业等，但其在狭小范围内执行侦察任务或在受监控区域隐蔽潜入等场合拥有较大的优势。微小型侦察微小型机器人可通过抛投、飞行等方式进入待侦察区域，操控人员远程遥控其执行侦察任务。微小型机器人运动控制系统很大程度上决定了微小型机器人的运动性能，目前现有的微小型侦察微小型机器人，必需由操控人员通过无线遥控器操控，微小型机器人才能行驶，缺少自主定位导航功能，且在台阶、碎石、暗巷、洞穴、隧道等多种复杂地形上无法正常行走。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术微小型机器人无法实现精确的差速转弯控制、偏航矫正、避障、自主定位导航等功能的问题，提供一种微小型机器人运动控制系统

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种微小型机器人运动控制系统，系统包括：视觉slam模块、微控制模块和自主导航避障模块，所述微控制模块和自主导航避障模块设于微小型机器人内部的模拟舱中。

具体地，视觉slam模块输出端与微控制模块连接，视觉slam模块包括双目摄像头和九轴陀螺仪，双目摄像头用于获取机器人的障碍信息和位置信息，双目摄像头设于微小型机器人正前方的俯仰机构中，九轴陀螺仪用于获取机器人的姿态信息。其中，姿态信息包括机器人的加速度、角速度、偏航角，障碍信息包括障碍物离机器人距离及障碍物的大小，位置信息表示机器人当前所处的位置。

具体地，自主导航避障模块与微控制模输出端块连接，根据视觉slam模块检测到的姿态信息、位置信息和障碍信息建立地图信息，并根据地图信息建立目的地与初始地之间的最短无障碍路径，控制机器人根据该路径自动行驶。

具体地，系统还包括运动控制模块，设于微小型机器人内部的模拟舱中，运动控制模块与微控制模块连接，用于控制机器人的行驶方向，包括前进、后退、转向等动作，根据视觉slam模块提供的转向角速度，控制机器人平滑转向，根据视觉slam模块提供的偏航角，保持直行状态下的行进方向，防止机器人偏航。

具体地，系统还包括电机管理模块，所述电机管理模块与微控制模块双向连接，电机管理模块包括霍尔传感器，用于采集电机的电流信息，通过控制电流的大小控制微小型机器人的行驶速度。

具体地，系统还包括红外传感器，红外传感器输出端与微控制模块连接，用于在第一环境中采集障碍信息。其中，第一环境包括雨天、雾霾天、火灾现场。

本发明还包括一种微小型机器人运动控制方法，采用上述一种微小型机器人运动控制系统，方法包括以下步骤：

s01：开始执行任务，判断是否有到达目的地的地图；

s02：若无地图，获取微小型机器人当前位置信息、姿态信息和障碍信息，控制微小型机器人行驶并绕过障碍，最后控制微小型机器人回到出发点，建立并保存地图；

s03：若有地图，建立最短无障碍路径，获取微小型机器人当前位置信息和姿态信息，微小型机器人自动行驶到目的地，导航结束。

本发明还包括一种存储介质，其上存储有计算机指令，计算机指令运行时执行一种微小型机器人运动控制系统的方法的步骤。

本发明还包括一种终端，包括存储器和处理器，存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机指令，所述处理器运行所述计算机指令时执行一种微小型机器人运动控制系统的方法的步骤。

与现有技术相比，本发明有益效果是：

(1)本发明的视觉slam模块中的九轴陀螺仪能够获取微小型机器人的姿态信息，双目摄像头能够获取微小型机器人的障碍信息和位置信息，当微小型机器人处于第一环境中，可以通过红外传感器代替双目摄像头采集障碍信息，环境适应力大大提升。

(2)本发明的自主导航避障模块能够根据视觉slam模块采集的数据信息建立地图，且在已有地图的情况下，规划最短无障碍路径，使微小型机器人能够在复杂地形行走。

(3)本发明的运动控制模块和电机管理模块采用的转向控制方法能够精确地实现差速转弯控制和偏航矫正。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图中：

图1为本发明实施例1的系统图；

图2为本发明实施例1双目摄像头视觉图像匹配流程图；

图3为本发明实施例1为自主导航避障流程图；

图4为本发明实施例1偏航校正流程图；

图5为本发明实施例1转向控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明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。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

如图1所示，在实施例1中，一种微小型机器人运动控制系统，在本实施例中，该微小型机器人具体为小型车辆机器人，该小型车辆机器人包括四个聚氨酯材料的车轮，具有抗张力、耐摩擦、耐油性能的特点，小型车辆机器人的车身中部内设有模拟舱，小型车辆机器人的正前方设有俯仰机构，可实现上下60°的俯仰动作。

进一步地，一种微小型机器人运动控制系统，其具体包括视觉slam模块、微控制模块、自主导航避障模块、运动控制模块、电机管理模块和红外传感器，视觉slam模块、自主导航避障模块、运动控制模块、电机管理模块和红外传感器均与微控制模块连接。其中，微控制模块、自主导航避障模块、运动控制模块、电机管理模块设于模拟舱内，模拟舱采用铝或者铝合金等金属材料，用于保护微控制模块、自主导航避障模块、运动控制模块、电机管理模块不受到外部环境的伤害，该外部环境包括但不限于潮湿环境或者高温环境等。

进一步地，视觉slam模块输出端与微控制模块连接，视觉slam模块包括双目摄像头和九轴陀螺仪，双目摄像头用于获取微小型机器人的障碍信息和位置信息，且双目摄像头设于小型车辆机器人的俯仰舱内，该俯仰舱采用铝或者铝合金等金属材料，九轴陀螺仪用于获取微小型机器人的姿态信息。其中，姿态信息包括微小型机器人的加速度、角速度、偏航角，障碍信息包括障碍物离微小型机器人距离及障碍物的大小，位置信息表示微小型机器人当前所处的位置。具体地，如图2所示，双目摄像头视觉图像匹配的步骤包括：

s11：获取双目图像数据，提取图像特征点，建立几何成像模型；

s12：把实际中非共面行对准的两幅图像，校正成共面行对准；

s13：通对算法图像进行立体匹配，建立图像的立体模型；其中，图像匹配算法首先对图像对直方图均衡化，使图片的直方图居于平稳，然后匹配特征点后优化，排除匹配错误的点，得到离散的视差图，通过双线性插值得到最终视差图。

s14：通过匹配结果，恢复图像的立体感。

更进一步地，微小型机器人向目的地方向行进过程中，slam模块中的双目摄像头获取障碍物信息，得到障碍物大小和距离，当距离大于1m时，微小型机器人继续高速前进，小于1m，微小型机器人减速并判断障碍物两边哪边更空旷，若右边更空旷，控制微小型机器人向右绕过障碍，反之，控制微小型机器人向左绕过障碍，并回原行驶方向，向目标点方向继续前进。

进一步地，自主导航避障模块与微控制模输出端块连接，根据视觉slam模块检测到的姿态信息、位置信息和障碍信息建立地图信息，并根据地图信息建立目的地与初始地之间的最短无障碍路径，控制微小型机器人根据该路径自动行驶。具体地，如图3所示，开始执行任务，判断是否有地图，若无地图，获取微小型机器人当前位置信息、姿态信息和障碍信息，控制微小型机器人行驶并绕过障碍，最后控制微小型机器人回到出发点，建立并保存地图；若有地图，建立最短无障碍路径，获取微小型机器人当前位置信息和姿态信息，控制微小型机器人行驶到目的地，导航结束。

进一步地，运动控制模块与微控制模块连接，用于控制微小型机器人的行驶方向，包括前进、后退、转向等动作。具体地，根据视觉slam模块提供的转向角速度，控制微小型机器人平滑转向，根据视觉slam模块提供的偏航角，保持直行状态下的行进方向，防止微小型机器人偏航。

更进一步地，微小型机器人采用四轮驱动，通过控制四轮转速和转向，实现微小型机器人前进，后退，控制左右轮差速实现转向，在操作员没有下达转向指令时，保持微小型机器人不偏航行驶。具体地，如图4所示，在微小型机器人行驶过程中，视觉slam模块实时监测微小型机器人当前是否偏航，若偏航，微控制模块下达转向指令，根据视觉slam模块的当前偏航角度进行调整，控制微小型机器人回到偏航前的角度，其具体的转向方法如下：

如图5所示，微小型机器人接收转向指令，根据微小型机器人的初始角速度base值，得到转向初速度p，控制微小型机器人开始转向，同时通过视觉slam模组的九轴陀螺仪检测当前微小型机器人转向角速度，计算当前角速度和期望角速度的差值error，计算得到角加速度a，计算得到加速度变化率d，通过增量pid控制得到补偿量：公式为step+＝ki*(-a)+kp*error+kd*(-d)，其中，ki表示控制角加速度，kp表示控制角速度误差，kd表示控制角加速度变化率。最后得到转向速度p+step，控制微小型机器人加速达到期望的角速度，实现平稳转向。

进一步地，电机管理模块与微控制模块双向连接，电机管理模块包括霍尔传感器，用于采集电机的电流信息并传输至微控制模块，微控制模块通过控制电流的大小控制微小型机器人的行驶速度。

进一步地，红外传感器输出端与微控制模块连接，用于在第一环境中采集障碍信息。其中，第一环境包括但不限于雨天、雾霾天、火灾现场、爆炸现场。

进一步地，一种微小型机器人运动控制系统还包括电源模块，设于模拟舱内，电源模块用于为视觉slam模块、微控制模块、运动控制模块、电机管理模块和红外传感器提供工作电压。

进一步地，采用上述一种微小型机器人运动控制系统的方法，方法包括以下步骤：

s01：开始执行任务，判断是否有到达目的地的地图；

s02：若无地图，获取微小型机器人当前位置信息、姿态信息和障碍信息，控制微小型机器人行驶并绕过障碍，最后控制微小型机器人回到出发点，建立并保存地图；

s03：若有地图，建立最短无障碍路径，获取微小型机器人当前位置信息和姿态信息，微小型机器人自动避障行驶到目的地，导航结束。具体地，若微小型机器人在无障碍路径中行驶出现了新的障碍，比如石头，可根据视觉slam模块检测到的障碍信息绕过该障碍，使微小型机器人能够在复杂地形行走。

实施例2

本实施例提供了一种存储介质，是在实施例1基础上作出的进一步优化，其上存储有计算机指令，计算机指令运行时执行实施例1中的一种微小型机器人运动控制系统的方法的步骤。

基于这样的理解，本实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-onlymemory，rom)、随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

实施例3

本实施例还提供一种终端，是在实施例1基础上作出的进一步优化，包括存储器和处理器，存储器上存储有可在处理器上运行的计算机指令，处理器运行计算机指令时执行实施例1中的一种微小型机器人运动控制系统的方法的步骤。处理器可以是单核或者多核中央处理单元或者特定的集成电路，或者配置成实施本发明的一个或者多个集成电路。

在本发明提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。