一种基于视觉定位的群机器人控制系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机器人智能控制领域，尤其涉及一种基于视觉定位的群机器人控制系 统及方法。
【背景技术】
[0002] 随着电子信息技术的飞速发展，机器人在社会生产和科学研究中得到了十分广泛 的应用。工业生产和军事应用也对机器人提出了更高的要求。传统的单机器人在面对复杂 任务，动态变化环境下的信息处理控制方面能力尤显不足。因此，考虑用多个结构相同的单 一机器人组成群机器人系统，提升机器人在信息处理，协同作业方面的能力，并通过协同控 制来提升机器人运行的效率，完成单个机器人无法或者难以完成的任务。
[0003] 群机器人控制需要解决两个关键问题，首先是群机器人在个体协助执行整体任务 的过程中需要实时的获取自身的位姿信息以及周围一定范围内的机器人状态信息，其次是 群体机器人在已知位姿信息的情况下通过控制器的协同控制策略完成控制任务的执行。传 统机器人定位主要是通过传感器对周围环境的感知，对多种传感器进行数据去噪融合，并 通过算法解算出机器人的实时位姿。这种方法在群机器人控制中存在着实时性较差、鲁棒 性弱、应用难度大等缺点。因此，设计一种基于视觉定位的群机器控制系统有重要的意义。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中采用传感器对机器人进行定位及 位姿判断的实时性较差、准确度不高且应用难度较大的缺陷，提供一种通过视觉定位技术 对机器人的位姿信息进行判断，并控制群机器人协调工作的基于视觉定位的群机器人控制 系统及方法。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] 本发明提供一种基于视觉定位的群机器人控制系统，包括视频采集定位单元、上 位机单元和群机器人单元；
[0007] 所述视频采集定位单元，用于采集群机器人单元运动范围内的图像，根据该运动 范围建立坐标系，识别群机器人单元中每个机器人的位姿信息，包括机器人的坐标信息和 姿态角信息，并通过网络接口将该位姿信息发送给所述上位机单元；
[0008] 所述上位机单元，根据接收到的机器人的位姿信息，实时计算机器人当前坐标信 息与目标点坐标的误差，根据误差生成修正机器人运动姿态的控制信息，并将该控制信息 通过无线传感网络发送给机器人；
[0009] 所述群机器人单元，由多个单体机器人组成，每个单体机器人接收并解析来自所 述上位机单元的控制信息，并调整行走策略，完成路径轨迹的跟随控制及群体调度任务。
[0010] 所述视频采集定位单元包括：
[0011] 多个摄像头；
[0012] 对采集到的图像进行处理的视频采集卡；
[0013] 将处理后的图像发送给上位机单元的网络接口。
[0014] 所述上位机单元包括：
[0015] 存储机器人位姿信息和路径文件的数据库；
[0016] 对机器人编队信息、路径信息进行输入，并显示机器人移动控制信息的人机交互 界面；
[0017] 对机器人行进中的位姿信息进行计算得到位姿误差的位姿误差算法模块；
[0018] 向机器人发送控制信息的无线传感网络Sink节点。
[0019] 所述群机器人单元中的单体机器人包括：
[0020] 为机器人提供动力的供电模块；
[0021] 解析控制信息并控制机器人行进的主控模块；
[0022] 与所述上位机单元进行通信的无线通讯模块。
[0023] 所述主控模块采用AVRAtmega32芯片。
[0024] 所述无线通讯模块采用Zigbee的通讯方式。
[0025] 本发明提供一种基于视觉定位的群机器人控制方法，包括以下步骤：
[0026] S1、视频采集定位单元采集群机器人单元的运动范围内的图像，根据该运动范围 建立坐标系，识别群机器人单元中每个机器人的位姿信息，包括机器人的坐标信息和姿态 角信息，并通过网络接口将该位姿信息发送给上位机单元；
[0027]S2、上位机单元根据位姿误差算法生成控制信息，具体步骤为：
[0028] S21、上位机单元读取路径文件，按照机器人编号将每个机器人的路径轨迹存入链 表数据结构中，该路径文件包括机器人的路径轨迹、目标点坐标和路径阶段信息；
[0029] S22、根据每个机器人当前的位姿信息和S21中的路径轨迹，实时计算机器人姿态 角与路径轨迹方向的偏差，记为姿态误差；并实时计算当前坐标信息与目标点坐标的距离， 记作位置误差；
[0030] S23、将姿态误差和位置误差作为模糊控制算法的输入，生成每个机器人运动状态 调整的控制信息；
[0031] S24、判断每个机器人是否完成当前路径阶段，若未完成，则持续进行反馈修正；若 已完成，则进入下一路径阶段；
[0032] S3、对群机器人中的所有编号机器人的参数设置和目标点坐标进行遍历引导，完 成对群机器人的控制协作。
[0033] 步骤S1中获取机器人位姿信息的具体方法为：
[0034]S11、对视频采集定位模块覆盖的区域进行坐标标定，通过灰度检测算法对机器人 的标签进行识别，以此确定每个机器人的坐标信息；
[0035] S12、对机器人的轮廓进行标定，通过ICP匹配算法对移动的机器人目标进行匹 配，通过动态匹配轮廓算法计算机器人的姿态角信息。
[0036] 步骤S23中对机器人的模糊控制方法具体为：
[0037] 控制机器人两轮速度差进行控制，在调整大角度误差时采取大速率调整，在调整 小角度误差时采取小速率调整；
[0038] 角度误差调整进入缓冲区域时，进一步的减小调整速率，对速率较大的车轮施加 轻微刹车；
[0039] 角度误差调整接近零时，将两轮的速率调整至同一数值。
[0040] 步骤S23中对机器人运动状态进行控制的控制方程为：
[0041 ]
[0042]其中，[xp(k+l) yp(k+l) Θ p(k+l)]为反馈调整状态变化，[xp(k) yp(k) Θ p(k)] 为调整前移动机器人位姿状态，[vp(k) wp(k)]为移动机器人的速度变化向量，ΔΤ为时间 间隔。
[0043] 本发明产生的有益效果是：本发明的基于视觉定位的群机器人控制系统，通过视 觉定位技术对群机器人的位姿信息进行判断，并控制机器人的运动状态，降低了个体机器 人对自身传感器设备的依赖程度，且由主控计算机通过链表完成任务分配和指令操作，保 证了多个机器人协同控制运行同时也提高了单个机器人个体作业能力；
[0044] 通过高频率反馈控制与模糊控制策略提高了系统的运行精度，降低了执行复杂 度，保证在视觉数据持续有效的情况下简便、快速的完成个体任务和群体任务的执行；
[0045] 使用快速有效的无线组网方式，在机器人群体中添加新个体能迅速完成群体匹配 与任务分配，便于提高系统整体运行效率。
【附图说明】
[0046] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0047]图1是本发明实施例的基于视觉定位的群机器人控制系统的结构框图；
[0048] 图2是本发明实施例的基于视觉定位的群机器人控制方法的流程图；
[0049] 图3是本发明实施例的基于视觉定位的群机器人控制方法的详细流程框图；
[0050] 图4是本发明实施例的基于视觉定位的群机器人控制方法的视觉定位模块识别 定位流程图；
[0051]图5是本发明实施例的基于视觉定位的群机器人控制系统的机器人的结构框图；
[0052]图6是本发明实施例的基于视觉定位的群机器人控制系统的无线通讯模块的结 构示意图。
【具体实施方式】
[0053] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不 用于限定本发明。
[0054] 如图1所示，本发明实施例的基于视觉定位的群机器人控制系统，包括视频采集 定位单元、上位机单元和群机器人单元；
[0055] 视频采集定位单元，用于采集群机器人单元运动范围内的图像，根据该运动范围 建立坐标系，识别群机器人单元中每个机器人的位姿信息，包括机器人的坐标信息和姿态 角信息，并通过网络接口将该位姿信息发送给上位机单元；
[0056] 视频采集定位单元包括：多个摄像头；对采集到的图像进行处理的视频采集卡； 将处理后的图像发送给上位机单元的网络接口。
[0057] 上位机单元，根据接收到的机器人的位姿信息，实时计算机器人当前坐标信息与 目标点坐标的误差，根据误差生成修正机器人运动姿态的控制信息，并将该控制信息通过 无线传感网络发送给机器人；
[0058] 上位机单元包括：存储机器人位姿信