一种基于超声波传感器测距的自平衡图像采集装置的制造方法
【专利摘要】一种用于猕猴桃采摘机器人中的基于超声波传感器测距的自平衡图像采集装置，包括摄像头、二自由度云台、加速度传感器、超声波传感器、单片机五部分。该装置由单片机最小系统所控制，在二自由度云台上方安装有摄像头和四个超声波传感器。摄像头的下方安装加速度传感器，当摄像头的位置发生变化时，加速度传感器会立刻检测到变化量，将收集到的数据传送给单片机。单片机控制云台上的舵机将云台调至水平。当摄像头调整到水平位置后，四个超声波传感器会同时向外发射超声波，遇到物体被反射回来，四个超声波传感器将收集的数据传输给单片机，单片机取四个距离中的最小值作为摄像头至猕猴桃的距离。
【专利说明】
一种基于超声波传感器测距的自平衡图像采集装置
技术领域
[0001 ]本专利是涉及一种用于猕猴桃采摘机器人中的基于超声波传感器测距的自平衡图像采集装置，主要用于田间环境下猕猴桃采摘机器人的目标图像采集。
【背景技术】
[0002]我国是猕猴桃生产大国，而猕猴桃独特的棚架式生产结构，决定了摄像头可以自下而上对猕猴桃进行果实的图像拍摄。由于猕猴桃距地高度不一样，所以拍摄时摄像头与猕猴桃的距离也不一样，这导致了摄像头最终拍摄的图像与猕猴桃的真实尺寸存在偏差，影响了采集的图像质量。另外由于田间环境复杂，猕猴桃采摘机器人在田间运动时如果发生倾斜就会导致摄像头倾斜，也会影响到采集的图像质量。因此，如果能在图像采集装置自动平衡的前提下添加超声波传感器，利用其测出摄像头到猕猴桃的距离，就能获得较为可靠的图像。
[0003]由于对猕猴桃的图像采集是实现对猕猴桃采摘功能的第一步，所以一个精准的拍摄方法会让猕猴桃的最终识别产生一个更为理想的效果。传统的猕猴桃识别装置忽略了对猕猴桃的精准拍摄问题，导致了智能机器人所展现的智能化与精确性等优点不能完美体现。本专利则是在原有猕猴桃识别装置的基础上另外解决了猕猴桃的拍摄问题，即在摄像头的下方加一个加速度传感器，解决了图像采集装置的平衡问题，在摄像头旁边(云台的上方)安装四个超声波传感器用于获取摄像头距离目标猕猴桃的距离，用于后期通过图像处理的方法计算猕猴桃的真实尺寸。然后单片机最小系统对整个图像采集装置进行控制，指导采摘机器人的精确操作。本专利使用的是二自由度云台，可以调节水平和垂直位置，将摄像头安装于其上，实现摄像头自动调整到水平位置的功能。加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备，通过测量由于重力引起的加速度，可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度，通过分析动态加速度，可以分析出设备移动的方式。采用加速度传感器保证摄像头在任意位置下，能够自动调整到水平状态，自下向上拍摄猕猴桃。超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器，既可以发射超声波，也可以接受超声波。四个超声波传感器同时向外发射超声波，避免了单一超声波不能返回的现象。四个超声波传感器同时测量摄像头到上方的距离，取最小距离为摄像头到猕猴桃的距离，再通过相似三角形原理，利用图像处理方法估算出猕猴桃的实际尺寸。
【发明内容】
[0004]针对猕猴桃图像的采集问题，本实验提出了一种高效率、智能化、高精准的基于超身波传感器测距的自平衡图像采集装置。
[0005]实现上述实验目的是由以下技术方案实现:
[0006]本专利包括摄像头、二自由度云台、加速度传感器、超声波传感器、单片机五部分。其特征是该装置由单片机最小系统所控制，在二自由度云台上方安装摄像头和四个超声波传感器。摄像头的下方安装加速度传感器，当摄像头的位置发生变化时，加速度传感器会立刻检测到变化量，将收集到的数据传送给单片机。云台上搭载两个舵机，第一个舵机为垂直转向舵机，搭载在云台上端，第二个舵机为水平转向舵机，搭载在云台的下端。单片机控制垂直转向舵机的方向转向，舵机通过齿轮啮合带动云台在垂直方向转动，同时单片机控制水平转向舵机的方向转向，舵机通过齿轮啮合带动云台在水平方向转向。当摄像头调整到水平位置后，四个超声波传感器会同时向外发射超声波，避免了单一超声波传感器将超声波发射到天空的情况。当超声波遇到物体被反射回来，四个超声波传感器将收集的数据传输给单片机，单片机取四个距离中的最小值作为摄像头至猕猴桃的距离，利用图像处理方法估算出猕猴桃的实际尺寸。
[0007]上述单片机用来发送接收和处理信号和数据，并控制舵机进行相应的操作。
[0008]上述的超声波传感器用来测量摄像头到猕猴桃的距离。
[0009]上述的加速度传感器用来测量重力加速度的夹角变化。
[0010]上述的舵机用来对云台进行水平和垂直方向的调整。
[0011]本专利的优点:摄像头始终与地面保持水平，保证了装置稳定性，确保了摄像头自上而下对着猕猴桃的果萼部分直接拍摄。超声波传感器可以测出摄像头到猕猴桃的距离，通过相似三角形原理估算猕猴桃的真实尺寸，有利于猕猴桃采摘机器人的精确操作。
【附图说明】
[0012]下面结合附图和实施方式对本专利进一步说明。
[0013]图1是一种自适应调整的图像采集装置的结构框图；
[0014]图2是该装置中二自由度云台的结构示意图；
[0015]图3是该装置中对摄像头和超声波传感器的俯视图。
【具体实施方式】
[0016]在图1、2、3中，本专利的一种基于超声波传感器测距的自平衡图像采集装置，包括单片机1、二自由度云台2、加速度传感器3、超声波传感器4、摄像头5。所述单片机I作为控制系统，接收加速度传感器3和超声波传感器4传送的信息并处理，进而控制二自由度云台2的运动;二自由度云台2包括水平转向舵机、垂直转向舵机。
[0017]具体工作过程:
[0018]当云台装置最上端的摄像头5位置发生变化时，加速度传感器3立即感应到云台水平夹角的变化，将采集的数据传送给单片机I。单片机I控制水平转向舵机22的转动，舵机22通过齿轮24捏合带动下部的云台在水平方向转动。同时，单片机I控制垂直转向舵机21的方向转向，舵机21通过齿轮23啮合控制上端云台上下转动。云台2在单片机I的控制下最终恢复为水平状态。当单片机I判断云台2调整到水平位置后，装置停止工作。此时，云台2上方的四个超声波传感器41、42、43、44同时测量其离上方的距离，并将数据传输给单片机I，单片机I取四个距离中的最小值作为摄像头至猕猴桃的距离，后期再利用图像处理方法估算出猕猴桃的实际尺寸。
【主权项】
1.一种基于超声波传感器测距的自平衡图像采集装置，包括单片机(I)、二自由度云台(2)、加速度传感器(3)、超声波传感器(4)、摄像头(5)五部分;其特征是，该装置由单片机(1)控制，在二自由度云台(2)上方安装摄像头(5)和四个超声波传感器(41、42、43、44);摄像头(5)的下方安装加速度传感器(3)，当摄像头(5)的位置发生变化时，加速度传感器(3)会立刻检测到变化量，将收集到的数据传送给单片机(I);单片机(I)控制水平转向舵机(22)的转动，水平转向舵机舵机(22)通过齿轮(24)捏合带动下部的云台在水平方向转动；单片机(I)再控制垂直转向舵机(21)的方向转向，垂直转向舵机(21)通过齿轮(23)啮合控制上端云台上下转动，最终调至水平位置；当摄像头(5)调整到水平位置后，四个超声波传感器(41、42、43、44)会同时向外发射超声波；当超声波遇到物体被反射回来，四个超声波传感器(41、42、43、44)将收集的数据传输给单片机(1)，单片机(I)取四个距离中的最小值作为摄像头至猕猴桃的距离，利用图像处理方法估算出猕猴桃的实际尺寸。
【文档编号】H04N5/225GK205490832SQ201620085251
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年1月26日
【发明人】傅隆生, 李玉龙, 彭俊, 孙世鹏, 李 瑞
【申请人】西北农林科技大学