一种基于多独立云台的仿生多目视觉物理平台的制作方法

专利名称：一种基于多独立云台的仿生多目视觉物理平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多目视觉物理平台，尤其是一种可以作为机器人头部使用的视觉平台。其主要参考的生物视觉系统是蜥蜴亚目避役科的视觉系统。此平台内部预留了部分空间，可以在该壳体内部加载各种电子器件来研究机器人视觉的相关问题，为机器视觉的算法实现提供一种实验研究平台。
背景技术：
现有的用于作为机器人头部的视觉物理平台主要为单目双自由度的视觉平台和双目双自由度的视觉平台。单独立云台的设计可以为整个视觉系统提供两个互相垂直的自由度水平方向，垂直方向。基于双自由度的单目视觉系统结构简单，算法计算量小，易于实现。但其也具有不能轻易获得目标深度信息的致命缺陷。基于双自由度的双目视觉系统可以获得目标的深度信息，进而计算出目标相对于视觉系统的世界坐标。但其也具有算法计算量大，需要依赖标定信息等缺点。
对参考生物的头部及视觉系统而言，此两类视觉系统简化了许多生物视觉系统的特性，但它们不具备蜥蜴亚目避役科视觉系统两眼可相互独立运动的特性，也不具备生物视觉系统的广角视觉和视觉清晰度，同时其较少的自由度也加大了视觉系统图像处理算法的复杂程度。发明内容
本发明的目的在于构造一种基于四独立云台的，能够很好地模拟蜥蜴亚目避役科视觉系统运动特点的视觉系统物理平台。本视觉系统将为研究仿人机器人视觉问题提供更好的实验研究平台，并为图像处理课程和机器人设计课程的教学提供实验研究平台。
为了达到上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种基于多独立云台的仿生多目视觉物理平台，包括电气系统和机械本体；其中， 所述机械本体包括三个独立云台(1)、大功率竖直摇摆台O)、大功率水平旋转台(3)、三个可变焦摄像头；大功率竖直摇摆台( 固定连接于大功率水平旋转台(3)，三个独立云台(1)固定连接于大功率竖直摇摆台(2)上，三个独立云台(1)线性排列；大功率水平旋转台(3)、大功率竖直摇摆台(2)和位于中间位置的独立云台⑴共轴；独立云台⑴由水平旋转台(5)和竖直摇摆台(6)组成，水平旋转台(5)和竖直摇摆台(6)分别由独立电机 (11)驱动，竖直摇摆台(6)固定连接于水平旋转台( 顶盘上；三个可变焦摄像头(4)分别固定连接于三个竖直摇摆台(6)上，其中中部的独立云台及摄像头要高于两侧的独立云台及摄像头，用以获得更广阔的视觉角度；大功率竖直摇摆台( 的输出功率是竖直摇摆台(6)输出功率的两倍以上；大功率水平旋转台(2)输出功率是水平旋转台(6)输出功率的两倍以上；大功率竖直摇摆台( 和大功率水平旋转台( 分别由独立电机(11)驱动；
所述电气系统包括电机运动控制器(7)、图像采集处理器(8)、无线图像传输模块 (9)，无线数据传输模块(10)、电源模块(12)；
可变焦摄像头(4)把采集到的图像信息传送至图像采集处理器(8)；图像采集处理器(8)经过计算把控制量发送至电机运动控制器(7)；电机运动控制器(7)驱动电机 (11)；电机(11)分别带动三个独立云台(1)、大功率竖直摇摆台O)以及大功率水平旋转台(3)运动；无线图像传输模块(9)把上位机传来的图像信息发送至电机运动控制器(7)，电机运动控制器(7)把图像反馈信息通过无线图像传输模块(9)发送至上位机，用以系统校正；无线数据传输模块(10)把上位机传来的控制数据发送至电机运动控制器(7)，电机运动控制器(7)把反馈控制信号通过无线数据传输模块(9)发送至上位机，用以系统校正；电源模块(1 分别为可变焦摄像头G)、电机运动控制器(7)、图像采集处理器 (8)以及电机(11)供电。无线图像传输模块(9)和无线数据传输模块(10)固定连接于大功率竖直摇摆台 (2)；可变焦摄像头(4)与图像采集处理器(8)连接，图像采集处理器(8)与电机运动控制器(7)连接；无线图像传输模块(9)和无线数据传输模块(10)分别与电机运动控制器(7) 连接；电机运动控制器(7)与电机(11)连接；电源模块(12)分别与可变焦摄像头、电机运动控制器(7)、图像采集处理器(8)以及电机(11)连接。如图一所示大功率竖直摇摆台2，大功率水平旋转台3构成了整个视觉系统的底层云台，为本视觉系统提供整体的水平和垂直方向的运动能力，其模拟的是生物的脖颈结构。此结构使得在中部可变焦摄像头获取兴趣信息后，可以使系统首先通过此结构进行左右旋转和垂直转动，而移动到到兴趣点所在区域方向，此后再通过左右两个独立云台及摄像头进行精确匹配，这样可以在很大程度上优化算法，并缩减反应时间，提高反应速度。底部云台上部两侧分别是无线图像传输模块9和无线数据传输模块10，其固定位置不限。其中无线数据传输模块10用于传输遥控信号，无线图像传输模块9将摄像头图像传送回上位机，用于脱离系统嵌入式芯片的图像处理。无线图像传输模块9和无线数据传输模块10的设置是为了便于系统扩展，方便日后通过本实验装置进行各种研究。三个摄像头4各配备有一套独立的云台1，可互相独立的进行水平或垂直运动，用以模拟类蜥蜴的眼部和脖颈结构。有益效果本发明的可以更好的模拟生物的视觉系统特点，可以为仿人机器人的图像处理， 特别是跟踪和识别的研究提供良好的实验研究平台。


图1是本发明的结构示意2是本发明的立体结构示意3是本发明的大功率水平旋转台3图4是本发明的大功率竖直摇摆台2和大功率水平旋转台3图5是本发明的左侧主摄像头4及其独立云台1图6是本发明的左侧水平旋转台5及插槽视图
图7是本发明的左侧竖直摇摆台6及其插槽视图视图
图8是本发明的电气连接示意图
图9是本发明的具体电气连接关系图具体实施方式
下面结合图1 图9详细说明本实例。
本发明所使用的电机运动控制器(7)为TI TMS320F28335 EVM，图像采集处理器 (8)为 TI TMS320DM642 EVM。其中 TMS320F283!35 负责控制电机 11 的运动，TMS320DM642 负责图像处理。也可以采用其他功能相近的DSP处理芯片代替，此处不做限制。
电源模块12属于现有技术，只要输出能够满足不同模块的工作电压需求即可。本实施例中选择能稳定输出3. 3v,5v, 12v,24v的电源模块即可。
本发明的总体结构如图一所示，包括三组可变焦摄像头及其独立云台1，无线图像传输模块9和无线数据传输模块10，大功率竖直摇摆台2，大功率水平旋转台3。三组可变焦摄像头及其独立云台1结构相同。图五所示为一组可变焦摄像头及其独立云台1。大功率竖直摇摆台2，大功率水平旋转台3，以及水平旋转台5和竖直摇摆台6可以采用市面上常见的金属材质的云台构成，其大小没有具体要求，只要能够满足前面所述的放置位置即可， 此处不做限制。其中的大功率竖直摇摆台2和竖直摇摆台6的结构主体没有本质区别，大功率竖直摇摆台2输出功率约为25 30W，而竖直摇摆台6输出功率约为10 15W。大功率水平旋转台3和水平旋转台5的区别与选型亦然。其性能指标如下转动速度水平转动速度为4° /秒 6° /秒，垂直转动速度为3° /秒 6° /秒；转动角度水平转动355°360°垂直转动+30° -30°左右就可以满足；载重量视上层承载物体的总重，大约在35kg。
无线图像传输模块9和无线数据传输模块10如图一所示位于大功率竖直摇摆台两侧。本系统并未规定使用哪款数传、图传模块。用户可根据具体需要安装适宜的模块如数传模块可安装市场上已开发的十分成熟的基于Nordic公司的nRF905无线通信芯片开发的无线通信模块，其他同类型的数据测试模块亦可。
插杆13和插槽14设置这两个部件的目的在于为左侧可变焦摄像头及其独立云台 1和右侧可变焦摄像头及其独立云台1提供一个角度信息的零点参考位置。其具体位置设置可根据具体应用进行调整，一般要求插杆13和插槽14与云台的轴线平行，此处不做具体要求。由于云台具有水平和竖直两个方向的自由度，因此，每组云台分别在水平旋转台和竖直摇摆台上各设一组插杆13和插槽14。使用时，通过转动云台使插杆恰好能够插入插槽， 此时云台所处的位置即为此云台水平方向的角度零点。
本例中采用了 parallax公司的连续转矩电机，对其型号没有具体要求。Hitech， Futuba,辉盛等品牌的尺寸为40x20x36mm左右的标准电机均可使用。位于中间的可变焦摄像头水平方向转动360度，竖直方向转动180度，具备了较为广阔的运动范围，可独立于视觉系统物理平台的其他运动机构，在没有遮挡的情况下自行持续跟踪识别目标。左右两侧的可变焦摄像头水平方向转动角度和竖直方向转动角度没有限制。
位于中间的可变焦摄像头及其独立云台1采用了一台长焦变焦摄像头4，选取长焦变焦摄像头的主要目的在于获取更为清晰的目标图像并截取恰当的目标大小以为之后的视觉系统目标识别做准备。其焦段的选取可根据具体情况进行选型，此处不做具体要求。如图8的电气系统中，可变焦摄像头4取得外界图像信息后发送给与之相连接的图像采集处理器8 ；图像采集处理器8经过相应预置算法处理后，再将算法得出的转角，方向等信息发送至电机控制器7上，电机控制器7同时驱动电机11转动，需要说明的是，图像采集处理器8的预置图像处理算法是现有技术，可以根据不同的需求进行更换，如跟踪和定位，相应的电机控制器7也要调整具体电机控制算法以匹配图像采集处理器8的图像处理算法；电机11连接三组云台，大功率竖直摇摆台( 和大功率水平旋转台(3)，分别带动其进行水平或竖直转动；无线图像传输模块9和无线数据传输模块10同时连接到电机控制器7上，用于接收上位机PC端传输的具体数据信号和发送当前数据给上位机进行校正和存储检验，此过程可以独立于图像采集处理器8和电机控制器7的具体算法，用以校正和特殊作业任务；电机控制器7和图像采集处理器8连接到电源模块12的5v供电端，可变焦摄像头4和电机11根据具体工作电压从电源模块12的输出端获得工作电压。如图9的具体电气连接系统图，是图8的具体细化内容包括图像处理器DM642， 电机控制器F28335，无线数据传输模块riRF905，无线图像传输模块nRF905，8个相互独立的电机和3个相互独立的可变焦摄像头，以及电源模块。具体连接关系如下图像处理器 DM642与电机控制器F28335通过串行数据接口 SCI进行连接和通信，TxD，RxD, GND三线相连接，其主从关系可以互换，此处不做具体要求；3个独立可变焦摄像头通过AV输入端连接到图像处理器DM642上的AV信号输入端口，并以此向其传输采集到的具体图像信息；无线数据传输模块nRF905，无线图像传输模块nRF905分别通过串行数据接口 SPI与电机控制器F28335 SPI的复用GPIO接口相连接，一般采取电机控制器F28335为主端，无线数据传输模块nRF905，无线图像传输模块nRF905为从端发起通信，传输信号和消息；电机控制器 F28335经过计算后，将8路独立PWM控制量分别相应8路通用GPIO的ePWM输出端口发送到 8个独立电机上，以控制其转动角度与方向；图像处理器DM642，电机控制器F28335的VCC 端连接到电源模块的5V供电端，无线数据传输模块nRF905和无线图像传输模块nRF905的 VCC端连接到电源模块的3. 3V供电端，8个相互独立的电机的VCC端连接到电源模块的24V 供电端，3个相互独立的可变焦摄像头的VCC端连接到电源模块的12V供电端，所有的电器模块的GND端均工地连接于电源模块的GND端。
权利要求
1. 一种基于多独立云台的仿生多目视觉物理平台，包括电气系统和机械本体；其中， 所述机械本体包括三个独立云台(1)、大功率竖直摇摆台O)、大功率水平旋转台(3)、三个可变焦摄像头；大功率竖直摇摆台( 固定连接于大功率水平旋转台(3)，三个独立云台(1)固定连接于大功率竖直摇摆台(2)上，三个独立云台(1)线性排列；大功率水平旋转台(3)、大功率竖直摇摆台(2)和位于中间位置的独立云台⑴共轴；独立云台⑴由水平旋转台(5)和竖直摇摆台(6)组成，水平旋转台(5)和竖直摇摆台(6)分别由独立电机 (11)驱动，竖直摇摆台(6)固定连接于水平旋转台( 顶盘上；三个可变焦摄像头(4)分别固定连接于三个竖直摇摆台(6)上，其中中部的独立云台及摄像头要高于两侧的独立云台及摄像头，用以获得更广阔的视觉角度；大功率竖直摇摆台( 的输出功率是竖直摇摆台(6)输出功率的两倍以上；大功率水平旋转台(2)输出功率是水平旋转台(6)输出功率的两倍以上；大功率竖直摇摆台( 和大功率水平旋转台( 分别由独立电机(11)驱动； 所述电气系统包括电机运动控制器(7)、图像采集处理器(8)、无线图像传输模块(9)， 无线数据传输模块(10)、电源模块(12)；可变焦摄像头(4)把采集到的图像信息传送至图像采集处理器(8)；图像采集处理器 ⑶经过计算把控制量发送至电机运动控制器(7)；电机运动控制器(7)驱动电机(11)；电机(11)分别带动三个独立云台(1)、大功率竖直摇摆台O)以及大功率水平旋转台(3)运动；无线图像传输模块(9)把上位机传来的图像信息发送至电机运动控制器(7)，电机运动控制器(7)把图像反馈信息通过无线图像传输模块(9)发送至上位机，用以系统校正；无线数据传输模块(10)把上位机传来的控制数据发送至电机运动控制器(7)，电机运动控制器(7)把反馈控制信号通过无线数据传输模块(9)发送至上位机，用以系统校正；电源模块(12)分别为可变焦摄像头G)、电机运动控制器(7)、图像采集处理器(8)以及电机(11)供电。
全文摘要
本发明涉及一种多目视觉物理平台，尤其是一种可以作为机器人头部使用的视觉平台。本发明参考蜥蜴亚目避役科生物的视觉系统，通过四组独立云台分别模拟蜥蜴亚目避役科生物的颈部、眼睛。还可以在其内部加载各种电子器件研究机器人视觉的相关问题，为机器视觉的算法实现提供一种实验研究平台。本发明的优点在于，首先利用仿生的脖颈结构，使得系统在平面和空间定位上，首先通过中部的独立云台及摄像头获得兴趣点所在区域，其后通过底部云台的转动达到兴趣点所在区域，然后再通过两侧独立云台和摄像头进行精确定位和视觉捕捉。这样使得本系统可以获得更广阔的视觉范围，并且加快对兴趣点的捕捉速度和精度，有很高的实时处理能力和后续拓展空间。
文档编号B25J19/04GK102528821SQ20111046039
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者于乃功, 李均, 许锋, 阮晓钢 申请人:北京工业大学