专利名称：一种侦察机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及移动式机器人领域，尤其涉及一种能够半自主移动进行目标跟踪的侦
察机器人。
背景技术：
侦察机器人作为移动机器人的一种，已有十几年的发展历史，它主要应用于反恐 防暴、排爆、防化、危险品探测、灾难救援等领域，因此该类机器人常用于如山丘、草地、灾害 现场等非结构环境中。 在非结构化的环境中，机器人的图像采集系统常常面临着图像成像不稳定等现 象，影响了图像采集系统的相关算法的有效性，因此，克服机器人在移动过程中的物理抖动 对图像采集的影响是亟待解决的问题。 同时，通常情况下，侦察机器人的移动需要人工的不断监控、判断，形成人在控制 环路中的控制格局，这种人为控制格局至少存在如下问题常因操作人员的失误和缺勤而 出现错误。
发明内容
本发明实施例提供一种侦察机器人，能够实现半自主移动进行目标跟踪。
本发明实施例是通过以下技术方案实现的 本发明实施例提供一种侦察机器人，包括图像处理跟踪系统、具有无线模拟摇杆 鼠标功能的控制箱系统、底盘运动系统； 所述图像处理跟踪系统，用于运动目标的半自主跟踪和手动跟踪，采集所跟踪的 运动目标的图像，对采集的图像进行处理，并在图像处理中通过电子稳像的算法，克服机器 人在行进中对图像造成的晃动； 所述具有无线模拟摇杆鼠标功能的控制箱系统，用于实现上位机界面中的鼠标光 标的基本功能，辅助图像处理跟踪系统对运动目标的检测； 所述底盘运动系统，用于接收所述具有无线模拟摇杆鼠标功能的控制箱系统或所 述图像处理跟踪系统的目标跟踪命令，根据所述目标跟踪命令运动来跟踪目标。
所述图像处理跟踪系统为基于两轴框架的陀螺稳定平台的图像处理跟踪系统。
所述图像处理跟踪系统在两轴框架的陀螺稳定平台上，将滑模变结构控制算法用 于平台的两轴电机速度环控制，并配合PID稳定校正，形成双环结构的稳定控制算法。
所述图像处理跟踪系统包括电子稳像单元、图像采集单元、背景建模单元、目标 检测单元、特征提取单元及目标跟踪控制单元； 所述电子稳像单元，用于对机器人在行进过程中采集的图像的若干帧进行电子稳 像处理； 所述图像采集单元，用于采集经过电子稳像处理后的图像的若干帧； 所述背景建模单元，用于对所述图像采集单元采集的若干帧图像，采用中值滤波
4法进行背景建模； 所述目标检测单元，用于在运动目标进入所述背景中时，以接收人工选择的方式
或根据系统数据库保存的前景图像信息检测目标，提取其前景图； 所述特征提取单元，用于采用前景图直方图的方式统计目标特征； 所述目标跟踪控制单元，用于发送目标跟踪命令，控制底盘系统运动来跟踪目标、
控制云台进行视角锁定以及控制两轴陀螺转向跟踪，以保持对目标的持续侦察和跟踪。 所述电子稳像单元通过对比当前帧和上一帧的图像模型，分析图像的运动矢量，
通过图像像素点逆行移动一个运动矢量，达到电子稳像的目的。 所述目标跟踪控制单元采用CamShift图像处理算法发送目标跟踪命令，其中使 用下面的公式来近似表示Camshift中的Bhattacharyya系数，并据此分析是否丢失目标；》'(力三P*["x),f (w]=f 、/ i(，、 ，、 = 「、1广、t
L 」 V max(々)max(々) max(《)max(4 ) 3 其中，《(力为候选目标的特征直方图，呔,(X)为目标模型的特征直方图。
所述具有无线模拟摇杆鼠标功能的控制箱系统采用单片机作为摇杆鼠标数据的 核心处理单元。 所述具有无线模拟摇杆鼠标功能的控制箱系统包括摇杆、按钮及无线数据传送单 元部件，所述鼠标光标的基本功能包括移动、框选、单击、双击。
所述底盘运动系统采用单片机作为核心处理单元。 所述底盘运动系统由所述具有无线模拟摇杆鼠标功能的控制箱系统控制，所述具 有无线模拟摇杆鼠标功能的控制箱系统采用单片机的A/D转换功能实现底盘双轴电位器、 摇杆鼠标双轴电位器、云台双轴电位器的电压信号到数字信号的转换，为具有无线模拟摇 杆鼠标功能的控制箱系统提供可靠的传输数据，用单片机的I/O功能和中断功能实现液晶 显示器的显示和档位开关的选择，再通过无线数据传送单元传给底盘运动系统，所述底盘 运动系统通过传输数据实现模拟鼠标控制和D/A转换，用以驱动机器人的运动轮，达到人 为控制的目的，同时该底盘运动系统通过接收图像处理跟踪系统的目标跟踪命令实现侦察 机器人的自主跟踪。 由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例所述侦察机器人实 现了能够在非结构环境中进行人为控制和半自主控制移动的双控模式，从而能够实现运动 目标的自动跟踪和检测，为侦察机器人尾随并保持视角，锁定目标提供了更为先进的技术。
另外，本发明实施例的侦察机器人采集所跟踪的运动目标的图像，对采集的图像 进行处理，并在图像处理中通过电子稳像的算法，有效克服了机器人在行进中对图像造成 的晃动，加强了图像采集的每一帧图像的稳定性和可观测性。
图1为本发明实施例侦察机器人和具有无线模拟摇杆鼠标功能控制箱的结构示 意图； 图2为本发明实施例基于两轴框架陀螺稳定平台图像处理跟踪系统示意图；
图3为本发明实施例图像处理跟踪系统结构图；
图4为本发明实施例底盘运动系统结构示意图。
具体实施例方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，可以理解的是，所描述的实施例仅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。 本发明一个实施例提供一种侦察机器人，如图1所示，该侦察机器人包括图像处 理跟踪系统、具有无线模拟摇杆鼠标功能的控制箱系统、底盘运动系统； 所述图像处理跟踪系统，用于运动目标的半自主跟踪和手动跟踪，采集所跟踪的 运动目标的图像，对采集的图像进行处理，达到目标跟踪的目的。并可以在图像处理中通过 电子稳像的算法，克服机器人在行进中对图像造成的晃动。 本发明实施例所述的图像处理跟踪系统为基于两轴框架的陀螺稳定平台的图像 处理跟踪系统，如图2所示为基于两轴框架的陀螺稳定平台的图像处理跟踪系统的示意 图，本发明实施例的侦察机器人的图像处理跟踪系统的图像采集部分位于两轴框架的陀螺 稳定平台上，平台采用了基于陀螺反馈稳定的双轴框架，辅助提高了图像采集的每一帧图 像的稳定性和可观测性。该平台将滑模变结构控制算法应用于电机的速度环控制，并配合 PID稳定校正算法，形成了双环结构的稳定控制算法。
所述图像处理跟踪系统结构一种实施例如图3所示，包括电子稳像单元、图像采
集单元、背景建模单元、目标检测单元、特征提取单元及目标跟踪控制单元。 所述的电子稳像单元，用于对机器人在行进过程中采集的图像的若干帧进行电子
稳像处理，以消除机器人在行进过程中对图像造成的晃动，该电子稳像单元通过对比当前
帧和上一帧的图像模型，分析图像的运动矢量，通过图像像素点逆行移动一个运动矢量，达
到电子稳像的目的； 所述图像采集单元，建立在双轴陀螺稳定平台上，用于采集经过电子稳像处理后 的图像的若干帧，为后续的图像处理算法提供对象； 所述背景建模单元，用于对所述图像采集单元采集的若干帧图像，采用中值滤波 法进行背景建模； 所述目标检测单元，用于在运动目标进入所述背景中时，以接收人工选择的方式 将运动目标设定为检测对象，提取其前景图，实现目标检测；也可以根据系统数据库保存 的前景图像信息，设置需要跟踪的目标，当目标进入所述背景中时，将会对图像进行自动跟
踪o 所述特征提取单元，用于采用前景图直方图的方式统计目标特征； 所述目标跟踪控制单元，用于采用本发明改进的CamShift图像处理算法发送目
标跟踪命令，控制底盘系统运动来跟踪目标、控制云台进行视角锁定以及控制两轴陀螺转
向跟踪，以保持对目标的持续侦察和跟踪。本发明后续实施例将对所述改进的CamShift算
法进行详细介绍。 实现自主跟踪的过程包括当待跟踪目标出现在视野中时，通过鼠标来框选目标， 之后对所选中的目标进行建模，建模完成之后开始进行跟踪。跟踪过程中若发现目标丢失 则进行相应的丢失处理。其跟踪处理过程参看后续介绍的改进的Camshift跟踪算法。
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所述具有无线模拟摇杆鼠标空能的控制箱系统，用于通过摇杆、按钮及无线数据 传送单元等部件组成控制箱，来实现上位机界面中的鼠标光标的基本功能，包括移动、框 选、单击、双击等功能，辅助了图像处理跟踪系统对运动目标的检测，实现了机器人的跟踪 运动。本发明实施例所述具有无线模拟摇杆鼠标功能的控制箱系统采用单片机作为摇杆鼠 标数据的核心处理单元。 所述底盘运动系统，用于接收具有无线模拟摇杆鼠标功能的控制箱系统或所述图 像处理跟踪系统的目标跟踪命令，根据所述目标跟踪命令运动来跟踪目标。本发明实施例 提供的底盘运动系统采用单片机作为核心处理单元。 本发明实施例提供的底盘运动系统可以由具有无线模拟摇杆鼠标功能的控制箱 系统控制，其结构示意图如图4所示，所述具有无线模拟摇杆鼠标功能的控制箱系统采用 单片机作为核心处理单元，采用单片机的A/D转换功能实现底盘双轴电位器、摇杆鼠标双 轴电位器、云台双轴电位器的电压信号到数字信号的转换，为具有无线模拟摇杆鼠标功能 的控制箱系统提供可靠的传输数据，用单片机的I/O功能和中断功能实现液晶点阵显示器 的显示和档位开关的选择，再通过无线数据传送单元传给底盘运动系统，该底盘运动系统 采用单片机为核心，通过传输数据实现模拟鼠标控制和D/A转换，得到模拟鼠标信息和云 台控制信息，用以驱动机器人的运动轮，包括左轮和右轮，达到人为控制的目的。同时该底 盘运动系统通过接收图像处理跟踪系统的目标跟踪命令实现侦察机器人的自主跟踪，因此 该系统实现了侦察机器人的自主控制和人为控制双控制模式。 本发明实施例所述侦察机器人实现了能够在非结构环境中进行人为控制和半自 主控制移动的双控模式，从而能够实现运动目标的自动跟踪和检测，为侦察机器人尾随并 保持视角锁定目标提供了更为先进的技术。 本发明实施例提供的侦察机器人的跟踪算法为改进的CamShift算法，该算法实
现了机器人视觉中前景信息的提取，并实现了对相关目标的有效跟踪。 本发明实施例使用下面的公式(1)来近似表示Camshift中的Bhattacharyya系
数，并据此分析是否丢失目标，从而针对不同情况进行应急措施处理。
三〃e(x),f (力]=t、 "，、=广、1 「,、l:在(w:o0
L 」max(《)max(g ) max(g)max(《)^ (1) 其中，^ (力为候选目标的特征直方图，《a(x)为目标模型的特征直方图。
系统在接收到检测算法中得到的运动目标形心位置及目标大小之后，首先进行 RGB空间到HSV空间的转换，提取出色度分量Hue，并由此建立运动目标的一维直方图作为 运动目标的模型；其次，对于每一帧更新的图像，再进行RGB空间到HSV空间的转换，提取出 Hue分量之后，利用目标建模阶段得到的直方图，计算候选目标的概率分布密度(直方图反 向投影)；再次，根据公式(1)计算相似度系数，用来评估候选目标与运动目标模型之间的 相似程度；然后通过CamShift迭代算法，获得当前帧图像中与目标模型最为"相似"的候选 目标位置；通过计算相似度，确定要跟踪的目标是否发生了丢失，如果未丢失，则对其后的 图像重复上述过程，不断获得最近的目标位置，如果丢失，则重新检测运动目标，执行上述 改进的CamShift跟踪算法。 综上所述，本发明实施例所述侦察机器人实现了能够在非结构环境中进行人为控
7制和半自主控制移动的双控模式，从而能够实现运动目标的自动跟踪和检测，为侦察机器 人尾随并保持视角锁定目标提供了更为先进的技术。 另外，本发明实施例的侦察机器人采集所跟踪的运动目标的图像，对采集的图像 进行处理，并在图像处理中通过电子稳像的算法，有效克服了机器人在行进中对图像造成 的晃动，加强了图像采集的每一帧图像的稳定性和可观测性。 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围 为准。
权利要求
一种侦察机器人，其特征在于，包括图像处理跟踪系统、具有无线模拟摇杆鼠标功能的控制箱系统、底盘运动系统；所述图像处理跟踪系统，用于运动目标的半自主跟踪和手动跟踪，采集所跟踪的运动目标的图像，对采集的图像进行处理，并在图像处理中通过电子稳像的算法，克服机器人在行进中对图像造成的晃动；所述具有无线模拟摇杆鼠标功能的控制箱系统，用于实现上位机界面中的鼠标光标的基本功能，辅助图像处理跟踪系统对运动目标的检测；所述底盘运动系统，用于接收所述具有无线模拟摇杆鼠标功能的控制箱系统或所述图像处理跟踪系统的目标跟踪命令，根据所述目标跟踪命令运动来跟踪目标。
2. 如权利要求1所述的侦察机器人，其特征在于，所述图像处理跟踪系统为基于两轴 框架的陀螺稳定平台的图像处理跟踪系统。
3. 如权利要求2所述的侦察机器人，其特征在于，所述图像处理跟踪系统在两轴框架 的陀螺稳定平台上，将滑模变结构控制算法用于平台的两轴电机速度环控制，并配合PID 稳定校正，形成双环结构的稳定控制算法。
4. 如权利要求1或2所述的侦察机器人，其特征在于，所述图像处理跟踪系统包括电 子稳像单元、图像采集单元、背景建模单元、目标检测单元、特征提取单元及目标跟踪控制 单元；所述电子稳像单元，用于对机器人在行进过程中采集的图像的若干帧进行电子稳像处理；所述图像采集单元，用于采集经过电子稳像处理后的图像的若干帧； 所述背景建模单元，用于对所述图像采集单元采集的若干帧图像，采用中值滤波法进 行背景建模；所述目标检测单元，用于在运动目标进入所述背景中时，以接收人工选择的方式或根 据系统数据库保存的前景图像信息检测目标，提取其前景图；所述特征提取单元，用于采用前景图直方图的方式统计目标特征；所述目标跟踪控制单元，用于发送目标跟踪命令，控制底盘系统运动来跟踪目标、控制 云台进行视角锁定以及控制两轴陀螺转向跟踪，以保持对目标的持续侦察和跟踪。
5. 如权利要求4所述的侦察机器人，其特征在于，所述电子稳像单元通过对比当前帧 和上一帧的图像模型，分析图像的运动矢量，通过图像像素点逆行移动一个运动矢量，达到 电子稳像的目的。
6. 如权利要求4所述的侦察机器人，其特征在于，所述目标跟踪控制单元采用 CamShift图像处理算法发送目标跟踪命令，其中使用下面的公式来近似表示Camshift中 的Bhattacharyya系数，并据此分析是否丢失目标；f (力三["x), ^ (力]=;￡ 、/ ， ，、 = "1 ,、 t vi^^」 S V max(《)max(^ )max(Wmax(^ )其中，《(力为候选目标的特征直方图，&(x)为目标模型的特征直方图。
7. 如权利要求1所述的侦察机器人，其特征在于，所述具有无线模拟摇杆鼠标功能的 控制箱系统采用单片机作为摇杆鼠标数据的核心处理单元。
8. 如权利要求1所述的侦察机器人，其特征在于，所述具有无线模拟摇杆鼠标功能的 控制箱系统包括摇杆、按钮及无线数据传送单元部件，所述鼠标光标的基本功能包括移动、 框选、单击、双击。
9. 如权利要求1所述的侦察机器人，其特征在于，所述底盘运动系统采用单片机作为 核心处理单元。
10. 如权利要求8所述的侦察机器人，其特征在于，所述底盘运动系统由所述具有无线 模拟摇杆鼠标功能的控制箱系统控制，所述具有无线模拟摇杆鼠标功能的控制箱系统采用 单片机的A/D转换功能实现底盘双轴电位器、摇杆鼠标双轴电位器、云台双轴电位器的电 压信号到数字信号的转换，为具有无线模拟摇杆鼠标功能的控制箱系统提供可靠的传输数 据，用单片机的1/0功能和中断功能实现液晶显示器的显示和档位开关的选择，再通过无 线数据传送单元传给底盘运动系统，所述底盘运动系统通过传输数据实现模拟鼠标控制和 D/A转换，用以驱动机器人的运动轮，达到人为控制的目的，同时该底盘运动系统通过接收 图像处理跟踪系统的目标跟踪命令实现侦察机器人的自主跟踪。
全文摘要
本发明实施例涉及移动式机器人领域一种侦察机器人，包括图像处理跟踪系统，用于运动目标的半自主跟踪和手动跟踪，采集所跟踪的运动目标的图像，对采集的图像进行处理，以克服机器人在行进中对图像造成的晃动；具有无线模拟摇杆鼠标功能的控制箱系统，用于实现上位机界面中的鼠标光标的基本功能；底盘运动系统，用于接收具有无线模拟摇杆鼠标功能的控制箱系统或所述图像处理跟踪系统的目标跟踪命令，根据所述目标跟踪命令运动来跟踪目标。本发明实施例所述侦察机器人实现了能够在非结构环境中进行人为控制和半自主控制移动的双控模式，并有效克服了机器人在行进中对图像造成的晃动，加强了图像采集的每一帧图像的稳定性和可观测性。
文档编号G05D1/00GK101763117SQ20091024250
公开日2010年6月30日 申请日期2009年12月15日 优先权日2009年12月15日
发明者李喜玉, 李鹏, 王田苗, 陈彧欣, 陈殿生 申请人:北京航空航天大学