專利名稱：一種微型迷宮機器人的制作方法
技術領域：
本發明是一種微型移動式迷宮機器人，能對隨機復雜迷宮進行自主搜索 最優路徑并實時修正機器人在迷宮中的運動，屬于人工智能領域。
背景技術：
迷宮機器人系統的實驗可以直觀的體現許多控制理論的基本概念如系統 的穩定性、可控性和系統抗干擾能力及路徑最優規劃等等，因此有很多研究 機構及大學對其進行研究。目前多數迷宮機器人都是搭載若千個光電傳感器對迷宮地面的白色引導 線進行識別來行走迷宮，如上海交通大學錢真彥等人設計的走迷宮機器人(參見《網絡科技時代》2004年03期)，搭載了8個反射式光電傳感器對迷宮地 面白線進行檢測來實現前進轉彎等動作，按照左手法則或右手法則(即機器 人沿著迷宮壁始終向左或向右轉)來進行迷宮搜索。在完成既定功能的前提 下，由于搭載傳感器過多，增加了制造成本，同時也使傳感器誤動作導致系 統不穩定的概率增加，而且這類機器人缺乏智能性和自主性，對于最優路徑 的選擇缺乏認知能力，每次都要在迷宮中行走完全程才能搜索出路徑，對于 在可重構的迷宮中行走問題無法解決，因此在實際應用中有很大的局限性。正是由于其存在的很多問題都不易解決，如機器人的微型化問題，最優 路徑的規劃及對迷宮機器人的實時路徑修正問題，因此這些都成為研究的重 點和難點，人們在不斷的尋求他們之間的制約關系，以期找到一種多方面的 平衡使其能應用在更廣闊的領域。 發明內容本發明提供了一種微型迷宮機器人系統，本機器人系統在迷宮中行走時， 既不需要使用白線進行引導，也不需要讓機器人在迷宮中行走一遍后才能搜索出路徑，因此本發明有很大的自主性和智能性。同時還具有體積小的優點， 可以在棋盤般大小的復雜迷宮中進行工作，本發明的總體思路采用DSP開發板作為上位機，使用全局攝像頭CCD對迷宮圖像進行采集，將采集到的圖像信號送到DSP開發板中進行圖像識別 及路徑規劃(采用八*算法)后，產生一組控制指令，通過DSP開發板端的無 線發送模塊與微型移動式機器人進行通信，當機器人車體電控部分接收到DSP 開發板無線發送模塊發送來的控制信息時，機器人的微控制器對信息進行解 析，解析出來的是步進電機組態運動，微控制器通過I/O 口控制步進電機驅 動模塊進而控制小車順利走出迷宮。具體技術方案如下一種微型迷宮機器人，包括有上位機和用于在迷宮16中行走的下位機 15。其中，上位機包括有DSP開發板18和與DSP開發板18相連接的CCD攝 像頭17、無線發送模塊20。 CCD攝像頭17采集整個迷宮16的全局圖像并通 過視頻解碼器解碼后傳送給DSP， DSP對圖像進行處理后通過無線發送模塊發 送給下位機15。所述的下位機15包括有小車和設置在小車內的控制系統，小 車的底部連接有車輪11和步進電機10，控制系統包括有單片機和與單片機相 連接的無線接收模塊5、步進電機驅動電路3，無線接收模塊5接收上位機中 的無線發送模塊20發送的信息，對其進行解析后，通過步進電機驅動電路3 驅動步進電機10帶動小車行走。所述的迷宮16的墻、迷宮的路、迷宮的出 口及小車的車頭、車尾用不同的顏色標記。所述的上位機還包括有與DSP相連接的觸摸屏，DSP將CCD攝像頭17采 集的圖像送至觸摸屏顯示。本發明中的微型迷宮機器人的控制方法是按以下步驟實現的1) CCD攝像頭17采集迷宮16的全部圖像信息，并將采集到的圖像信息 通過視頻解碼器解碼后傳送給DSP的CoreA，此時的圖像格式為 720x576YUV422 ， CoreA從兩個場信號中取其中 一 場，也就是720x288YUV422的圖像信息，將其轉換為320x240YUV444的圖像后傳送 給CoreB，同時也將320x240YUV444的圖像轉換為320x240的RGB圖像 送至觸摸屏顯示；2) CoreB對CoreA預處理后的圖片進行閥值分割，從圖像的顏色信 息中找出小車所在的位置、迷宮狀態及迷宮出口位置，在閥值分割的基 礎上抽象出6x8的標準迷宮；3) (:01^8通過人工智能領域中的八*算法尋找到小車行走的最優路徑，并將迷宮最優路徑的各拐點坐標標定為一系列的目標點；4) 通過小車的車頭車尾和迷宮的不同顏色信息確定小車在迷宮16 中的位置，并生成一套控制指令，該控制指令通過無線發送模塊20發送 給下位機15中的控制系統；5) 下位機15中的單片機對控制信號進行解析后控制步進電機IO，進而 控制小車在迷宮內作相應運動；如果小車己經到達迷宮出口即終點處將不再發送指令，否則，重復步驟 1 步驟5，直到小車走出迷宮。本發明中的機器人在迷宮中行走時不需要使用白線進行引導，能夠在 可重構迷宮中尋找出最優路徑并能實時進行路徑修正。由于本發明采用的電 路結構，使得機器人體積較小，可以在棋盤般大小的復雜迷宮中進行行走。
圖1是本發明的機電結構設計示意2是本發明的車體部分前視3是本發明的車體部分左視4是本發明的整體系統效果5是本發明的供電設計框6是本發明的系統硬件總體框7是本發明的車體控制部分原理8是本發明的電機驅動原理9是本發明的系統總流程10是本發明的DSP圖像識別及路徑搜索子流程11是本發明的車體控制算法子流程中1、底座，2、滑輪座，3、步進電機驅動模塊，4、下位機微控制器 電路板，5、無線接收模塊，6、 DC-DC模塊，7、串口電平轉換芯片，8、鋰電 池，9、機身，10、減速步進電機，11、雙輪，12、橡膠輪外胎，13、軸套， 14、軸承，15、下位機，16、迷宮，17、 CCD攝像頭，18、 DSP， 20、無線發 送模塊。
具體實施方式
下面結合附圖1 圖8進一步說明本發明的具體實施例。如圖4所示，本實施例主要包括有上位機18和下位機15兩部分，上位 機包括有DSP開發板18、 CCD攝像頭17、觸摸屏和無線發送模塊20。下位機 15包括有車體部分和控制部分，下面分別對其進行說明。下位機包括有小車和設置在小車內的控制系統。小車的結構如圖1 圖3 所示，包括有底座1、機身9和雙輪11。如圖1所示，底座1為內空的盒式結構，左右兩邊各開一個孔，通過軸 承14和軸套13將輪子11和步進電機10固定。步進電機10為空調專用減速 步進電機，與電機驅動芯片3相連。雙輪ll規格相同，為金屬輪轂，橡膠輪 外胎12可增加車輪摩擦力，有利于增強其在光滑路面的扒地能力。機身9為內空的盒式結構，其控制部分都內置在盒體內。機身使用強度 較高的PVC材料制作，減輕車身質量同時可以更好的絕緣。下位機中的控制部分包括有單片機和與單片機相連接的無線接收模塊5、 步進電機驅動電路。本實施例中的單片機采用的是ATMEL公司的ATmaga8L芯 片，該系列芯片采用精簡指令集，具有高速，低成本，低功耗等優點而被廣 泛應用。單片機與電機驅動電路的連接關系詳見圖7、圖8 (左右驅動相同只給出一個)，PortC端口連接到步進電機驅動模塊PC3-2控制左電機正反轉 及轉速，PC3為低電平反轉，高電平正轉，PC2脈沖腳控制脈沖數來控制左電 機轉動角度；PCl-O控制右電機正反轉及轉速，同上PC1低電平反轉，PC1高 電平時正轉，PCO脈沖腳控制脈沖數來控制右電機轉動角度。機器人的行走是 通過這兩個主動輪和兩個滑輪座導向來實現的，通過主動輪的轉速差來實現 機器人的轉彎。控制直線精度可以達到1.8mm (即每個脈沖機器人前進 1.8mm )，轉角精度達到1.8度(即每個脈沖機器人可原地轉動1. 8度)。車 體控制部分子流程圖見圖11，當機器人上電時首先進行自檢及初始化動作， 然后判斷中斷是否到來，如果是將解析上位機發來的控制信息并產生控制指 令控制步進電機相應動作。迷宮機器人的供電采用的高容量3. 7V鋰電池，首先用兩個DC-DC變電模 塊將電壓從3.7V轉換到12V，從而分別為兩個步進電機供電，另外再將一路 12V電經三端穩壓芯片轉換為標準5V為單片機及無線模塊供電。上位機包括有DSP開發板和與DSP相連接的CCD攝像頭17和無線發送模 塊20。上位機DSP控制系統控制機器人走迷宮16是通過全局攝像頭CCD來采集迷 宮的黑白顏色信息并實時檢測機器人的頭尾不同色標(藍紅圓形色標信息) 來標識的，黑色塊為迷宮的墻，白色塊為迷宮的路，藍色標為車頭，紅色標 為車尾，綠色標為迷宮出口，可以參見圖4。其工作流程可以參見圖IO，程序 開始時CCD攝像頭17首先捕獲到Dl格式的圖像信息，經 ADV7181VideoDecoder將圖像信息送到BF561-DSP開發板的CoreA，此時的 圖像格式為720x576YUV422格式，CoreA從兩個場信號取其中一場，也就 是720x288YUV422的圖像信息，將其轉換為320x240YUV444的圖像以供 CoreB進行進 一 步的識別及運算，并且將320x240YUV444的圖像轉換為 320x240的RGB圖像，以供在觸摸屏上顯示。開發板的CoreA負責人機交互和對CCD攝像頭采集的圖像進行預處理以供CoreB進行識別和運算，CoreA上運行化os I I操作系統，編寫了外設驅動和 GUI及應用程序，通過一塊觸摸屏來實現人機交互。CoreB負責將CoreA預處理 好的圖像信息進行識別，主要是對預處理后的圖片進行閥值分割，從圖像 的顏色信息中找出小車位置(通過概率濾波法對藍色圓形色標求取均值 標記為車頭坐標點，對紅色圓形標求取均值并標記為車尾坐標點)、迷宮 狀態及迷宮出口位置，在閥值分割的基礎上抽象出6x8 (也就是將 320x240YUV444的圖像進行閥值分割后處理成6x8個40x40的大小的圖像 塊，并將閥值分割后的黑色定為迷宮的墻，白色定為迷宮的路)的標準 迷宮，此時就完成了迷宮地圖的轉化和搜索車頭車尾及目標點等工作； 這時已經得到了迷宮中的全部路徑信息，此時CoreB通過人工智能領域中 的A^算法(目標點為主要參數)尋找到最優路徑，并將迷宮最優路徑上 的各拐點(Pl-P6點及入口點、出口點)坐標標定為一系列的目標點。在實時控制算法上，給迷宮建立廣域坐標系，給車體建立局域坐標系， 首先計算出車體局域坐標系(車頭車尾連線作為縱坐標，藍圓形色標為 車頭，紅圓形色標為車尾)與迷宮廣域坐標系的差角0，再計算出車體中 心與相鄰目標點連線在迷宮廣域坐標系中的角度"，并求出a與9的差角^， 和車體中心與相鄰目標點的連線長度，從而生成一套控制指令，該控制 指令通過無線發送模塊發送給下位機中的單片機，單片機對控制信號進行 解析后控制步進電機，進而控制機身運動，保證機器人在迷宮的正確行走， 不與迷宮的墻相撞并能夠根據路徑的變化調整前進的方向。如果機器人已經 到達迷宮出口即終點處將不再執行指令，否則，重復以上流程，直到機器人 正確走出迷宮。BF561雙核工作過程及上位機與下位機的通訊流程可以參見圖6，整體系 統流程參見圖9。本發明采用的電路結構和機械結構，使得機器人體積小巧，而且也滿足 了走棋盤般大小迷宮的精度要求，并在軟件編程的支持下采用人工智能領域中的先進算法對迷宮路徑進行實時識別和修正。本發明的特點在于迷宮機器人的微小型，并且為迷宮機器人設計了新型 結構，將機械部分和控制部分分成上下兩層，不僅減小了體積而且提高了整 體精度和穩定性，同時，控制系統也體現了迷宮機器人在軟件方面的魯棒性 和抗干擾能力，解決了可重構迷宮的路徑規劃和實時路徑修正問題，它能夠 作為新型研究對象應用于機器人學和控制理論學科的研究和實驗，并且可以 廣泛應用于智能交通，超小型多用途機器人的研究。本實施例中提供的一種尺寸微小的基于DSP控制的迷宮機器人，可以自 主的走出特定的迷宮區域，可以代替作戰人員執行特種作戰任務或是人為作 業困難的地方執行任務，其核心技術也可廣泛應用于智能交通領域，各車輛 可在視覺系統的指揮下完成自動駕駛，視覺系統的整體路徑規劃將大大改善 交通擁堵狀況，并減少交通事故的發生；應用于軍事領域，利用GPS定位其 可自動完成軍事目標識別定位、搜索，并可遠程自主控制機器人干擾敵軍等; 應用于城市搜救領域，其可在復雜地形中尋出最佳救援路線并迅速到達事故 現場，對重傷患人員進行初步應急處理，從而最大限度地幫助搜救隊員進行 救援工作；由于其應用前景廣闊，對于我國的科學研究也會有一定的積極意 義，如超小型多用途機器人的研究。
權利要求
1、一種微型迷宮機器人，包括有在迷宮中行走的下位機(15)；其特征在于還包括有上位機；其中，上位機包括有DSP(18)和與DSP(18)相連接的CCD攝像頭(17)和無線發送模塊(20)，CCD攝像頭(17)采集迷宮(16)的全局圖像并通過視頻解碼器解碼后傳送給DSP，DSP對圖像進行處理后通過無線發送模塊發送給下位機(15)；所述的下位機(15)包括有小車和設置在小車內的控制系統，小車的底部連接有車輪(11)和與車輪(11)相連接的步進電機(10)，控制系統包括有單片機和與單片機相連接的無線接收模塊(5)、步進電機驅動電路(3)，無線接收模塊(5)接收上位機中的無線發送模塊(20)發送的信息，對其進行解析后，通過步進電機驅動電路(3)驅動步進電機(10)帶動小車行走；所述的迷宮(16)的墻、迷宮的路、迷宮的出口及小車的車頭、車尾用不同的顏色標記。
2、 根據權利要求1所述的一種微型迷宮機器人，其特征在于所述的上位機 還包括有與DSP相連接的觸摸屏，DSP將CCD攝像頭(17)采集的圖像送至觸摸屏顯示。
全文摘要
本發明是一種微型迷宮機器人，能對隨機復雜迷宮進行自主搜索最優路徑并實時修正機器人在迷宮中的運動，屬于人工智能領域。包括有下位機和上位機。上位機包括有DSP和與DSP相連接的CCD攝像頭和無線發送模塊，CCD攝像頭采集迷宮的全局圖像并通過視頻解碼器解碼后傳送給DSP，DSP對圖像進行處理后通過無線發送模塊發送給下位機。下位機包括有小車和設置在小車內的控制系統，小車的底部連接有車輪和步進電機，控制系統包括有單片機無線接收模塊。無線接收模塊接收上位機中的無線發送模塊發送的信息，對其進行解析后，通過步進電機驅動電路驅動步進電機帶動小車行走。本發明實現了自主迷宮搜索最優路徑并能實時修正機器人的行走軌跡。
文檔編號G05B19/418GK101239466SQ20071030453
公開日2008年8月13日 申請日期2007年12月28日 優先權日2007年12月28日
發明者于乃功, 亮 孫, 左國玉, 軍 李, 王啟源, 耿世松, 許曉明, 趙崗金, 邢雪濤, 阮曉鋼 申請人:北京工業大學