一種基于視覺定位的群機器人控制系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及機器人智能控制領域，尤其涉及一種基于視覺定位的群機器人控制系 統及方法。
【背景技術】
[0002] 隨著電子信息技術的飛速發展，機器人在社會生產和科學研究中得到了十分廣泛 的應用。工業生產和軍事應用也對機器人提出了更高的要求。傳統的單機器人在面對復雜 任務，動態變化環境下的信息處理控制方面能力尤顯不足。因此，考慮用多個結構相同的單 一機器人組成群機器人系統，提升機器人在信息處理，協同作業方面的能力，并通過協同控 制來提升機器人運行的效率，完成單個機器人無法或者難以完成的任務。
[0003] 群機器人控制需要解決兩個關鍵問題，首先是群機器人在個體協助執行整體任務 的過程中需要實時的獲取自身的位姿信息以及周圍一定范圍內的機器人狀態信息，其次是 群體機器人在已知位姿信息的情況下通過控制器的協同控制策略完成控制任務的執行。傳 統機器人定位主要是通過傳感器對周圍環境的感知，對多種傳感器進行數據去噪融合，并 通過算法解算出機器人的實時位姿。這種方法在群機器人控制中存在著實時性較差、魯棒 性弱、應用難度大等缺點。因此，設計一種基于視覺定位的群機器控制系統有重要的意義。
【發明內容】
[0004] 本發明要解決的技術問題在于針對現有技術中采用傳感器對機器人進行定位及 位姿判斷的實時性較差、準確度不高且應用難度較大的缺陷，提供一種通過視覺定位技術 對機器人的位姿信息進行判斷，并控制群機器人協調工作的基于視覺定位的群機器人控制 系統及方法。
[0005] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：
[0006] 本發明提供一種基于視覺定位的群機器人控制系統，包括視頻采集定位單元、上 位機單元和群機器人單元；
[0007] 所述視頻采集定位單元，用于采集群機器人單元運動范圍內的圖像，根據該運動 范圍建立坐標系，識別群機器人單元中每個機器人的位姿信息，包括機器人的坐標信息和 姿態角信息，并通過網絡接口將該位姿信息發送給所述上位機單元；
[0008] 所述上位機單元，根據接收到的機器人的位姿信息，實時計算機器人當前坐標信 息與目標點坐標的誤差，根據誤差生成修正機器人運動姿態的控制信息，并將該控制信息 通過無線傳感網絡發送給機器人；
[0009] 所述群機器人單元，由多個單體機器人組成，每個單體機器人接收并解析來自所 述上位機單元的控制信息，并調整行走策略，完成路徑軌跡的跟隨控制及群體調度任務。
[0010] 所述視頻采集定位單元包括：
[0011] 多個攝像頭；
[0012] 對采集到的圖像進行處理的視頻采集卡；
[0013] 將處理后的圖像發送給上位機單元的網絡接口。
[0014] 所述上位機單元包括：
[0015] 存儲機器人位姿信息和路徑文件的數據庫；
[0016] 對機器人編隊信息、路徑信息進行輸入，并顯示機器人移動控制信息的人機交互 界面；
[0017] 對機器人行進中的位姿信息進行計算得到位姿誤差的位姿誤差算法模塊；
[0018] 向機器人發送控制信息的無線傳感網絡Sink節點。
[0019] 所述群機器人單元中的單體機器人包括：
[0020] 為機器人提供動力的供電模塊；
[0021] 解析控制信息并控制機器人行進的主控模塊；
[0022] 與所述上位機單元進行通信的無線通訊模塊。
[0023] 所述主控模塊采用AVRAtmega32芯片。
[0024] 所述無線通訊模塊采用Zigbee的通訊方式。
[0025] 本發明提供一種基于視覺定位的群機器人控制方法，包括以下步驟：
[0026] S1、視頻采集定位單元采集群機器人單元的運動范圍內的圖像，根據該運動范圍 建立坐標系，識別群機器人單元中每個機器人的位姿信息，包括機器人的坐標信息和姿態 角信息，并通過網絡接口將該位姿信息發送給上位機單元；
[0027]S2、上位機單元根據位姿誤差算法生成控制信息，具體步驟為：
[0028] S21、上位機單元讀取路徑文件，按照機器人編號將每個機器人的路徑軌跡存入鏈 表數據結構中，該路徑文件包括機器人的路徑軌跡、目標點坐標和路徑階段信息；
[0029] S22、根據每個機器人當前的位姿信息和S21中的路徑軌跡，實時計算機器人姿態 角與路徑軌跡方向的偏差，記為姿態誤差；并實時計算當前坐標信息與目標點坐標的距離， 記作位置誤差；
[0030] S23、將姿態誤差和位置誤差作為模糊控制算法的輸入，生成每個機器人運動狀態 調整的控制信息；
[0031] S24、判斷每個機器人是否完成當前路徑階段，若未完成，則持續進行反饋修正；若 已完成，則進入下一路徑階段；
[0032] S3、對群機器人中的所有編號機器人的參數設置和目標點坐標進行遍歷引導，完 成對群機器人的控制協作。
[0033] 步驟S1中獲取機器人位姿信息的具體方法為：
[0034]S11、對視頻采集定位模塊覆蓋的區域進行坐標標定，通過灰度檢測算法對機器人 的標簽進行識別，以此確定每個機器人的坐標信息；
[0035] S12、對機器人的輪廓進行標定，通過ICP匹配算法對移動的機器人目標進行匹 配，通過動態匹配輪廓算法計算機器人的姿態角信息。
[0036] 步驟S23中對機器人的模糊控制方法具體為：
[0037] 控制機器人兩輪速度差進行控制，在調整大角度誤差時采取大速率調整，在調整 小角度誤差時采取小速率調整；
[0038] 角度誤差調整進入緩沖區域時，進一步的減小調整速率，對速率較大的車輪施加 輕微剎車；
[0039] 角度誤差調整接近零時，將兩輪的速率調整至同一數值。
[0040] 步驟S23中對機器人運動狀態進行控制的控制方程為：
[0041 ]
[0042]其中，[xp(k+l) yp(k+l) Θ p(k+l)]為反饋調整狀態變化，[xp(k) yp(k) Θ p(k)] 為調整前移動機器人位姿狀態，[vp(k) wp(k)]為移動機器人的速度變化向量，ΔΤ為時間 間隔。
[0043] 本發明產生的有益效果是：本發明的基于視覺定位的群機器人控制系統，通過視 覺定位技術對群機器人的位姿信息進行判斷，并控制機器人的運動狀態，降低了個體機器 人對自身傳感器設備的依賴程度，且由主控計算機通過鏈表完成任務分配和指令操作，保 證了多個機器人協同控制運行同時也提高了單個機器人個體作業能力；
[0044] 通過高頻率反饋控制與模糊控制策略提高了系統的運行精度，降低了執行復雜 度，保證在視覺數據持續有效的情況下簡便、快速的完成個體任務和群體任務的執行；
[0045] 使用快速有效的無線組網方式，在機器人群體中添加新個體能迅速完成群體匹配 與任務分配，便于提高系統整體運行效率。
【附圖說明】
[0046] 下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：
[0047]圖1是本發明實施例的基于視覺定位的群機器人控制系統的結構框圖；
[0048] 圖2是本發明實施例的基于視覺定位的群機器人控制方法的流程圖；
[0049] 圖3是本發明實施例的基于視覺定位的群機器人控制方法的詳細流程框圖；
[0050] 圖4是本發明實施例的基于視覺定位的群機器人控制方法的視覺定位模塊識別 定位流程圖；
[0051]圖5是本發明實施例的基于視覺定位的群機器人控制系統的機器人的結構框圖；
[0052]圖6是本發明實施例的基于視覺定位的群機器人控制系統的無線通訊模塊的結 構示意圖。
【具體實施方式】
[0053] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不 用于限定本發明。
[0054] 如圖1所示，本發明實施例的基于視覺定位的群機器人控制系統，包括視頻采集 定位單元、上位機單元和群機器人單元；
[0055] 視頻采集定位單元，用于采集群機器人單元運動范圍內的圖像，根據該運動范圍 建立坐標系，識別群機器人單元中每個機器人的位姿信息，包括機器人的坐標信息和姿態 角信息，并通過網絡接口將該位姿信息發送給上位機單元；
[0056] 視頻采集定位單元包括：多個攝像頭；對采集到的圖像進行處理的視頻采集卡； 將處理后的圖像發送給上位機單元的網絡接口。
[0057] 上位機單元，根據接收到的機器人的位姿信息，實時計算機器人當前坐標信息與 目標點坐標的誤差，根據誤差生成修正機器人運動姿態的控制信息，并將該控制信息通過 無線傳感網絡發送給機器人；
[0058] 上位機單元包括：存儲機器人位姿信