高速視覺智能移動機器人開發與設計

陳怡冉　納鵬舉　趙琦　郭海杰

【摘要】本文提出一種高速視覺智能移動機器人設計方案，一定程度上解決了移動機器視覺系統出現的功耗過大、視覺算法特征匹配準確率不高等問題。本系統以STC12C5A60S2單片機為核心元件，搭載獨立的單目視覺系統，可以完成標準“加騰一郎”派行走與高速奔跑，可以協助用戶構建完整的行走模型，具有靜平衡步伐方程與動平衡步伐方程的交接帶函數。機器人可以完成找球、追球、踢球等功能，可同時跟蹤7個移動目標。

【關鍵詞】高速視覺機器人? 避障? 規劃路徑

移動機器人視覺系統是指在移動機器人上加配視覺傳感器，使移動機器人在未知環境中具有定位、識別、以及檢測和自主決策的能力。它在當今科學領域具有重大的研究意義。

視覺移動機器人的開發在裝配加工、智能家居、核事故處理、現代戰爭偵查等領域都得到了很好的體現。但是，與傳統的機器視覺相比，移動機器人視覺系統呈現出了一些新的問題。主要表現在：在硬件方面，視覺系統由傳統圖像采集卡和主控計算機組成，這使得移動機器人的功耗過大;視覺軟件算法方面，如何在光照、局部遮擋以及機器人振動等因素的影響下，提高特征匹配準確率，縮短特征匹配時間是移動機器人位姿估計的關鍵環節。

本文提出一種高速視覺智能移動機器人設計方案，一定程度上解決了移動機器視覺系統出現的功耗過大、視覺算法特征匹配準確率不高等問題。

一、整體硬件結構

采用完整版加藤一郎結構體，全身由金屬零件構成，具有18個自由度;頭部裝有特制的轉塔機構，并搭載完整的視覺系統;搭載3軸加速度計;后背加裝防摔減震罩;腿部采用加長結構，提高行走速度，有利于足球比賽;腳部采用中空結構，增大摩擦力;手臂采用3自由度結構設計，輔助機體完成前倒地起身和后倒地起身等動作。

全身16個特種數字伺服舵機，每個舵機重65g，尺寸45×35×25mm（不包含安裝支架），采用空心杯電機，扭力達到25kg.cm（7.4v），速度0.18秒/60度;舵機可以采用并行連接也支持總線連接;16個金屬舵盤，與軟件同步實現初始坐標補償。

軀干：軀干通過使用加厚加強的雙U形件將頭部和四肢連接在一起，結實牢固的軀體保證了機器人的四肢連接起來更穩定。在每個舵機2個方向的轉動來保證左右肩的前后運動、左右跨的左右擺動以及頭部轉塔的左右運動。中心采用掏空設計，一來可以減輕機器人的負載，二來可以作為電池及控制板的安裝位置。

腿部：腿部用金屬連接件與舵機的安裝支架連接，實現高強度的結構支撐。在每個舵機2個方向的轉動下，來保證腿部的前后左右的轉動。實現機器人腿部的靈活運動。

左右臂：左右臂用金屬連接件與舵機的安裝支架連接，實現高強度的結構支撐。在每個舵機2個方向的轉動下，來保證左右臂的前后左右的轉動。在大臂前段采用加長高強度手臂支架，實現摔倒迅速爬起及機體摔倒的支撐力。

頭部：頭部采用雙舵機雙軸設計機構，可以讓視覺攝像頭在橫縱兩個方向掃描拍攝，將每秒50貞，每貞640×400像素的數據通過串行外設接口SPI傳輸給機器人機體控制器。在視覺控制器和機體控制器的完美配合下，機器人便可實現實時跟蹤物體的能力

二、視覺ARM控制板部分

功能及參數：（1）可以簡單的通過按鍵設置需要跟蹤的物體。（2）幀輸出速率高達每秒50次。（3）可同時記錄多達7種不同顏色和100多個目標。（4）圖像通過USB可以實時傳輸。（5）通信方式包括USB，SPI，UART，I2C以及數字或者模擬信號等多種通信接口。（6）交互軟件包括Windows，MacOS以及Linux等多種版本。（7）采用NXP LPC4330 雙核處理器，主頻204MHz，264K bytes RAM，1M bytes Flash。OV9715圖像傳感器。（8）典型功耗140mA。（9）電源支持USB 5V輸入，或者DC6V-10V。（10）尺寸：5.3cmx5.1cm x 3.6cm。（11）重量：27克。

三、路徑規劃

（一）采用柵格法對足球場環境進行劃分

為了便于搜索到最優路徑， 設機器人的工作空間為二維平面上的有限區域， 起始點和目標點分別為S 和T 。本文路徑規劃的優化準則為路徑最短，即尋找一條從S 到T避開障礙物的最短路徑.按從左到右、從上到下的順序對柵格進行編號。

（二）對障礙物的位置進行標記

設機器人工作空間由M 行N 列柵格組成， 序號為R 的任意柵格所對應的環境柵格的行號和列號分別為x 、y ， 則可得關系式如下：

x= R/N+1 （1）

y=R %N +1 （2）

將障礙物地圖用一個二維數組矩陣map（M， N）表示為：

map（p，q）=1，第p行第q列柵格上有障礙物

0，其他

四、總結

本設計以STC12C5A60S2為核心，結合外圍電路與各功能模塊，構成了高度集成化的高速視覺移動機器人。該系統在準確定位，高智能移動控制等方面得到了實現，同時也實現了智能尋跡、避障、路徑規劃等功能。可以完成環境勘測，準確定位，以及在惡劣環境下工作的任務。在機器人踢球接球競賽中也具有很大的實用性。

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基金項目：北京聯合大學“啟明星”大學生科技創新項目（201911417SJ10

2）。

作者簡介：陳怡冉（1995-），女，河南洛陽人，主要研究方向電子系統設計。