[发明专利]基于视觉示教的移动机器人定位与导航系统

摘要

本发明提供一种基于视觉示教的移动机器人定位与导航系统，涉及移动机器人示教技术领域。该系统包括工控机、相机、供电电源、车载电池、升压模块、底层运动控制单元、手柄，底层运动控制单元包括差分轮小车、嵌入式开发板、光电编解码器、直流减速电机、TTL转USB模块，通过教学和重复两个阶段，在教学阶段，车辆由手柄驱动，存储由任意序列的动作组成的路径，在重复阶段，使用里程计信息作为距离索引教学阶段所村图像信息，来匹配当前相机所采集的中图像信息，计算出车头的偏向角速度，将其叠加到所存速度中，从而补偿车辆转向，以确保它跟踪预定的路径。本发明无需相机反复标定，可自主学习和遍历任意形状的路径，重复地沿着预期路径自动行驶。

主权项

1.一种基于视觉示教的移动机器人定位与导航系统，其特征在于：包括：工控机、相机、供电电源、车载电池、升压模块、底层运动控制单元、手柄；所述底层运动控制单元包括差分轮小车、嵌入式开发板、光电编解码器、直流减速电机、TTL转USB模块，用于实现小车平台的运动控制、显示小车状态信息以及编码器数据的读取与发送；所述差分轮小车和嵌入式开发板的电源端连接供电电源；所述相机通过螺丝固定在差分轮小车的上层平台，且视角朝向差分轮小车前进方向；所述光电编码器安装在差分轮小车的每个车轮上；直流减速电机安装在差分轮小车的每个车轮上，用来控制差分轮小车电机转速；所述工控机通过USB接口与相机进行通讯，获取相机生成的图像信息；工控机还与升压模块连接，所述升压模块的电源端连接车载电池，用于将车载电池的12V输出电压升高到工控机所需的19V电压；工控机通过TTL转USB模块与嵌入式开发板连接，用于给嵌入式开发板发送控制指令，同时读取车轮光电编码器的数据，得出小车的里程计信息；所述手柄与工控机连接，用于提供差分轮小车运动控制使能作用；所述嵌入式开发板中存储有底层运动控制程序，包括数据收发程序和电机运动控制程序；数据收发程序基于SCIP2.0协议编写，用于与工控机传输速度信息和编码器数据；电机运动控制程序用于将速度信息解算成PWM波以控制各直流减速电机转速；所述工控机中存储有基于linux操作系统下的ROS(即机器人操作系统)平台、采用C++语言编写的示教软件上层导航程序和PID控制程序，用于实现整个系统的完整运行，所述示教软件上层导航程序包括教学阶段和重复阶段；在教学阶段，将机器人置于起始位置，由操作员操作手柄驱动机器人在前、后和自转运动的基础上移动任意路径，并记录路径点附近的图像信息、车辆速度信息及由里程计信息得出的路径点位置坐标，路径点附近的图像信息由相机实时拍摄，完成后，按工控机终端中的Ctrl‑c键，停止录制，记录信息存储在工控机中；在重复阶段，所存的速度指令将再次回放，按住手柄使能键，机器人开始沿着教学阶段的路径自动驾驶，机器人将实时读取的相机图像信息与它在教学阶段保存的图像信息采用ORB算法进行匹配，并计算从读取的图像到记录的图像的转换，然后将此转换发送到PID控制程序进行误差补偿，计算出车头的偏向角速度和速度大小，将其叠加到所存速度中，从而补偿车辆转向和速度大小，以确保跟踪预定的路径，最终实现自动重复在教学阶段所教的路线；所述底层运动控制程序用于接收示教软件上层导航程序发送的速度控制指令，借助差分轮小车的特性，通过手柄的操作实现机器人的前、后和自转运动。