CN102621985A - 基于视觉和电磁的融合巡线导航控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于自动检测与控制技术领域的基于视觉和电磁的融合巡线导航控制系统。它的结构如下：智能补光控制电路分别连接光照强度传感器、白光光源和信号融合与导航控制平台，视觉采集与处理平台连接视觉传感器，并通过RS485总线连接信号融合与导航控制平台，黄色导航线位于路面上；在路面下方铺设诱导导航线，诱导导航线两端与电磁信号发生器相连构成通路；本发明的有益效果为：1)可以利用前瞻数据优化速度，提升速度，还可以适应全天候，全年和一定范围的雨雪天气。2)视觉传感器和电磁位置传感器可以单独使用，也可以融合使用。3)设计开发的软体智能自适应数据融合器，可以动态的根据需要融合。4)成本底，功耗小。

Description

基于视觉和电磁的融合巡线导航控制系统

技术领域

本发明属于自动检测与控制技术领域，特别涉及基于视觉和电磁的融合巡线导航控制系统。

技术背景

智能自主移动机器人是当今国际机器人研究领域的热点。而导航控制是智能移动机器人中的一个重要组成部分。近几年来，由于计算机图像处理能力和技术的飞速发展以及大量的数字图像处理设备性能价格比的提高，加之视觉子系统具有信号探测范围宽、目标信息完整等优势，视觉传感器在移动机器人导航中的应用越来越受到人们的重视并表现出很好的发展前景，但同时视觉本身需要在光照和视野以及天气比较好的条件下才可以应用的特点，也使得只靠视觉传感器采集道路信息完成导航受到了很多限制。电磁诱导技术是基于法拉第电磁感性效应的一种导航方式，其本身不易受天气情况以及光线变化的影响的特点，在很多环境得到了应用，但是由于电磁探头本身的特点，采集到的道路信息量比较少，同时在一些复杂电磁环境下容易被干扰，造成误导航的问题。

发明内容

本发明针对上述缺陷公开了基于视觉和电磁的融合巡线导航控制系统，它的结构如下：智能补光控制电路分别连接光照强度传感器、白光光源和信号融合与导航控制平台，视觉采集与处理平台连接视觉传感器，并通过RS485总线连接信号融合与导航控制平台，黄色导航线位于路面上；在路面下方铺设诱导导航线，诱导导航线为BV塑料铜芯电线，诱导导航线两端与电磁信号发生器相连构成通路，电磁信号发生器提供频率为20KHz、电流为30.0mA的正弦波信号或脉冲信号，使诱导导航线周围产生磁场；

1-N个结构相同的电磁位置传感器的结构如下：单片机分别连接第1电感线圈和第2电感线圈，单片机通过RS485总线连接信号融合与导航控制平台。

所述视觉传感器为CMOS摄像机或CCD摄像机。

所述视觉采集与处理平台为DSP平台，其型号为TMS320DM642；

所述信号融合与导航控制平台为S3C6410芯片；

所述单片机的型号为MSP430F1611。

所述视觉传感器安装于机器人的感官盒内，所述智能补光控制电路在机器人前端感官盒内部左侧固定，光照强度传感器和白光光源安装在机器人前端感官盒前表面；感官盒位于机器人的前部；

所述电磁位置传感器固定于机器人底盘上，第1电感线圈和第2电感线圈距离地面的高度均为50mm；单片机为电磁位置传感器的核心，单片机、第1电感线圈和第2电感线圈一起封装在电磁位置传感器盒体内，单片机位于电磁位置传感器盒体的中间位置，第1电感线圈和第2电感线圈位于电磁位置传感器盒体的两端。

所述视觉采集与处理平台安装在机器人中后部的控制盒中；

所述信号融合与导航控制平台安装在在机器人中后部的控制盒中。

所述黄色导航线和诱导导航线在竖直方向上重叠；

所述黄色导航线通过黄色油漆铺设而成；

所述诱导导航线周围套有地底PVC保护管道，诱导导航线与地面的垂直距离为20mm。

所述电磁信号发生器置于车外，安装在休息室墙壁上。

所述光照强度传感器的型号为BH1620，光照强度传感器能够感应外界的光强信号并以模拟电压量输出，作为智能补光控制电路的输入比较量进行使用；

所述智能补光控制电路使用LM2903比较器将光照强度传感器采集到的模拟电压量与预设值进行比较，当模拟电压量低于预设值后产生开关信号，白光光源发出白光；

所述白光光源为暖白色LED灯，其功率为3W。

本发明适应于长期室外运行，或者室内室外环境需要切换的应用场合，使用平台为可移动巡线导航控制机器人，主要工作是解决这类平台上述应用环境及要求下的导航控制，提供从传感器到最终控制信号输出的解决方案。

本发明的有益效果包括以下几点：

1)由于电磁感应不受天气干扰的特性，视觉传感器具有前瞻性，本发明可以利用前瞻数据优化速度，提升速度，从而使得本发明比单纯的电磁感应子系统(采用电磁诱导技术的系统)或者视觉子系统(采用视觉传感器的系统)获得了更高的速度效率，本发明还可以适应全天候，全年和一定范围的雨雪天气。

2)视觉传感器和电磁位置传感器可以单独使用，也可以融合使用，由智能决策器自动决策切换使用或者融合使用，从而发挥视觉数据的前瞻性，电磁数据的近距离准确性，同时可以智能适应高速、低速，以及过弯算法切换。

3)设计开发的软体智能自适应数据融合器，可以动态的根据需要融合，同时动态的调整融合比例，在视觉比较好，直线道的时候加大视觉的比例，弯道的时候加大电磁的比例。同时根据速度的不同也在动态修正融合比例，从而达到发挥融合优势，扬长避短。

4)自行设计开发了基于双探头的电磁位置传感器，成本底，功耗小，是整个系统低成本化的有力保证。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2a为机器人的第一立体示意图；

图2b为机器人的第二立体示意图；

图2c为机器人的主视图；

图2d为机器人的后视图；

图3为黄色导航线和诱导导航线的位置关系示意图；

图4为两个电感线圈的位置示意图；

图5为电磁感应子系统处理信号的流程图；

图6为信号融合与导航控制平台的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1所示，基于视觉和电磁的融合巡线导航控制系统的结构如下：智能补光控制电路分别连接光照强度传感器6、白光光源7和信号融合与导航控制平台，视觉采集与处理平台连接视觉传感器5，并通过RS485总线1连接信号融合与导航控制平台，黄色导航线13位于路面上；在路面下方铺设诱导导航线12，诱导导航线12为BV塑料铜芯电线，诱导导航线12两端与电磁信号发生器相连构成通路，电磁信号发生器提供频率为20KHz、电流为30.0mA的正弦波信号或脉冲信号，使诱导导航线12周围产生磁场，从而电磁位置传感器可以感应到磁场；

1-N个结构相同的电磁位置传感器的结构如下：单片机分别连接第1电感线圈9和第2电感线圈14，单片机通过RS485总线1连接信号融合与导航控制平台。

视觉传感器5为CMOS摄像机或CCD摄像机。视觉采集与处理平台为DSP平台，其型号为TMS320DM642；信号融合与导航控制平台为S3C6410芯片；单片机的型号为MSP430F1611，只有在电磁位置传感器内部使用。

如图2a-图2d所示，视觉传感器5安装于机器人的感官盒2内，所述智能补光控制电路在机器人前端感官盒2内部左侧固定、光照强度传感器6和白光光源7安装在机器人前端感官盒2前表面；感官盒2位于机器人的前部；支架4位于机器人上。单片机为电磁位置传感器的核心，单片机、第1电感线圈和第2电感线圈一起封装在电磁位置传感器盒体内，单片机位于电磁位置传感器盒体的中间位置，第1电感线圈和第2电感线圈位于电磁位置传感器盒体的两端，视觉采集与处理平台安装在机器人中后部的控制器盒中；信号融合与导航控制平台安装在在机器人中后部的控制盒8中。

如图3所示，黄色导航线13和诱导导航线12在竖直方向上重叠；黄色导航线13通过黄色油漆铺设而成；诱导导航线12周围套有地底PVC保护管道11(起到保护诱导导航线12的作用)，诱导导航线12与地面10的垂直距离为20mm。

如图4所示，电磁位置传感器固定于机器人底盘上，第1电感线圈9和第2电感线圈14距离地面10的高度均为50mm；

所述电磁信号发生器置于车外，安装在休息室墙壁上。变电站现场使用板材构建一间休息室，车体无任务时返回到休息室，有任务时离开工作。

所述光照强度传感器6的型号为BH1620，光照强度传感器6能够感应外界的光强信号并以模拟电压量输出，作为智能补光控制电路的输入比较量进行使用，当夜晚或者阴天的时候，光照强度传感器6给出一个比较低的电压，智能补光控制电路根据预设值与这个电压值比较，控制白光光源7的通断；

所述智能补光控制电路使用LM2903比较器(LM2903比较器为智能补光控制电路的组成部分)将光照强度传感器6采集到的模拟电压量与预设值(通过滑动变阻器调整好的电压)进行比较，当模拟电压量低于预设值后产生开关信号，白光光源7发出白光；

所述白光光源7为暖白色LED灯，其功率为3W。

根据光照度不同(白天、黑夜、阴天等具体情况具有不同的光照度)，设置不同的预设值，以下是不同情况下的光照度统计数据：黑夜：0.001lux-0.02lux；月夜：0.02lux-0.3lux；阴天室内：5lux-50lux；阴天室外：50lux-500lux；晴天室内：100lux-1000lux；

以夏季中午太阳光下的照度为例，此时的光照度约为109lux。，对应的电压放大后达到2.5V作为预设值。

本发明要解决的问题是提供一种基于视觉和电磁融合的移动机器人的巡线导航子系统，以实现移动机器人自动巡线导航的需求。为了解决巡线机器人全天候，全年连续工作的问题，使用单一的传感器总是有各种限制，而使用多种传感器，单纯的只是切换使用，传感器的各自优势又不是很明显，所以探索提出了一种除了单纯切换使用外，还可以数据融合后使用，对于发挥移动平台速度性能有显著提升。

系统主要功能为：实时采集导航图像、快速图像处理，快速提取到航线、电磁感应探头拾取预埋导航线、电磁数据滤波、智能决策模块、数据融合、导航控制。其中视觉子系统是基于DSP平台(TMS320DM642)实现的。TMS320DM642是TI公司推出的专用图像处理DSP，借助于该DSP强大的运算能力，在DSP中完成图像的采集和处理，从而提高了图像处理的实时性，满足机器人控制对其视觉子系统实时性的要求。电磁感应子系统是基于MSP430F1611平台实现。MSP430F1611是TI公司推出的低功耗MCU，功能性价比极高。数据融合以及导航控制是基于S3C6410实现，S3C6410采用ARM11作为内核，具有600MHZ的主频、丰富的通讯接口和良好的LINUX系统支持，使得该平台的二次开发更加容易和友好。整个系统使用嵌入式平台实现了完整的模块化设计，系统稳定、性能可靠、体积小、功耗低。采用嵌入式平台取代传统PC来控制机器人的视觉子系统是今后这一领域发展的一个趋势。

本发明主要的解决问题归纳如下：

1)视觉特征值的提取，利用CMOS摄像机或CCD摄像机采集道路导航线信息，原始图像数据(即道路导航线信息)进入DSP平台，经过快速图像处理后，提取导航线特征值，在这个过程中智能补光控制电路利用光照强度传感器6，感受外界光照强度，当关照较暗的时候自动打开光源，补偿光照。

2)电磁位置传感器的布局和信号处理。电磁位置传感器是基于法拉第电磁感应定律，在诱导导航线12中通入交变的电流，从而产生环形磁场，线圈在变化的磁场中感应生成对应频率的交流电压信号，单片机(型号为MSP430F1611)采集交流电压信号，然后经滤波后，形成导线与机器人的车体3的相对位置特征数据。如何布局探头位置，以方便控制，并且比较直观反映当前平台位置为主要问题。

3)视觉子系统和电磁感应子系统的融合，视觉前瞻性的道路特征数据，电磁的静近距离位置数据，进入信号融合与导航控制平台(采用S3C6410芯片)后，首先智能决策是使用单独的视觉子系统还是单独的电磁感应子系统，或者两者融合使用，两者融合使用时，两组数据进入融合器，融合出道路特征值，进入导航控制模块，得到控制数据。

4)根据特征值的导航算法(针对履带式，差动示例)，得到道路的特征值后，如何将特征值形成具体对象的控制数据，从而构成完整的一个闭环位置跟随系统，本发明根据一个实际的案例提供了一套基于履带，差动驱动的控制算法示例，测试了单独的导航(采用单独的视觉子系统还是单独的电磁感应子系统)，和融合后的导航(视觉子系统与电磁感应子系统融合使用)，融合后车体3速度明显可以高于单独的导航模式，同时智能决策的模式使得车体3在高速、低速以及过弯都有性能的优化。

基于视觉和电磁的融合巡线导航控制系统主要的解决问题的为以上4点，以上4点也是本发明的一个功能模块的分类，针对每个问题，本发明也是利用单独的功能模块来处理每个问题。

视觉子系统

视觉子系统的任务是采集到可用的道路信息，并在视觉数据不可用的时候给出信号。视觉子系统由两部分组成，分别为机器人携带的视觉数据采集处理系统和导航线模块。

其中视觉数据采集处理系统由视觉传感器5、视觉采集与处理平台、光照强度传感器6、白光光源7和智能补光控制电路组成。通过RS485总线(1)查询模块(指电磁位置传感器和视觉采集与处理平台)的异常故障以及实现交互视觉特征数据。

导航线模块由诱导导航线12和黄色导航线13组成。

电磁感应子系统

电磁感应子系统是采集诱导导航线12上的交变磁场，将磁场信号转换成电信号，然后经过数字化后作为特征数据。其原理为法拉第电磁感应定律，第1电感线圈9和第2电感线圈14内置铁芯从而增大感应力，同一块单片机(型号为MSP430F1611)同时采集两个相距一定距离的电感线圈(即探头)的电压值，这个电压值与电感线圈和诱导导航线之间的距离成正比，反应了两个电感线圈和导线之间的距离，两个电感线圈是固定在机器人的车体3底盘上，相对于机器人的车体3静止，所以这个电压值也反应了车体3与诱导导航线之间的相对位置。

如图5所示，第1电感线圈9和第2电感线圈14采集电压值，电压值经一级放大、滤波、交流转直流和二级放大滤波后(使用TL082CP、LMC6482AIN芯片构成的运算放大、滤波电路)进入MSP430F1611内置的模数转换模块，经模数转换模块处理后变为数字信号，单片机中此数字信号做数字滤波处理。上述电路均集成在一块电路板上，机器人整体使用了两个电磁位置传感器模块，分别安装在机器人车体3的前后端。

两个电感线圈和一块单片机(型号为MSP430F1611)封装组成一个电磁位置传感器，同时采集两个电感线圈的电压值，综合判断计算出诱导导线的位置。完成封装传感器最终只能确定一维位置信息，所以根据控制的需要，可以选择安装多组传感器，目前的实例中就是前后各安装了一套电磁的传感器来检测道路与诱导线之间的相对位置。实际的安装还有传感器与导线距离的问题，高度不同，使得传感器采集到的位置存在偏差，实际使用中需要根据需要具体标定。

数据综合以及导航控制子模块

如图6所示，数据综合以及导航控制最终都是在信号融合与导航控制平台上实现的，数据融合思想为动态数据融合。在融合之前需要为融合做数据处理准备，因为视觉系统和电磁感应子系统采集到的位置信息分别是相对于各自坐标系下的位置信息，同时对于实际尺寸的量化比例也不相同，融合前的准备工作就是需要将各自的数据根据比例关系处理到相同的坐标系以及相同的量化比例关系下，使得数据一致。处理后的数据进入数据融合器(在信号融合与导航控制平台上)融合。数据融合器根据各自的数据，以及当前车体3的速度和状态动态融合数据。在视觉比较好，直线道的时候加大视觉的比例，弯道的时候加大电磁的比例。同时根据速度的不同也在动态修正融合比例，从而达到发挥融合优势，扬长避短。

信号融合与导航控制平台根据融合后的数据，或者单独的视觉数据或者电磁数据，生成车体平台的控制指令，其控制算法可以选择PID算法，或者FUZZY控制算法，也可以尝试开发别的控制算法，这块模块预留了二次开发接口，可以让使用者开发最适合自己系统的控制算法。

本发明工作过程如下：

本发明利用视觉传感器5获得路面可视的导航线的特征值，利用电磁位置传感器获得预埋在地底的诱导导航线12与车体3的相对位置信息，可以选择使用单一传感器导航，也可以选择两种传感器融合后的特征值导航，所有模式也可以智能决策，也可以自动切换，提供多种工作方式。

本发明运行后，电磁感应子系统和视觉子系统开始各自循环采集数据，处理数据，将最新数据刷新保存后后备查询输出。信号融合与导航控制平台根据控制需求，在需要的时候向各子系统查询最新的位置数据后，进入数据综合模块，之后智能决策导航种类，当需要使用混和的时候使用融合器融合数据，之后导航控制模块更具位置信息生成控制指令数据。

本发明涉及自动导航技术，图像处理技术，电子技术，多传感器融合技术、自动控制技术等，本发明基于室外移动机器人，工作于变电站等强电磁环境下的情况，设计和实现了一种基于视觉和电磁融合导航的控制系统，充分利用视觉信息量大，信号探测范围宽的优势，同时利用电磁弥补视觉在天气恶劣，光照不均匀下基本不能使用的缺陷，同时也利用视觉去弥补电磁在强电磁干扰下，采集信息易受干扰的缺陷，从而实现，全年，全天候，室外移动机器人的导航控制。基于视觉和电磁两种传感器，采集道路信息后，进入融合器，完成信息融合，综合决策出车体3与导航线之间的相对位置，并基于视觉得到远场道路趋势，利用电磁得到车体3目前位姿，利用这些特征信息，经过控制器决策，得到车体3的当下控制动作指令。

Claims (6)

1.基于视觉和电磁的融合巡线导航控制系统，其特征在于，它的结构如下：智能补光控制电路分别连接光照强度传感器(6)、白光光源(7)和信号融合与导航控制平台，视觉采集与处理平台连接视觉传感器(5)，并通过RS485总线(1)连接信号融合与导航控制平台，黄色导航线(13)位于路面上；在路面下方铺设诱导导航线(12)，诱导导航线(12)为BV塑料铜芯电线，诱导导航线(12)两端与电磁信号发生器相连构成通路，电磁信号发生器提供频率为20KHz、电流为30.0mA的正弦波信号或脉冲信号，使诱导导航线(12)周围产生磁场；

1-N个结构相同的电磁位置传感器的结构如下：单片机分别连接第1电感线圈(9)和第2电感线圈(14)，单片机通过RS485总线(1)连接信号融合与导航控制平台。

2.根据权利要求1所述的基于视觉和电磁的融合巡线导航控制系统，其特征在于，所述视觉传感器(5)为CMOS摄像机或CCD摄像机。

3.根据权利要求1所述的基于视觉和电磁的融合巡线导航控制系统，其特征在于，所述视觉采集与处理平台为DSP平台，其型号为TMS320DM642；

所述信号融合与导航控制平台为S3C6410芯片；

所述单片机的型号为MSP430F1611。

4.根据权利要求1所述的基于视觉和电磁的融合巡线导航控制系统，其特征在于，所述视觉传感器(5)安装于感官盒(2)内，所述智能补光控制电路在机器人前端感官盒(2)内部左侧固定，光照强度传感器(6)和白光光源(7)安装在感官盒(2)前表面；感官盒(2)位于机器人的前部；

所述电磁位置传感器固定于机器人底盘上，第1电感线圈(9)和第2电感线圈(14)距离地面(10)的高度均为50mm；单片机为电磁位置传感器的核心，单片机、第1电感线圈和第2电感线圈一起封装在电磁位置传感器盒体内，单片机位于电磁位置传感器盒体的中间位置，第1电感线圈和第2电感线圈位于电磁位置传感器盒体的两端；

所述视觉采集与处理平台安装在控制盒(8)中；

所述信号融合与导航控制平台安装在控制盒(8)中；控制盒(8)位于机器人中后部。

5.根据权利要求1所述的基于视觉和电磁的融合巡线导航控制系统，其特征在于，所述黄色导航线(13)和诱导导航线(12)在竖直方向上重叠；

所述黄色导航线(13)通过黄色油漆铺设而成；

所述诱导导航线(12)周围套有地底PVC保护管道(11)，诱导导航线(12)与地面(10)的垂直距离为20mm；

所述电磁信号发生器置于车外，安装在休息室墙壁上。

6.根据权利要求1所述的基于视觉和电磁的融合巡线导航控制系统，其特征在于，所述光照强度传感器(6)的型号为BH1620，光照强度传感器(6)能够感应外界的光强信号并以模拟电压量输出，作为智能补光控制电路的输入比较量进行使用；

所述智能补光控制电路使用LM2903比较器将光照强度传感器(6)采集到的模拟电压量与预设值进行比较，当模拟电压量低于预设值后产生开关信号，白光光源(7)发出白光；

所述白光光源(7)为暖白色LED灯，其功率为3W。

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