CN103264395A - 双模智能捡球机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

双模智能捡球机器人控制系统，由双模智能捡球机器人（1）、第一无线通讯网络（2）、第二无线通讯网络（3）、Android智能手机（4）、笔记本电脑（5）、无线手柄（6）组成；双模智能捡球机器人（1）由信息采集系统、信息处理系统、遥控系统、执行机构、捡球装置组成；Android智能手机(4)和笔记本电脑(6)能够通过第一无线通讯网络(2)传输并显示USB摄像头(1-19)采集到的球场图像数据，达到实时监控；无线手柄（6）通过第二无线通讯网络（3）来控制双模智能捡球机器人（1）的运动；具有自动捡球模式：遥控捡球模式两种工作模式。

Description

双模智能捡球机器人控制系统

技术领域

本发明涉及用于乒乓球、网球运动场馆的双模式控制智能捡球机器人系统。

背景技术

大型乒乓球、网球场馆的捡球工作是一项繁重的体力劳动，人工捡球费时费力，且效率不高。近年来，人们不断尝试用智能机器人代替人工来从事此项工作。目前，在一些发达国家，已开始采用服务型机器人在球类运动场馆进行捡球工作，但针对实际需求来说，其智能化程度和使用的便利性有待提高。嵌入式系统技术的迅速发展使捡球机器人的智能化、自动化、小型化成为可能，采用嵌入式系统技术结合无线通信技术来完成捡球机器人的控制，无疑将大大提高捡球机器人控制的便利性，并降低人工成本，所以开发一种全嵌入式架构的智能捡球机器人是十分必要的。

目前，已经出现了一些能够实现捡球的技术方案，例如专利号为CN200810183233.4和CN200820042478.0的专利文献中提到一种在球场上空安装摄像头，利用上位机进行全局图像处理的方案，此类作品的控制方式仅适用于大型的网球场，整体的控制方式较为复杂，成本较高，专用型比较强，更换场地后机器人无法顺利工作，自主工作能力较差；专利号为CN201210068093.2的专利文献中提到一种利用机器人自身安装的摄像头进行识别球体、自主捡取球体的方案，虽然解决了全局图像处理方案存在的弊端，但是其仅仅具备一个位于机器人前方的超声波探测器，其自主识别周围环境和避障能力较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种双模式控制智能捡球机器人系统。

本发明是双模智能捡球机器人控制系统，该系统由双模智能捡球机器人1、第一无线通讯网络2、第二无线通讯网络3、Android智能手机4、笔记本电脑5、无线手柄6组成；双模智能捡球机器人1由信息采集系统、信息处理系统、遥控系统、执行机构、捡球装置组成；Android智能手机4和笔记本电脑6能够通过第一无线通讯网络2传输并显示USB 摄像头1-19采集到的球场图像数据，达到实时监控；无线手柄6通过第二无线通讯网络3来控制双模智能捡球机器人1的运动。

本系统具有两种工作模式：

（1）自动捡球模式：通过双模智能机器人1周围的第一触须传感器1-1、第一近红外传感器1-2、第二触须传感器1-3、第三触须传感器1-6、第二近红外传感器1-7、第三近红外传感器1-9、第四触须传感器1-10感应障碍物，将采集到的数据发送到嵌入式处理器第二MCU1-16处理，嵌入式处理器第二MCU 1-16控制第一舵机1-11、第二舵机1-12、第三舵机1-21、第四舵机1-22动作实现避障，嵌入式处理器第一MCU 1-15控制第五舵机1-14持续转动，第五舵机1-14控制捡球叶轮1-8转动，将途经的乒乓球或网球经捡起；

（2）遥控捡球模式：通过双模智能机器人1前部的USB摄像头1-19拍摄现场图片，通过第一无线通讯网络2将采集到的现场图片通过嵌入式处理器第四MCU 1-18处理后发送到到Android智能手机4和笔记本电脑5，无线手柄6通过第二无线通讯网络3经嵌入式处理器第三MCU 1-17处理后控制第一舵机1-11、第二舵机1-12、第三舵机1-21、第四舵机1-22动作，实现人工避障，嵌入式处理器第一MCU 1-15控制第五舵机1-14持续转动，第五舵机1-14控制捡球叶轮1-8转动，将途经的乒乓球或网球捡起。

 本发明的有益之处在于：

独特的双模式控制设计使机器人的控制更加灵活，对不同场地的适应能力得到增强，智能化程度高。在自动捡球模式下，多传感器并联技术的应用使避障和自主移动功能的实现更加简单，节省了硬件资源，提高了代码的执行效率。在遥控捡球模式下，无线传感网络的使用不仅实现了对机器人的遥控，同时现场画面的实时传输实现了捡球机器人的远程控制，且人机交互更为顺畅。旋转叶轮式捡球结构的设计具有捡球效率高，机械结构简单，场地适应性强的特点。

附图说明

图1是本发明的拓扑结构示意图，图2是双模智能捡球机器人的硬件结构图，图3是嵌入式处理器第一MCU及相关模块的硬件结构图，图4是嵌入式处理器第二MCU及相关模块的硬件结构图，图5是嵌入式处理器第三MCU及相关模块的硬件结构图，图6是嵌入式处理器第四MCU及相关模块的硬件结构图，图7是捡球叶轮的结构原理图，图8是旋转式捡球叶轮捡球过程示意图，图9是双模智能捡球机器人的结构框图。

附图标记及对应名称为：双模智能捡球机器人1，无线通讯网络2，无线通讯网络3，Android智能手机4，笔记本电脑5，无线手柄6，第一触须传感器1-1，第一近红外传感器1-2，第二触须传感器1-3，传感器数据通信总线1-4，舵机控制总线1-5，触须传感器1-6，第二近红外传感器1-7，捡球叶轮1-8，第三近红外传感器1-9，第四触须传感器1-10，第一舵机1-11，第二舵机1-12，舵机控制总线1-13，第五舵机1-14，嵌入式处理器第一MCU 1-15，嵌入式处理器第二MCU 1-16，嵌入式处理器第三MCU 1-17，嵌入式处理器第四MCU 1-18，USB摄像头1-19，舵机控制总线1-20，第三舵机1-21，第四舵机1-22，电源模块1-23，第一512K FLASH 1-24，第一32K RAM  1-25，第二512K FLASH 1-26，第二32K RAM 1-27，第三512K FLASH 1-28，第三32K RAM 1-29，无线模块1-30，TFT彩色液晶1-31，CS8900A网卡1-32，USB Host1  1-33，USB 无线网卡1-34，USB Host2 1-35，64MB NAND FLASH 1-36，2MB NOR FLASH 1-37，64MB SDRAM 1-38，叶轮转轴1-39，第一叶片1-40，第二叶片1-41，第一叶轮辅板1-42，第二叶轮辅板1-43，储球盒1-44，挡球板1-45，第一轮胎1-46，第二轮胎1-47，第三轮胎1-48，第四轮胎1-49。

具体实施方式

如图1所示，本发明是双模智能捡球机器人控制系统，该系统由双模智能捡球机器人1、第一无线通讯网络2、第二无线通讯网络3、Android智能手机4、笔记本电脑5、无线手柄6组成；双模智能捡球机器人1由信息采集系统、信息处理系统、遥控系统、执行机构、捡球装置组成；Android智能手机4和笔记本电脑6能够通过第一无线通讯网络2传输并显示USB 摄像头1-19采集到的球场图像数据，达到实时监控；无线手柄6通过第二无线通讯网络3来控制双模智能捡球机器人1的运动。

本发明的双模智能捡球机器人1由信息采集系统、信息处理系统、执行机构、捡球装置组成，可在自动捡球模式、遥控捡球模式两种工作模式下工作。

如图2所示，信息采集系统包括第一触须传感器1-1、第一近红外传感器1-2、第二触须传感器1-3、第三触须传感器1-6、第二近红外传感器1-7、第三近红外传感器1-9、第四触须传感器1-10，USB摄像头1-19，其中：在自动捡球模式下，第一触须传感器1-1、第一近红外传感器1-2、第二触须传感器1-3、第三触须传感器1-6、第二近红外传感器1-7、第三近红外传感器1-9、第四触须传感器1-10用来感应障碍物及测距，实现避障和自主移动的功能。

在遥控捡球模式下，机器人前部的USB摄像头1-19用来拍摄现场图片通过第一无线通讯网络2传输到Android智能手机4和笔记本电脑5，辅助操控人员控制机器人运动。

如图3、图4、图5、图6所示，信息处理系统包括嵌入式处理器第一MCU1-15、嵌入式处理器第二MCU1-16、嵌入式处理器第三MCU1-17、嵌入式处理器第四MCU 1-18和无线通讯模块1-30，其中，在自动捡球模式下，双模智能捡球机器人1周围的第一触须传感器1-1、第一近红外传感器1-2、第二触须传感器1-3、第三触须传感器1-6、第二近红外传感器1-7、第三近红外传感器1-9、第四触须传感器1-10将采集到的数据发送到嵌入式处理器第二MCU 1-16，嵌入式处理器第二MCU 1-16控制第一舵机1-11、第二舵机1-12、第三舵机1-21、第四舵机1-22转动以达到避开障碍物的目的，嵌入式处理器第一MCU 1-15控制第五舵机1-14持续转动，第五舵机1-14控制捡球叶轮1-8转动捡球途径的球体；在遥控捡球模式下，USB摄像头1-19将采集到的现场图像经第一无线通讯网络2通过嵌入式处理器第四MCU1-18控制的USB无线网卡1-34发送到Android智能手机4和笔记本电脑5，操控人员应用无线手柄6经第二无线通讯网络3通过无线模块1-30控制第一舵机1-11、第二舵机1-12、第三舵机1-21、第四舵机1-22的转动，嵌入式处理器第一MCU1-15控制舵机第五1-14持续转动，第五舵机1-14控制捡球叶轮1-8转动已达到捡取球体的目的。

如图2所示，执行机构包括第一舵机1-11、第二舵机1-12、第三舵机1-21、第四舵机1-22、无线手柄6，其中，在自动捡球模式下，机器人周围的第一触须传感器1-1、第一近红外传感器1-2、第二触须传感器1-3、第三触须传感器1-6、第二近红外传感器1-7、第三近红外传感器1-9、第四触须传感器1-10将采集到的数据发送到嵌入式处理器第二MCU 1-16，嵌入式处理器第二MCU1-16控制第一舵机1-11、第二舵机1-12、第三舵机1-21、第四舵机1-22动作，嵌入式处理器第一MCU 1-15控制第五舵机1-14持续转动，第五舵机1-14控制捡球叶轮1-8转动；在遥控捡球模式下，嵌入式处理器第一MCU1-15控制第五舵机1-14持续转动，第五舵机1-14控制捡球叶轮1-8转动，操控人员通过无线手柄6控制第一舵机1-11、第二舵机1-12、第三舵机1-21、第四舵机1-22动作。

如图7、图8所示，捡球装置包括捡球叶轮1-8、储球盒1-44，其中捡球叶轮1-8由叶轮转轴1-39、第一叶片1-40、第二叶片1-41、第一叶轮辅板1-42、第二叶轮辅板1-43组成，第五舵机1-14与叶轮转轴1-39相连；储球盒1-44为5面立体盒，挡球板1-45与储球盒1-44连接。

本发明的具体捡球过程为：操控人员视球场的具体情况选择自动捡球模式或遥控捡球模式中的一种，在自动捡球模式下：双模智能捡球机器人1周围的第一触须传感器1-1、第一近红外传感器1-2、第二触须传感器1-3、第三触须传感器1-6、第二近红外传感器1-7、第三近红外传感器1-9、第四触须传感器1-10将采集到的数据发送到嵌入式处理器第二MCU 1-16，嵌入式处理器第二MCU1-16控制第一舵机1-11、第二舵机1-12、第三舵机1-21、第四舵机1-22转动达到避开障碍物的目的，嵌入式处理器第一MCU 1-15控制第五舵机1-14持续转动，第五舵机1-14控制捡球叶轮1-8转动，机器人在行进过程中利用捡球叶轮1-8将行进路线上的球体捡起并存放于储球盒1-44中；在遥控捡球模式下，USB摄像头1-19将采集到的现场图像通过嵌入式处理器第四MCU1-18控制的USB无线网卡1-34发送到Android智能手机4和笔记本电脑5，操控人员借助经第一无线通讯网络2传输的现场图像，通过无线手柄6经第二无线通讯网络3控制第一舵机1-11、第二舵机1-12、第三舵机1-2、第四舵机1-22向有球存在的区域运动，嵌入式处理器第一MCU1-15控制第五舵机1-14持续转动，第五舵机1-14控制捡球叶轮1-8转动，操控人员控制机器人向球体运动的过程中捡球叶轮1-8可将球体捡起并存放于储球盒1-44中。 

综上所述，双模智能捡球机器人能够在自动捡球模式和遥控捡球模式下捡取乒乓球、网球等球体，双模工作模式相互结合的特点可以使捡球机器人适应各种类型的球场环境，实现机器人高效捡球的目的。

Claims (6)

1.双模智能捡球机器人控制系统，其特征在于该系统由双模智能捡球机器人（1）、第一无线通讯网络（2）、第二无线通讯网络（3）、Android智能手机（4）、笔记本电脑（5）、无线手柄（6）组成；双模智能捡球机器人（1）由信息采集系统、信息处理系统、遥控系统、执行机构、捡球装置组成；Android智能手机(4)和笔记本电脑(6)能够通过第一无线通讯网络(2)传输并显示USB 摄像头(1-19)采集到的球场图像数据，达到实时监控；无线手柄（6）通过第二无线通讯网络（3）来控制双模智能捡球机器人（1）的运动；本系统具有两种工作模式：

（1）自动捡球模式：通过双模智能机器人（1）周围的第一触须传感器（1-1）、第一近红外传感器（1-2）、第二触须传感器（1-3）、第三触须传感器（1-6）、第二近红外传感器（1-7）、第三近红外传感器（1-9）、第四触须传感器（1-10）感应障碍物，将采集到的数据发送到嵌入式处理器第二MCU(1-16)处理，嵌入式处理器第二MCU（1-16）控制第一舵机（1-11）、第二舵机（1-12）、第三舵机（1-21）、第四舵机（1-22）动作实现避障，嵌入式处理器第一MCU（1-15）控制第五舵机（1-14）持续转动，第五舵机（1-14）控制捡球叶轮（1-8）转动，将途经的乒乓球或网球经捡起；

（2）遥控捡球模式：通过双模智能机器人（1）前部的USB摄像头（1-19）拍摄现场图片，通过第一无线通讯网络（2）将采集到的现场图片通过嵌入式处理器第四MCU（1-18）处理后发送到到Android智能手机（4）和笔记本电脑（5），无线手柄（6）通过第二无线通讯网络（3）经嵌入式处理器第三MCU（1-17）处理后控制第一舵机(1-11)、第二舵机(1-12)、第三舵机(1-21)、第四舵机(1-22)动作，实现人工避障，嵌入式处理器第一MCU(1-15)控制第五舵机(1-14)持续转动，第五舵机(1-14)控制捡球叶轮(1-8)转动，将途经的乒乓球或网球捡起。

2.根据权利要求1所述的双模智能捡球机器人（1）信息采集系统，其特征在于：信息采集系统包括第一触须传感器（1-1）、第一近红外传感器（1-2）、第二触须传感器（1-3）、第三触须传感器（1-6）、第二近红外传感器（1-7）、第三近红外传感器（1-9）、第四触须传感器（1-10）、USB摄像头（1-19），其中：在自动捡球模式下，第一触须传感器（1-1）、第一近红外传感器（1-2）、第二触须传感器（1-3）、第三触须传感器（1-6）、第二近红外传感器（1-7）、第三近红外传感器（1-9）、第四触须传感器（1-10）用来感应障碍物，实现避障功能；在遥控捡球模式下，USB摄像头（1-19）用来拍摄现场图片并通过第一无线通讯网络（2）将采集到的现场图片通过嵌入式处理器第四MCU（1-18）处理后发送到到Android智能手机（4）和笔记本电脑（5），供操控人员方便控制机器人动作，实现人机交流。

3.根据权利要求1所述的双模智能捡球机器人（1）信息处理系统，其特征在于：信息处理系统包括嵌入式处理器第一MCU（1-15）、嵌入式处理器第二MCU（1-16）、嵌入式处理器第三MCU（1-17）采用LPC2138微处理器，嵌入式处理器第四MCU（1-18）采用S3C2440微处理器，第一无线通讯网络（2）中的通信模块采用USB无线网卡（1-34），第二无线通讯网络（3）中使用的无线通讯模块（1-30）采用红外线通讯模块、GPRS网络模块、ZigBee无线通讯网络模块或无线数传电台。

4.根据权利要求1所述的双模智能捡球机器人（1）遥控系统，其特征在于：遥控系统包括USB摄像头（1-19）、无线通讯网络（3）、嵌入式处理器第四MCU（1-18）、Android智能手机（4）、笔记本电脑（5），无线手柄（6）、无线模块（1-30）、嵌入式处理器第三MCU（1-17），其中：在遥控捡球模式下，USB摄像头（1-19）将采集到的现场图像通过嵌入式处理器第四MCU（1-18）处理后经第一无线通讯网络（2）发送到Android智能手机（4）和笔记本电脑（5），无线手柄（6）通过第二无线通讯网络（3）经嵌入式处理器第三MCU（1-17）处理后控制机器人动作。

5.根据权利要求1所述的双模智能捡球机器人（1）执行机构，其特征在于：执行机构包括捡球叶轮（1-8）、第一舵机（1-11）、第二舵机（1-12）、第三舵机（1-21）、第四舵机（1-22）、第五舵机（1-14），其中：在自动捡球模式下，机器人周围的第一触须传感器（1-1）、第一近红外传感器（1-2）、第二触须传感器（1-3）、第三触须传感器（1-6）、第二近红外传感器（1-7）、第三近红外传感器（1-9）、第四触须传感器（1-10）将采集到的数据发送到嵌入式处理器第二MCU (1-16)，嵌入式处理器第二MCU（1-16）控制第一舵机（1-11）、第二舵机（1-12）、第三舵机（1-21）、第四舵机（1-22）动作，嵌入式处理器第一MCU（1-15）控制第五舵机（1-14）持续转动，第五舵机（1-14）控制捡球叶轮（1-8）转动；在遥控捡球模式下，嵌入式处理器第一MCU (1-15)控制第五舵机(1-14)持续转动，第五舵机(1-14)控制捡球叶轮(1-8)转动，操控人员通过遥控系统控制第一舵机(1-11)、第二舵机(1-12)、第三舵机(1-21)、第四舵机(1-22)动作。

6.根据权利要求1所述的双模智能捡球机器人（1）捡球装置，其特征在于：捡球装置包括第五舵机（1-14）、捡球叶轮（1-8）、挡球板(1-45)、储球盒(1-44)；该捡球装置利用第五舵机（1-14）控制捡球叶轮（1-8）持续转动，进而达到捡球目的，储球盒(1-44)为简易立体盒。

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