基于双目视觉的移动机器人

摘要

本发明公开了基于双目视觉的移动机器人，包括移动平台、激光雷达、双目相机、驱动箱、相机升降结构和雷达升降结构；移动平台通过底部的多个滚轮实现移动功能，驱动箱设置在移动平台上，为相机升降结构和雷达升降结构提供动力；相机升降结构包括上下支撑板、升降板、第一丝杠和相机固定板，第一丝杠和升降板位于上下支撑板之间，升降板与第一丝杠螺纹连接，升降板为相机固定板提供支撑力；雷达升降结构包括设置在上下支撑板之间的雷达固定板和第二丝杠，雷达固定板与第二丝杠螺纹连接；在本发明中，激光雷达与双目相机协同工作，使移动机器人具有较强的环境感知能力，准确构建三维地图，且环境适应性强，不需要提前布置室内场景和设置人工路标点。

说明书

技术领域

本发明涉及机器视觉的技术领域，尤其涉及基于双目视觉的移动机器人。

背景技术

智能移动机器人涉及计算机视觉、传感器技术、人工智能等多个交叉学科，具有环境感知、逻辑判断、复制导航等多种功能，是当前最热门的综合性测试平台之一。在移动机器人系统中，机器人定位与环境感知是其中一个基础但却非常重要的组成部分。机器人通常可以借助GPS等传感器实现在室外环境的定位，然而在实际应用中，机器人的工作场景常常无法确定，有时甚至完全未知，例如矿井，地下车库，室内建筑等，此时经常存在无外部GPS定位信号的问题导致定位失败。目前，虽然也有一些其他的定位方法，如wifi定位和人工路标定位等，但是这类方法需要提前布置室内场景或设置人工路标点，不够灵活与方便。为了实现移动机器人在未知环境中准确、安全进行定位与导航，必须利用自身搭载的传感器对周围环境进行精确感知，并根据环境的变化来判断自身位姿的变化。

目前的移动机器人一般基于激光雷达进行实时定位与地图构建，移动机器人在移动的过程中依靠激光雷达可以准确测出移动机器人到物体的距离，但由于雷达的位置固定，从而导致测量范围受限，同时激光雷达无法对物体进行识别，使得移动机器人的地图构建能力较差差。本发明提出一种基于双目视觉的移动机器人，双目视觉可以准确的识别出物体，通过双目相机与激光雷达的信息共同构建周围环境，感知环境，还能够运用在日常生活中，例如运输机器人、快递机器人等新型服务型机器人提供实现基础。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的要解决的技术问题是：现有移动机器人环境感知能力差的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于双目视觉的移动机器人，包括移动平台和激光雷达，所述移动平台的底部设有多个滚轮，所述滚轮由移动平台内的滚轮电机驱动，所述移动平台内设有运动传感器，所述激光雷达设置在移动平台上，还包括双目相机。

所述双目相机设置在移动平台上，且双目相机位于激光雷达上方，双目相机和激光雷达均朝前设置。

通过加装双目相机，可使用双目相机配合双目视觉系统来实现地图的三维构建，同时使用双目相机可以方便对物体进行识别，激光雷达与双目相机组合，使移动机器人具有较高的环境感知能力，从而准确构建三维地图，环境适应性强，不需要提前布置室内场景和设置人工路标点。

作为优选，包括驱动箱和相机升降结构。

所述驱动箱固定设置在移动平台的上侧面，驱动箱内设有竖直向上的第一步进电机。

所述相机升降结构包括下支撑板、上支撑板、升降板、第一丝杠和相机固定板。

所述下支撑板固定设置在驱动箱的上侧面，所述上支撑板水平位于下支撑板的上方，所述上支撑板与下支撑板之间竖直设有四根第一连接柱，所述四根第一连接柱分别位于上支撑板靠近四角的位置，第一连接柱的上下两端分别与上支撑板和下支撑板固定连接。

所述升降板水平位于上支撑板与下支撑板之间，所述四根第一连接柱均穿过升降板，升降板与第一连接柱滑动配合。

所述第一丝杠竖直位于上支撑板与下支撑板之间，第一丝杠穿过升降板，升降板与第一丝杠螺纹连接，第一丝杠的上下两端分别与上支撑板和下支撑板转动连接，所述第一步进电机的输出轴与第一丝杠的下端固定连接。

所述相机固定板水平位于上支撑板的上方，相机固定板与升降板之间设有四根支撑柱，所述四根支撑柱分别位于靠近升降板四角的位置，支撑柱的上下两端分别与相机固定板和升降板固定连接，所述双目相机设置在相机固定板上。

通过设置驱动箱和相机升降结构，驱动箱内的第一步进电机带动第一丝杠转动，从而使升降板沿第一连接柱上下移动，相机固定板与升降板之间通过支撑柱固定连接，使相机固定板随升降板上下移动，从而使双目相机的拍摄高度可调节，当移动机器人需要对物体进行拍摄完成地图三维建模时，双目相机可以上下移动，从而获得完整的物体图像，使地图的三维构建更加准确可靠。

作为优选，所述相机固定板上设有双目视觉精密调整支架，所述双目相机安装设置在双目视觉精密调整支架上。所述双目视觉精密调整支架为现有技术。

双目相机安装在双目视觉精密调整支架上，方便调整双目相机在相机固定板上的位置，同时可以根据拍摄需求对双目相机的间距进行调整和定位，增强了双目相机的灵活性，提升了该移动机器人的实用性。

作为优选，包括雷达升降结构，所述雷达升降结构包括雷达固定板和第二丝杠。

所述上支撑板与下支撑板之间竖直设有两根第二连接柱，所述两个第二连接柱位于第一连接柱的前侧，两个第二连接柱分别位于靠近上支撑板左右两端的位置，第二连接柱的上下两端分别与上支撑板和下支撑板固定连接。

所述雷达固定板水平位于上支撑板与下支撑板之间，且雷达固定板位于升降板的前侧，所述第二连接柱穿过雷达固定板，雷达固定板与第二连接柱滑动配合。

所述第二丝杠竖直位于上支撑板与下支撑板之间，第二丝杠位于第一丝杠前侧，第二丝杠穿过雷达固定板，雷达固定板与第二丝杠螺纹连接，第二丝杠的上下两端分别与上支撑板和下支撑板转动连接。

所述驱动箱内设有竖直向上的第二步进电机，所述第二步进电机的输出轴与第二丝杠的下端固定连接；所述激光雷达固定设置在雷达固定板上。

通过设置雷达升降结构，驱动箱内的第二步进电机带动第二丝杠转动，使雷达固定板沿第二连接柱上下移动，使激光雷达随雷达固定板上下移动，从而使激光雷达的测量范围可调节，当移动机器人需要对物体进行拍摄完成地图三维建模时，双目相机可以上下移动，从而获得完整的物体图像，激光雷达上下移动调整测量范围，测得移动机器人与物体的距离，配合双目相机的数据，使地图的三维构建更加准确可靠。

作为优选，所述滚轮为麦克纳姆轮。通过选用麦克纳姆轮来作为移动机器人的移动方式，麦克纳姆轮结构紧凑，运动灵活，4个麦克纳姆轮进行组合，使移动机器人可以实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式，从而使移动机器人的灵活性大大增加，可以适用于狭窄环境。

作为优选，所述移动平台内的运动传感器为九轴陀螺仪。通过选用九轴陀螺仪来作为移动平台内的运动传感器，九轴陀螺仪的组件为：三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁强计，可以同时测定6个方向的位置，移动轨迹和加速度，使移动机器人的移动更加准确。

作为优选，所述位于右侧的两根支撑柱之间交叉设有两根稳定杆，所述位于左侧的两根支撑柱之间也交叉设有两根稳定杆，所述每根稳定杆的两端分别与对应两根支撑柱固定连接。

通过设置稳定杆，使升降板对相机固定板的支撑更加稳定可靠，避免因双目相机位置过高，移动机器人在快速移动时，支撑柱发生扭曲变形导致双目相机掉落损坏的问题。

相对于现有技术，本发明至少具有如下优点：

1.本发明通过加装双目相机，可使用双目相机拍摄立体视觉图像来实现地图的三维构建，同时使用双目相机可以方便对物体进行识别，激光雷达与双目相机组合，使移动机器人具有较高的环境感知能力，从而准确构建三维地图，环境适应性强，不需要提前布置室内场景和设置人工路标点。

2.本发明通过设置驱动箱和相机升降结构，驱动箱内的第一步进电机带动第一丝杠转动，从而使升降板沿第一连接柱上下移动，相机固定板与升降板之间通过支撑柱固定连接，使相机固定板随升降板上下移动，从而使双目相机的拍摄高度可调节，当移动机器人需要对物体进行拍摄完成地图三维建模时，双目相机可以上下移动，从而获得完整的物体图像，使地图的三维构建更加准确可靠。

3.本发明通过设置雷达升降结构，驱动箱内的第二步进电机带动第二丝杠转动，使雷达固定板沿第二连接柱上下移动，使激光雷达随雷达固定板上下移动，从而使激光雷达的测量范围可调节，当移动机器人需要对物体进行拍摄完成地图三维建模时，双目相机可以上下移动，从而获得完整的物体图像，激光雷达上下移动调整测量范围，测得移动机器人与物体的距离，配合双目相机的数据，使地图的三维构建更加准确可靠。

4.本发明通过选用麦克纳姆轮来作为移动机器人的移动方式，麦克纳姆轮结构紧凑，运动灵活，4个麦克纳姆轮进行组合，使移动机器人可以实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式，从而使移动机器人的灵活性大大增加，可以适用于狭窄环境；通过选用九轴陀螺仪来作为移动平台内的运动传感器，九轴陀螺仪的组件为：三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁强计，可以同时测定6个方向的位置，移动轨迹和加速度，使移动机器人的移动更加准确。

附图说明

图1为本发明的整体结构的主视图。

图2为本发明的整体结构的左视图。

图3为本发明的整体结构的立体图。

图中，1-双目相机，2-双目视觉精密调整支架，3-相机固定板，4-升降板，5-下支撑板，6-驱动箱，7-移动平台，8-麦克纳姆轮，9-第一连接柱，10-支撑柱，11-雷达固定板，12-激光雷达，13-第二丝杠，14-上支撑板，15-第一步进电机，16-第一丝杠，17-第二连接柱，18-稳定杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

为了方便描述，本发明撰写中引入了以下描述概念：

本发明中‘前’、‘后’、‘左’、‘右’、‘上’、‘下’均指在图1中的方位，其中‘前’是指在图1中相对于纸面朝外，‘后’是指在图1中相对于纸面朝里。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1-3，本发明提供的一种实施例：基于双目视觉的移动机器人，包括移动平台7和激光雷达12，所述移动平台7的底部设有多个滚轮8，所述滚轮8由移动平台7内的滚轮电机驱动，所述移动平台7内设有运动传感器，所述激光雷达12设置在移动平台7上，还包括双目相机1。

所述双目相机1设置在移动平台7上，且双目相机1位于激光雷达12上方，双目相机1和激光雷达12均朝前设置。

进一步地，基于双目视觉的移动机器人还包括驱动箱6和相机升降结构；所述驱动箱6固定设置在移动平台7的上侧面，驱动箱6内设有竖直向上的第一步进电机15。

所述相机升降结构包括下支撑板5、上支撑板14、升降板4、第一丝杠16和相机固定板3。

所述下支撑板5固定设置在驱动箱6的上侧面，所述上支撑板14水平位于下支撑板5的上方，所述上支撑板14与下支撑板5之间竖直设有四根第一连接柱9，所述四根第一连接柱9分别位于上支撑板14靠近四角的位置，第一连接柱9的上下两端分别与上支撑板14和下支撑板5固定连接。

所述升降板4水平位于上支撑板14与下支撑板5之间，所述四根连接柱9均穿过升降板4，升降板4与连接柱9滑动配合。

具体实施时，通过减轻上支撑板14和升降板4的重量来增强相机升降结构的稳定性，同时降低移动机器人的负载，增强移动机器人的移动灵活性，具体为：上支撑板14和升降板4的板面呈蜘蛛状，即上支撑板14和升降板4板面的中间区域仅保留与丝杠的连接处，四角与连接柱或支撑柱有连接关系的区域保留较窄板面与中间区域连接。

所述第一丝杠16竖直位于上支撑板14与下支撑板5之间，第一丝杠16穿过升降板4，升降板4与第一丝杠16螺纹连接，第一丝杠16的上下两端分别与上支撑板14和下支撑板5转动连接，所述第一步进电机15的输出轴与第一丝杠16的下端固定连接。

具体实施时，为了保证第一丝杠16工作时的稳定性，第一丝杠16的上下两端均设有丝杠支撑座，第一丝杠16的上下两端通过丝杠支撑座分别与上支撑板14和下支撑板5转动连接。

所述相机固定板3水平位于上支撑板14的上方，相机固定板3与升降板4之间设有四根支撑柱10，所述四根支撑柱10分别位于靠近升降板4四角的位置，支撑柱10的上下两端分别与相机固定板3和升降板4固定连接；所述双目相机1设置在相机固定板3上

进一步地，所述相机固定板3上设有双目视觉精密调整支架2，所述双目相机1安装设置在双目视觉精密调整支架2上。

进一步地，基于双目视觉的移动机器人还包括雷达升降结构，所述雷达升降结构包括雷达固定板11和第二丝杠13。

所述上支撑板14与下支撑板5之间竖直设有两根第二连接柱17，所述两个第二连接柱17位于第一连接柱9的前侧，两个第二连接柱17分别位于靠近上支撑板14左右两端的位置，第二连接柱17的上下两端分别与上支撑板14和下支撑板5固定连接。

所述雷达固定板11水平位于上支撑板14与下支撑板5之间，且雷达固定板11位于升降板4的前侧，所述第二连接柱17穿过雷达固定板11，雷达固定板11与第二连接柱17滑动配合。

具体实施时，通过减轻雷达固定板11的重量来增强相机升降结构的稳定性，同时降低移动机器人的负载，增强移动机器人的移动灵活性，具体为：雷达固定板11呈菱形板结构，雷达固定板11左右两侧靠近角的位置与第二连接柱17滑动配合，雷达固定板11中间靠后的位置与第二丝杠13螺纹连接，同时搭配升降板4的特殊板面结构，可以有效避免升降板4与雷达固定板11上下移动时发生干涉。

所述第二丝杠13竖直位于上支撑板14与下支撑板5之间，第二丝杠13位于第一丝杠16前侧，第二丝杠13穿过雷达固定板11，雷达固定板11与第二丝杠13螺纹连接，第二丝杠13的上下两端分别与上支撑板14和下支撑板5转动连接。

具体实施时，为了保证第二丝杠13工作时的稳定性，第二丝杠13的上下两端均设有丝杠支撑座，第二丝杠13的上下两端通过丝杠支撑座分别与上支撑板14和下支撑板5转动连接。

所述驱动箱6内设有竖直向上的第二步进电机，所述第二步进电机的输出轴与第二丝杠13的下端固定连接；所述激光雷达12固定设置在雷达固定板11上

进一步地，所述滚轮8为麦克纳姆轮。具体实施时，麦克纳姆轮为四个，4个麦克纳姆轮进行组合，使移动机器人可以实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式，从而使移动机器人的灵活性大大增加，可以适用于狭窄环境。

进一步地，所述移动平台7内的运动传感器为九轴陀螺仪。

进一步地，所述位于右侧的两根支撑柱10之间交叉设有两根稳定杆18，所述位于左侧的两根支撑柱10之间也交叉设有两根稳定杆18，所述每根稳定杆18的两端分别与对应两根支撑柱10固定连接。

本发明限定的基于双目视觉的移动机器人的工作原理如下：

本发明提出的移动机器人基于九轴陀螺仪来实现运动方向、移动轨迹、加速度的监测与控制，基于双目视觉和激光雷达12来实现较强的环境感知能力，激光雷达12可以准确测得移动机器人与物体的距离，双目相机1可以实时拍摄移动机器人所处的环境图像，根据激光雷达12测得的距离和双目相机1拍摄的图像，可以准确完成所处环境地图的三维构建，同时移动机器人还可以根据双目相机1拍摄的图像，对物体进行准确识别，该移动机器人可以为运输机器人、快递机器人等新型服务型机器人提供实现基础。

双目相机高度调整：由于升降板4与第一丝杠16螺纹连接，且升降板4与四根第一连接柱9滑动配合，升降板4无法做旋转运动，所以当第一步进电机15转动时，第一步进电机15带动第一丝杠16转动，从而使升降板4沿竖直方向上下移动，由于相机固定板3与升降板4之间通过支撑柱10固定连接，升降板4为相机固定板3提供支撑力，当升降板4上下移动时，相机固定盖板3也随之上下移动，从而实现对双目相机1高度的调节。

双目相机水平调整：双目相机1安装设置在双目视觉精密调整支架2上，该双目视觉精密调整支架2可以实现对双目相机1水平位置的调整，以及双目相机1间距的调整。

激光雷达高度调整：由于雷达固定板11与第二丝杠13螺纹连接，且雷达固定板11与两根第二连接柱17滑动配合，雷达固定板11无法做旋转运动，所以当第二步进电机转动时，第二步进电机带动第二丝杠13转动，雷达固定板11沿竖直方向上下移动，从而实现激光雷达12高度的调整。

通过三种调整功能，使移动机器人的感知能力大大提升，不容易受环境限制，能够运用在日常生活中，例如运输机器人、快递机器人等新型服务型机器人提供实现基础。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。