本發明涉及機器人及控制領域，尤其涉及一種基于三自由度視覺平臺的移動機器人及其控制方法。

背景技術：

隨著科學技術的進步，移動機器人在工業、軍事等領域的應用越來越廣泛。在很多情況下，移動機器人的作業空間的信息是復雜未知的。移動機器人想要實現自主導航，首先要求能夠對未知的作業環境能進行詳細地探測，掌握周圍環境信息，然后根據作業環境周圍圖像信息進行規劃路徑、自動避障和導航。視覺系統是移動機器人關鍵的組成部分，并且發揮著不可替代的作用。

如今移動機器人視覺系統結構化單一，通常在移動機器人外部放置多個視覺傳感器去獲取周圍環境信息，或者采用全景攝像頭等單個視覺傳感器獲取局部信息。同時現有移動機器人缺乏監測自身安全狀況的視覺設備，不能夠定期自動監測移動機器人外觀結構的安全狀況。除此之外，現有移動機器人控制方法落后，不能將移動機器人形狀模型動態化，實時與障礙物信息進行匹配。不能充分利用移動機器人視覺平臺與機器人執行任務、路徑規劃、自動避障相結合。

為此，設計含三自由度視覺平臺的移動機器人及其控制方法，移動機器人包含三自由度視覺平臺、移動機器人主體、激光雷達、arduino板、工控機、慣性測量單元imu。所述三自由度視覺平臺包含伸縮、旋轉、俯仰三個自由度，只包含一個rgb-d相機。移動機器人通過調整三自由度視覺平臺結構來觀測所處周圍立體空間環境狀況，構建三維環境地圖同時對移動機器人進行精確定位。根據初始化障礙物模型，識別障礙物信息，同時根據程序設置定期監測移動機器人安全狀況。在路徑規劃過程中，當遇到特殊障礙物可以通過調整移動機器人視覺平臺結構，達到自動避障和調整移動機器人重心的目的。

技術實現要素：

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種基于三自由度視覺平臺的移動機器人及其控制方法，移動機器人能夠通過三自由度視覺平臺觀測移動機器人所處立體空間和識別特殊目標，同時可定期監測移動機器人主體狀況。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種基于三自由度視覺平臺的移動機器人，包括三自由度視覺平臺、移動機器人主體、激光雷達、arduino板、工控機、慣性測量單元；其中：

所述三自由度視覺平臺置于機器人主體上，三自由度視覺平臺包括伸縮平臺、旋轉平臺、俯仰平臺，所述俯仰平臺上安裝有rgb-d相機，伸縮平臺、旋轉平臺、俯仰平臺分別用于rgb-d相機實現伸縮、旋轉、俯仰三個自由度；

所述移動機器人主體的底部設置有車輪；所述激光雷達固定于機器人主體前端，arduino板、工控機、慣性測量單元安裝于機器人主體上；

所述rgb-d相機、激光雷達、慣性測量單元均與工控機進行信息傳輸。

進一步的，所述伸縮平臺包括箱體、伸縮電機、二級斜齒輪減速器、一級套筒、二級套筒、絲杠；所述箱體安裝于底座上，底座固定在機器人主體的上表面；二級斜齒輪減速器設置于箱體內，且固定在底座上；所述一級套筒安裝在箱體上，二級套筒安裝在絲杠上，且二級套筒位于絲杠上方，二級套筒與絲杠均設置在一級套筒內，絲杠與所述二級斜齒輪減速器的輸出軸連接；所述伸縮電機的輸出端通過聯軸器與二級斜齒輪減速器的輸入軸相連，伸縮電機上安裝有第一編碼器。

進一步的，所述一級套筒的底部通過螺栓及螺母安裝在箱體上。

進一步的，所述螺母的中心線、絲杠的中心線、一級套筒與二級套筒的中心線相重合。

進一步的，所述旋轉平臺包括第一殼體、旋轉電機、旋轉云臺；所述第一殼體固定在二級套筒上端，第一殼體的內安裝有第一蝸輪蝸桿減速器，第一蝸輪蝸桿減速器的上方為輸出軸；旋轉云臺為平板狀，且固定在第一蝸輪蝸桿減速器的輸出軸上；所述旋轉電機的輸出端與所述第一蝸輪蝸桿減速器的輸入軸連接，旋轉電機固定在第一殼體上，旋轉電機上還安裝有第二編碼器。

進一步的，所述第一殼體的一個側面設置有一個臺階，旋轉電機放置在該臺階上，且與第一殼體的側面固定。

進一步的，所述俯仰平臺包括第二殼體、俯仰電機、俯仰云臺，所述第二殼體安裝在旋轉云臺上，俯仰電機固定在第二殼體的側面，并且俯仰電機的輸出端與設置在第二殼體內的第二蝸輪蝸桿減速器的輸入軸相連，第二蝸輪蝸桿減速器的輸出軸與俯仰云臺相連，俯仰云臺上固定有rgb-d相機；俯仰電機上還安裝有第三編碼器。

一種上述的基于三自由度視覺平臺的移動機器人的控制方法，包括以下步驟：

步驟一、將移動機器人主體的三維模型、移動機器人自身監測軌跡和已有訓練障礙物模型導入工控機程序作為初始化，同時建立移動機器人動態三維模型，移動機器人動態三維模型僅與伸縮電機、旋轉電機、俯仰電機三個電機的轉角變量相關；

步驟二、rgb-d相機采集的圖像信息傳輸至工控機，工控機對圖像進行處理識別障礙物位置坐標；同時利用pcl庫將圖像信息轉換成點云信息，在ros操作系統下通過slam算法實時構建移動機器人周圍環境的三維柵格地圖，同時計算出移動機器人實時位姿；

步驟三、激光雷達采集的環境信息以及慣性測量單元采集的位置信息傳輸至工控機；利用ros操作系統，將激光雷達采集的環境信息以及慣性測量單元采集的位置信息以及步驟二得到的移動機器人實時位姿進行校正，得到移動機器人的精準位姿；

步驟四、參照步驟一建立的移動機器人動態三維模型、步驟二實時構建的移動機器人周圍環境的三維柵格地圖、步驟三得到的移動機器人的精確位姿，根據執行任務利用全局改進人工勢場法和局部蟻群算法對路徑進行規劃；

步驟五、根據工控機設置內部程序，按照步驟一設置好的移動機器人自身監測軌跡，驅動三自由度視覺平臺伸縮電機、旋轉電機、俯仰電機，對移動機器人主體進行觀測；利用步驟二實時構建的移動機器人周圍環境的三維柵格地圖，與步驟一中的移動機器人主體的三維模型進行對比，監測移動機器人安全狀況。

進一步的，在步驟四的路徑規劃中，在ros操作系統下將移動機器人動態模型與障礙物位姿進行匹配，當遇到拱形障礙物時，計算出是否能夠通過調整三自由度視覺平臺結構使移動機器人在不改變路徑條件下通過。

進一步的，在步驟四的路徑規劃中，當遇到斜坡路面時，能夠根據當前環境驅動三自由度視覺平臺伸縮電機、旋轉電機、俯仰電機，改變移動機器人重心。

有益效果：本發明提供的基于三自由度視覺平臺的移動機器人及其控制方法，移動機器人通過調整三自由度視覺平臺結構能夠觀測移動機器人周圍立體空間環境，識別環境中的障礙物信息和移動機器人的精準定位，同時能夠定期監測移動機器人安全狀況。利用ros操作系統將rgb-d相機與其他傳感器數據相融合，實時構建三維環境地圖，同時建立移動機器人整體動態模型，實時與周圍環境相比配，根據現有路徑規劃方案做出包含三自由度視覺平臺結構調整在內的新的路徑規劃和自動避障方案。工控機能夠將相機與其他傳感器數據相融合，實時構建三維環境地圖，通過移動機器人動態模型與障礙物信息進行匹配，做出包含三自由度視覺平臺結構調整在內的新的路徑規劃和自動避障方案。將視覺平臺結構調整和路徑規劃、自動避障相結合，為研究復雜環境下移動機器人路徑規劃和避障提供非常有效果的實驗平臺。

附圖說明

圖1為本發明的移動機器人整體結構示意圖；

圖2為本發明的三自由度視覺平臺結構示意圖；

圖3為本發明的三自由度視覺平臺部分結構位置示意圖；

圖4為本發明的移動機器人控制框架示意圖。

圖中：1-三自由度視覺平臺，2-移動機器人主體，3-激光雷達，4-arduino板，5-工控機，6-慣性測量單元imu，7-伸縮電機，8-第一編碼器，9-聯軸器，10-二級斜齒輪減速器，11-箱體，12-底座，13-螺母，14-絲杠，15-一級套筒，16-二級套筒，17-第一殼體，18-旋轉電機，19-第二編碼器，20-第一蝸輪蝸桿減速器，21-旋轉云臺，22-第二殼體，23-俯仰電機，24-第三編碼器，25-第二蝸輪蝸桿減速器，26-俯仰云臺，27-rgb-d相機。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。

如圖1-4，一種基于三自由度視覺平臺的移動機器人，包括三自由度視覺平臺1、移動機器人主體2、激光雷達3、arduino板4、工控機5、慣性測量單元imu6；其中：

三自由度視覺平臺1置于機器人主體2上，三自由度視覺平臺1包括伸縮平臺、旋轉平臺、俯仰平臺，俯仰平臺上安裝有rgb-d相機27，伸縮平臺、旋轉平臺、俯仰平臺分別用于rgb-d相機27實現在伸縮、旋轉、俯仰三個自由度；

移動機器人主體2的底部設置有車輪；激光雷達3固定于機器人主體2前端，arduino板4、工控機5、慣性測量單元6安裝于機器人主體2上；激光雷達3用于采集環境信息，慣性測量單元6用于采集位置信息；

rgb-d相機27、激光雷達3、慣性測量單元6均與工控機5進行信息傳輸。

伸縮平臺包括箱體11、伸縮電機7、二級斜齒輪減速器10、一級套筒15、二級套筒16、絲杠14；箱體11安裝于底座12上，底座12固定在機器人主體2的上表面；二級斜齒輪減速器10設置于箱體11內，且固定在底座12上；一級套筒15安裝在箱體11上，二級套筒16安裝在絲杠14上，且二級套筒16位于絲杠14上方，二級套筒16與絲杠14均設置在一級套筒15內，絲杠14與二級斜齒輪減速器10的輸出軸連接；伸縮電機7的輸出端通過聯軸器9與二級斜齒輪減速器10的輸入軸相連，伸縮電機7上安裝有第一編碼器8。伸縮電機7驅動二級斜齒輪減速器10，并通過聯軸器9與絲杠14傳動，二級套筒16在絲杠14的帶動下，進行上下伸縮運動，實現伸縮自由度。

一級套筒15的底部通過螺栓及螺母13安裝在箱體11上。螺母13的中心線、絲杠的中心線14、一級套筒15與二級套筒16的中心線相重合。

旋轉平臺包括第一殼體17、旋轉電機18、旋轉云臺21；第一殼體17固定在二級套筒16上端，第一殼體17的內安裝有第一蝸輪蝸桿減速器20，第一蝸輪蝸桿減速器20的上方為輸出軸；旋轉云臺21為平板狀，且固定在第一蝸輪蝸桿減速器20的輸出軸上；旋轉電機18的輸出端與第一蝸輪蝸桿減速器20的輸入軸連接，旋轉電機18固定在第一殼體17上，旋轉電機18上還安裝有第二編碼器19。旋轉電機18驅動第一蝸輪蝸桿減速器20，旋轉云臺21在第一蝸輪蝸桿減速器20的帶動下，進行水平方向的旋轉運動，實現旋轉自由度。

第一殼體17的一個側面設置有一個臺階，旋轉電機18放置在該臺階上，且與第一殼體17的側面固定。

俯仰平臺包括第二殼體22、俯仰電機23、俯仰云臺26，第二殼體22安裝在旋轉云臺21上，俯仰電機23固定在第二殼體22的側面，并且俯仰電機23的輸出端與設置在第二殼體22內的第二蝸輪蝸桿減速器25的輸入軸相連，第二蝸輪蝸桿減速器25的輸出軸與俯仰云臺26相連，俯仰云臺26上固定有rgb-d相機27；俯仰電機23上還安裝有第三編碼器24。俯仰電機23驅動第二蝸輪蝸桿減速器25，俯仰云臺26在第二蝸輪蝸桿減速器25的帶動下，進行俯仰運動，實現俯仰自由度。

上述的基于三自由度視覺平臺的移動機器人的控制方法，包括以下步驟：

步驟一、將移動機器人主體2的三維模型、移動機器人自身監測軌跡和已有訓練障礙物模型導入工控機5程序作為初始化，同時建立移動機器人動態三維模型，移動機器人動態三維模型僅與伸縮電機7、旋轉電機18、俯仰電機23三個電機的轉角變量相關；

步驟二、rgb-d相機27采集的圖像信息傳輸至工控機5，工控機5對圖像進行處理識別障礙物位置坐標；同時利用pcl庫將圖像信息轉換成點云信息，在ros操作系統下通過slam算法實時構建移動機器人周圍環境的三維柵格地圖，同時計算出移動機器人實時位姿；

步驟三、激光雷達3采集的環境信息以及慣性測量單元6采集的位置信息傳輸至工控機5；利用ros操作系統，將激光雷達3采集的環境信息以及慣性測量單元6采集的位置信息以及步驟二得到的移動機器人實時位姿進行校正，得到移動機器人的精準位姿；

步驟四、參照步驟一建立的移動機器人動態三維模型、步驟二實時構建的移動機器人周圍環境的三維柵格地圖、步驟三得到的移動機器人的精確位姿，根據執行任務利用全局改進人工勢場法和局部蟻群算法對路徑進行規劃；

在步驟四的路徑規劃中，在ros操作系統下將移動機器人動態模型與障礙物位姿進行匹配，當遇到拱形障礙物時，計算出是否能夠通過調整三自由度視覺平臺結構使移動機器人在不改變路徑條件下通過；

在步驟四的路徑規劃中，當遇到斜坡路面時，能夠根據當前環境驅動三自由度視覺平臺伸縮電機7、旋轉電機18、俯仰電機23，改變移動機器人重心；

步驟五、根據工控機設置內部程序，按照設置好的按照步驟一設置好的移動機器人自身監測軌跡，驅動三自由度視覺平臺伸縮電機7、旋轉電機18、俯仰電機23，對移動機器人主體2進行觀測；利用步驟二實時構建的移動機器人周圍環境的三維柵格地圖，與步驟一中的移動機器人主體2三維模型進行對比，監測移動機器人安全狀況。

以上僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。