救援机器人数据采集系统的实现

救援机器人数据采集系统的实现 4 1 引言 数据采集系统不仅为实现救援机器人运动控制系统的闭环控制 提供必不可少的输入 而且是机器人完成救援任务的根本需求 机 器人在执行任务时需要携带多种传感器 如加速度传感器 生命探 测传感器 摄像头等 本章介绍机器人的数据采集系统 给出数据 采集的工作原理及硬件实现过程 4 2 数据采集系统的主要功能和组成结构 数据采集系统主要包括三个部分 图像采集和传输部分 无线遥控 部分 A D 数据采集部分 图像采集和传输部分 通过摄像头获取 机器人周围的地理位置 环境状态 通过微波图像发射机将图像发 送给监控站的微波图像接收机 经过监控计算机的图像采集卡处 理后输出图像 将模拟信号转换为数字信号传递给上位机 根据这 些信号上位机做出判 断和决策 无线遥控部分 包括两个部分的功能 一是将地面监控 PC 机发出的控制信号传输给机器人上的 PC104 计算机 再由 PC104 计算机发出控制指令 二是将机器人的相关状态数据发送回 监控 PC 机 该部分所传输的数据量不大 A D 数据采集部分 通 过数据采集卡对各种模拟信号进行采集 经 AD 转换后传输给 PC104 计算机 考虑到机器人在废墟里运动的特殊环境 崎岖不平 的路面 随时可能发生的塌陷 因此在机器人上安装加速度传感器 显得尤为重要 加速度传感器安装在机器人的面上 每一个面安装 一个传感器 可以测量出机器人各个面的姿态和角度 通过这些姿 态和角度进行实时的调整 是机器人进行最合理最有效的运动 数 据采集卡为生命探测传感器预留了接口 生命探测传感器是机器人 在执行任务时必须携带的传感器 使搜救工作变得简单易行 在分 秒必争的营救工作中 生命探测传感器可以帮助搜救人员迅速准确 安全地发现仍然存活的遇险者 从而为营救工作争取到宝贵的时间 数据采集系统组成框图如图 4 1 所示 微波总线 RS485 图像采集和传输部分 RS232 RS232无线遥控部分 RS485 A D 数据采集部分 图 4 1 数据采集系统组成框图 4 3 图像采集和传输 4 3 1 智能云台摄像机 云台是承载摄像机进行水平和垂直两个方向转动的装置 把摄像机 装云台上能使摄像机从多个角度进行摄像 云台内装两个电动机 车载云台控制系统 PC104 嵌入式计算机 图像发 射 装 置 图像接收装置 图像采集卡 无线数传模 块 无线数传模块 数据采集卡加速度传感器 生命探测传感器 地面 控制 PC 机 这两个电动机一个负责水平方向的转动 另一个负责垂直方向的转 动 水平转动的角度一般为 350 度 垂直转动则有 45 度 35 度 75 度等等 水平及垂直转动的角度大小可通过限位开关进行调整 云台摄像机采集模拟图像 由图像发射装置通过微波传输到监控中 心的图像接收装置 再由图像采集卡将模拟信号处理成数字通过监 控计算机显示出来 而当地面监控计算机为了获取某一角度的图像 信息 需要在线调整云台转动 云台摄像机内置云台解码器 支持 RS485 总线的控制命令传输方式 PC104 嵌入式计算机通过扩展的 RS232 转 485 接口与内置解码器连接 控制云台旋转 它具有以下 特点 1 内置日立 DSP 芯片 高清晰 SONY CCD 摄像机 像素 250K 长度要 尽量一致 保证信号同时到达 相邻信号线间隔应该大于 10mil 相 邻电源和地平面层距离应该小于 5mil 加宽电源线 接地线 约三 倍于普通信号线 4 布线角度方面布线时不能 90 度拐弯 尽量使用直线 当需要 90 度拐弯时 使用两个 135 度折线 以减小高频信号对外的发射 防 止信号的干扰 相邻两层的印制导线宜相互垂直 斜交或弯曲走线 力求避免相互平行走线以防串扰 5 焊盘方面焊盘方向一致 减少桥连 直径约比孔宽 4mm 以上 有直插件时约宽过 5mm 6 元件放置体积较大的元件 核心元件摆放在中央位置 周围摆 放电路 功率大的元件要放在散热好的位置 热敏元件要远离发热 元件 三维图象的形成三维图象的形成 当以一个线光源照射景物时 光源发出的光在空间形成了一个 光平面 这一光平原与景物相交时 在景物上形成了一条亮线 这 条亮线投影到图像上就成为一个平面光条 任何图像点都对应一条 空间直线 当已知光平面的空间方程时 空间直线与空间光平面的 交点即为该图像点所对应的空间点 当光源发出的光是整个彩色光 谱所组成的一组光谱时 其中每一条谱线都对应一个空间光平面 由于谱线的连续性 使得图像上的每个光普照设点与一条特定 的谱线相对应 这样 对于图像中的任意像素 p u v 它所在的 空间颜色面与摄像机模型所确定的空间实现的交点 即为该像点所 对应的空间三维坐标 p x y z 标定出像机的参数和彩色光谱 中各谱线所对应的空间颜色面的空间方程后 通过颜色分类把待测 景物的连续光谱图像中不同的颜色分割开 然后根据标定结果对图 像中的所有像素构造线性方程组 求解线性方程组得到所有点的空 间三维坐标 并以此恢复景物的三维形状 其软件框图如图 4 10 所 示 开 始 读 取 标 定 结 果 获 取 图 象 颜 色 分 析 三 维 坐 标 计 算 结 束 结束 N Y 图 4 7 软件框图 彩色 CCD 摄像机摄取的图像 是以 RGB 坐标系表示颜色 而 RGB 坐标系并不能直接表示彩色感觉 必须经过变换 把他变到另 外一种可以直接表示彩色感觉的色度坐标系当中 这需要两个步骤 首先把亮度和彩度分离 得到一维的亮度子空间和二维的彩度子空 间 然后再把彩度分解成色调和饱和度两个量 其中色调 H 表示彩 色彼此相互区分的性质 如红 橙 黄 绿 青 蓝 紫这些颜色 的不同 就表现为色度的不同 饱和度 S 表示彩色的纯洁度 而 亮度 Y 则表示彩色的明亮程度 我们选择 Y I Q 坐标系作为变换坐标系 其变换关系为 211 0 596 0 299 0 Q I Y 523 0 274 0 587 0 312 0 322 0 144 0 B G R H arctan Q I S 4 3 22 QI 在颜色分解过程中以色调作为颜色分类的主要依据 采用聚类 的方式实现颜色分割 用于标定的图像的颜色分类没有任何限制 但需要对分类的结果做直线拟合 最后给出颜色类的在图像平面上 的直线方程 用于三维计算的图像的颜色分类则要求所分得的各类 必须是经过标定的颜色类 否则 需要以最小误差准则将其归于某 一标定的颜色类 该方法的标定技术包括像机标定和颜色面的标定两部分 由于 我们采用空间 视线 与空间光面的交点来计算三维坐标 待标定 参数即为摄像机的参数和各谱线所对应的空间颜色面的空间方程 这里 着重介绍颜色面的标定 直线光源可以在空间形成一个光平面 连续光谱中 每一条垂 直的谱线都对应于空间的一个光平面 如图 4 12 所示 颜色面 Ci 空间直线 Lia 空间直线 Lib S Za Zb 图 4 8 颜色面标定原理 设该连续光谱中共包括 n 条谱线其波长分别为 Ki 1 i n 对应 于 n 个空间颜色面 Ci 1 我们用两个平行的空间平面 Za 和 Zb 截这些平面 得到两组空间直线 设截颜色面 Ci 所得的两条 空间直线分别为 Lia 和 Lib 则这两条空间直线必然在颜色面 Ci 上 由两直线的空间方程可以求得颜色面 Ci 的空间方程 具体的实现过 程为 在与 Z 轴垂直的方向上放置一个可以沿着 Z 轴移动的白色平 面 用连续光谱照射这个平面 在两个不同的位置 Za 和 Zb 上用彩 色 CCD 摄像机分别取两幅图像 通过颜色分解分别求出