专利名称：一种基于多传感器信息融合的山地农业机器人避障系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于山地农业机器人的避障系统，尤其涉及一种基于多传感器信息融合进行自主避障的山地农业机器人避障系统，属于机器人避障技术领域。
背景技术：
山地农业机器人主要工作于丘陵地区，为了提高工作效率，自主导航成为山地农业机器人发展的必然趋势，而自主避障是山地农业机器人自主导航的一个重要内容。目前应用较多的是利用视觉避障和超声波避障。利用视觉传感器进行避障，可以得到具体的障碍物信息，从而达到精确避障的目的，但视觉避障算法复杂，图像处理计算量大，不能满足实时性要求，并且当障碍物不在视野之内或光线很暗时，视觉避障活动受到限制。利用超声波传感器进行避障，速度快，不易受到天气条件和环境光照等外部条件的影响，但不能得到障碍物的具体信息，并且仅利用超声波传感器避障还存在测量盲区，容易发生事故。近年来利用多传感器信息融合技术进行避障已发展成为一个热门的科研领域，采用多传感器信息融合技术可以提高系统的可靠性和鲁棒性，扩展时间上和空间上的观测范围，增强数据的可信任度和系统的分辨能力，并且采用多传感器信息融合技术可以充分利用有限的传感器资源，既降低成本，又能提高山地农业机器人的性能，满足实际应用的需要。因此，本发明提出了一种能够满足自主避障实时性和精确性要求的基于多传感器信息融合的山地农业机器人避障系统。
发明内容
为了克服单个传感器获取信息片面、避障精度不足、实时性差等缺点，本发明提供了一种基于多传感器信息融合的山地农业机器人避障系统，可以获取障碍物的具体信息，并且满足实时性和精确性的要求。本发明的技术方案为一种基于多传感器信息融合的山地农业机器人避障系统，包括放置在山地农业机器人上方的视觉传感器模块(I)、放置在山地农业机器人正前方和左右两侧的超声波传感器模块(2)和红外传感器模块(3)、数据融合模块(4)和控制模块。视觉传感器模块包括I个CXD摄像头、I个视频解码器、I个DSP图像处理器、外部存储器SDRAM、EEPROM、FLASH和外围电路；FLASH用来存储程序代码和启动代码，SDRAM为程序、数据存储器，EEPROM用于存储各种配置信息；在山地农业机器人行走时，CXD摄像机用于实时采集山地农业机器人前方道路的图像信息，并将其传输给视频解码器，视频解码器解码后将信息通过高速缓存区后传输给DSP图像处理器，DSP图像处理器处理后得到障碍物的图像信息，然后将障碍物图像信息传输给数据融合模块。超声波传感器模块包括9个超声波传感器、I个温度传感器、I个DSP信号处理器和外围电路，9个超声波传感器分为3组，每组3个，分别等距放置在山地农业机器人的正前方和左右两侧，来探测前方和左右两侧30cm 800cm的障碍物距离信息，DSP信号处理器接收9个超声波传感器采集的信号，并结合温度传感器采集的环境温度，将采集的信号转换成距离数据，然后将距离数据传输给数据融合模块。红外传感器模块包括9个红外传感器、I个DSP信号处理器和外围电路,9个红外传感器分为3组，每组3个，分别等距放置在山地农业机器人的正前方和左右两侧，来探测前方和左右两侧3cm 60cm距离是否有障碍物，DSP信号处理器接收9个红外传感器采集的信号，并将采集的信号处理之后传输给数据融合模块，红外传感器探测距离比较短，可以弥补超声波传感器存在测距盲区的缺陷。数据融合模块包括I个DSP信号处理器和外围电路，DSP信号处理器接收由视觉传感器模块、超声波传感器模块和红外传感器模块传输来的障碍物信息，按特定的融合规则进行数据融合，并将融合后的信息传输给控制模块进行行为决策和控制。控制模块包括ARM处理器、控制电路和执行器，ARM处理器接收由数据融合模块融合后的信息，然后根据特定的判断规则进行行为决策和控制，通过控制执行器使山地农业机器人执行相应的前进、后退、左右转向或制动动作，从而实现避障。综上所述，本发明提供的基于多传感器信息融合山地农业机器人的避障系统可以实现在行走中的自主避障。采用视觉传感器可以得到大量的周围环境信息，了解障碍物的具体图像信息，提高避障的精确性；采用超声波传感器和红外传感器相结合的测距方式可以快速测得障碍物的距离信息，提高实时性，并且可以避免单一传感器存在测量盲区的缺陷，提高避障的准确性和安全性，而且数据采集模块和数据融合模块都采用单独的DSP信号处理器，通过多DSP处理器对多传感器信息进行并行处理，提高了数据采集和处理的速度，满足避障系统实时性和高效性的要求。
下面结合附图进一步说明本发明。图1是本发明的总体结构框图。图2是本发明的视觉传感器模块结构框图。图3是本发明的超声波传感器模块结构框图。图4是本发明的红外传感器模块结构框图。图5是本发明的数据融合过程流程图。图6是本发明的控制模块结构框图。图中I为视觉传感器模块，2为超声波传感器模块，3为红外传感器模块，4为数据融合模块，5为控制模块。
具体实施例方式图1是本发明的总体结构框图。视觉传感器、超声波传感器和红外传感器通过各自相应的DSP高速处理器采集并处理周围环境障碍物信息，处理完障碍物信息之后，数据融合模块的DSP信号处理器(TMS320F2812芯片)接收数据，接收完全部数据之后，该DSP信号处理器按特定的融合规则对接收的数据进行融合，然后将融合数据传输给控制模块的ARM处理器(S3C2410)，该ARM处理器(S3C2410)进行行为决策和控制，然后通过控制执行器使山地农业机器人执行相应的前进、后退、左右转向或制动动作，完成实时的避障。
图2是本发明的视觉传感器模块结构框图。该结构包括I个CCD摄像头、I个视频解码器、SDRAM、FLASH、EEPROM、I个DSP图像处理器(TMS320DM642芯片)，FLASH用来存储程序代码和启动代码，SDRAM为程序、数据存储器，EEPROM用于存储各种配置信息和外围电路。C⑶摄像头放置于山地农业机器人的正上方，实时采集道路图像信息，然后传输给视频解码器进行解码，解码后的信息经过高速缓存区后传输给该DSP图像处理器进行处理，处理后得到障碍物的图像信息，之后将障碍物图像信息传输给数据融合模块的DSP信号处理器。图3是本发明的超声波传感器模块结构框图。该结构包括9个超声波传感器、I个温度传感器、I个DSP信号处理器(TMS320F2812芯片)和外围电路。INITl至INIT9是用来控制超声波脉冲发射的控制信号，ECHOl至ECH09是超声波传感器接收到回波脉冲信号的反馈信号。超声波传感器的9个反馈信号ECHOl至ECH09通过逻辑“与”形成该DSP处理器的一个外部中断输入信号XINT，它们中的任何一个或几个检测到信号都触发中断信号XINT，之后该DSP处理器进入中断程序，通过数据总线将传感器反射信号传输给该DSP处理器进行处理，温度传感器采集的环境温度信息经过A/D转换后也传输给该DSP处理器，结合环境温度信息，通过计算从发送脉冲信号到接受到回波脉冲信号的时间计算出障碍物的距离信息，然后触发数据融合模块DSP信号处理器的中断信号，向其传输该距离信息。图4是本发明的红外传感器模块结构框图。该结构包括9个红外传感器、I个DSP信号处理器(TMS320F2812芯片)和外围电路。红外传感器是根据反射回来的红外线强度是否超过某一阈值来确定传感器前方是否存在障碍物，其输出信号为开关信号。启动红外传感器，ECHOl至ECH09通过逻辑“与”形成DSP的外部中断信号XINT，它们中的任何一个或几个检测到信号都触发中断信号，因为红外传感器采用5V供电电压，而DSP采用3. 3V供电电压，所以先进行电压转换，之后启动DSP进入中断程序，通过数据总线将传感器反射信号传输给该DSP处理器进行相应处理，然后触发数据融合模块DSP信号处理器的中断信号，向其传输处理后的红外传感器信号。图5是本发明的数据融合过程流程图。该流程步骤如下I)系统上电启动，对系统进行初始化；2)等待定时器中断I ;3)判断是否接收完数据，如果已经接收完，则对接收的全部数据进行数据融合，融合后的数据传输给ARM处理器进行行为决策和控制，然后返回定时器中断I ;4)如果判断没有接收完数据，则判断是否接收红外传感器数据，如果是则产生中断2接收红外数据，然后返回定时器中断I ;如果不是则继续判断是否接收超声波传感器数据，如果是则产生中断2接收超声波数据，然后返回定时器中断I ;如果不是则产生中断信号2接收视觉传感器数据，然后返回定时器中断I ;5)重复 2、3、4 步骤。图6是本发明的控制模块结构框图。该结构包括ARM处理器(S3C2410)、控制电路和执行器。ARM处理器(S3C2410)接收并处理通过数据融合模块融合后的数据，按特定的判断规则对山地农业机器人进行行为决策和控制，通过控制左右执行器使山地农业机器人执行相应的前进、后退、左右转或制动动作，从而完成避障。根据上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更和修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于多传感器信息融合的山地农业机器人避障系统，其特征在于该系统包括视觉传感器模块(I)、超声波传感器模块(2)、红外传感器模块(3)、数据融合模块(4)和控制模块(5);视觉传感器模块(I)为山地农业机器人进行避障提供障碍物的图像信息；超声波传感器模块(2)和红外传感器模块(3)为山地农业机器人进行避障提供障碍物的距离信息；数据融合模块(4)接收各个传感器模块传输来的障碍物信息进行数据融合，将数据按特定规则融合后传输给控制模块进行行为决策和控制；控制模块(5)通过控制执行器使山地农业机器人执行前进、后退、左右转向或制动动作，从而实现避障； 所述的视觉传感器模块包括I个CXD摄像机、I个视频解码器、I个DSP图像处理器、外部存储器SDRAM、EEPROM、FLASH和外围电路，FLASH用来存储程序代码和启动代码，SDRAM 为程序、数据存储器，EEPROM用于存储各种配置信息，CCD摄像机用于实时采集山地农业机器人前方道路的图像信息，并将其传输给视频解码器，视频解码器解码后将信息通过高速缓存区后传输给DSP图像处理器，DSP图像处理器处理后得到障碍物的图像信息，然后将障碍物图像信息传输给数据融合模块；所述的超声波传感器模块包括9个超声波传感器、I个温度传感器、I个DSP信号处理器和外围电路，9个超声波传感器分为三组，每组3个，分别等距放置在山地农业机器人正前方和左右两侧，来探测前方和左右两侧30 800cm的障碍物距离信息，DSP信号处理器接收9个超声波传感器采集的信号，并结合温度传感器采集的环境温度，将采集的信号转换成距离数据，然后将距离数据传输给数据融合模块；所述的红外传感器模块包括9个红外传感器、I个DSP信号处理器和外围电路,9个红外传感器分为三组，每组3个，分别等距放置在山地农业机器人的正前方和左右两侧，来探测前方和左右两侧3 60cm距离是否有障碍物，DSP信号处理器接收9个红外传感器采集的信号，并将采集的信号处理之后传输给数据融合模块，红外传感器探测距离比较短，可以弥补超声波传感器存在测距盲区的缺陷；所述的数据融合模块包括I个DSP信号处理器和外围电路，DSP信号处理器接收由视觉传感器模块、超声波传感器模块和红外传感器模块传输来的信息，按特定的融合规则进行数据融合，并将融合后的信息传输给控制模块进行行为决策和控制；所述的控制模块包括ARM处理器、控制电路和执行器，ARM处理器接收由数据融合模块传输来的信息，然后根据特定的判断规则进行行为决策和控制，通过控制执行器使山地农业机器人执行相应的前进、后退、左右转向或制动动作，从而实现避障。
全文摘要
本发明公开了一种基于多传感器信息融合的山地农业机器人避障系统，主要包括视觉传感器模块、超声波传感器模块、红外传感器模块、数据融合模块和控制模块。各传感器模块的DSP处理器将各自采集的周围环境障碍物信息进行处理；数据融合模块的DSP处理器接收各个传感器模块处理后的障碍物信息并按特定的融合规则对其进行融合，融合后的数据传输给控制模块的ARM处理器；该ARM处理器进行行为决策和控制，通过控制执行器完成山地农业机器人避障。本系统通过应用多DSP处理器对多传感器信息进行并行处理，提高了数据处理速度，满足了避障实时性和精确性的要求，使该机器人避障更加灵活可靠。
文档编号G05D1/02GK103019245SQ20131000373
公开日2013年4月3日 申请日期2013年1月7日 优先权日2013年1月7日
发明者杨福增, 王涛, 王元杰, 蒲应俊, 刘虹玉, 张梦芸, 周渝 申请人:西北农林科技大学