[发明专利]一种基于Kinect装置的两轮自平衡机器人控制方法

摘要

本发明公开了一种基于Kinect装置的两轮自平衡机器人控制方法，涉及机器人控制领域，具体应用在两轮自平衡机器人运动控制和人机交互系统。本发明利用Kinect与DTW手势识别算法设计了一种利用人类自然手势控制两轮自平衡机器人运动行为的系统。系统包括：图像采集模块，图像处理模块，无线通信模块，运动控制模块和运动执行模块。特别是在系统控制方法设计基础上使用Kinect传感器和DTW手势识别算法，实现人与两轮自平衡机器人的自然交互控制。本发明具有良好的鲁棒性和容错性。

主权项

基于Kinect装置的两轮自平衡机器人控制系统，其特征在于：系统包括：图像采集模块，图像处理模块，无线通信模块，运动控制模块和运动执行模块；所述图像采集模块包括Kinect的一个RGB摄影头，一对3D深度摄像头及一个转动马达,图像采集模块具备即时动态捕捉、影像传输和多人互动的功能；Kinect机身上的3个镜头中位于中间的是RGB彩色摄像头,一侧放置为红外线发射器镜头,另一侧放置为红外线CMOS摄像头；红外线发射器镜头和红外线CMOS摄像头构成了三维深度图像传感器；三维深度图像传感器用来获取操作者的动作,而RGB彩色摄像头则是用来辨别操作者的身份；位于Kinect底座的是一个马达,所述马达能上下转动，以便于扩大Kinect的视角范围；所述图像处理模块首先通过USB线缆接收来自图像采集模块即Kinect采集到的图像信息，以Kinect for windows SDK中提供的人体骨豁模型为基础通过Kinect for windows SDK获得骨骼模型中20个节点的三维坐标信息；选择这20个骨豁节点中的4对节点作为动态手势的特征处理,分别为左手节点、右手节点、左手手腕节点、右手手腕节点、左手手肘节点、右手手肘节点、左肩节点和右肩节点，获取能够代表手势的特征向量；最后利用DTW算法对获取的手势特征向量与模板库中的样本进行对比,所述的对比方法为在DTW算法中,定义特征向量空间T,其中：f：T×T→R≥0己知长度为N的时间序列X＝(x₁,x₂,……,x_N)和长度为M的时间序列Y＝(y₁,y₂,……,y_M),其中N和M不一定相等；定义一个时间规整函数f来描述两个时间序列的相似性,f(x,y)即两个特征向量的距离；f的值为大于0的实数，当两个时间序列的相似度越高时,这两个特征向量的距离越小,f(x,y)的值越小；反之，当两个时间序列的相似度越低时,这两个特征向量的距离越大,f(x,y)的值越大；计算距离结果最短的样本手势为待识别手势的识别结果；所述无线通信模块由两块nRF24L01无线通信芯片组成，其中一块芯片和控制系统上位机即PC机串口相连，接收发送来自计算机对手势的处理结果指令，另一片和两轮自平衡机器人的数字处理器相连，用以接收上位机发送的控制指令；通过串口通信中断程序实现上位机和下位机的无线通信功能；所述的上位机为PC机，所述的下位机为机器人数字信号处理器；所述运动控制模块包括运动姿态控制模块、左右轮运动量控制模块、左右轮电机和电源，运动姿态控制模块由数字信号处理器采集微型姿态方位传感器MTI后通过PID控制实现；左右轮转动量则通过PWM波输出和电机驱动器完成；电源由电池、电源分配器和各级开关组成，在正常运行状态下，锂电池组输出22.2V直流电，其中一部分为左右轮电机供电，另一部分经过电源适配器降压为5V和12V直流输出，分别为系统中相应电子设备供电；所述运动执行模块，包括两组直流电机及其伺服系统构成,是两轮自平衡机器人的动力装置,两轮自平衡机器人由两个直流电机同轴差分驱动，每一个主动轮采用一台直流电机独立驱动，通过数字信号处理器控制PWM波的占空比来调节相应驱动轮的转速,达到调速的目的，从而实现运动功能。