高尔夫集球机器人的控制方法及其硬件平台

1.本发明涉及一种高尔夫集球机器人的控制方法及其硬件平台，属于机器人控制的技术领域。


背景技术：

2.高尔夫运动是一种能够把享受大自然乐趣和体育锻炼融为一体的阳光运动，随着人们物质生活水平的逐步提高，高尔夫球越来越受到国民的喜爱。众所周知，一个标准的高尔夫球场，占地50到75公顷，在高尔夫球的运动模式下，在相对短的时间内出现大面积的高尔夫球散落在球场，需要及时清理。由于在高尔夫运动过程中需要捡球的面积大、数量多，人工走动捡球不仅所需时间长，而且对于捡球的人来说劳动强度较大，即使人工驾驶车辆捡球，由于车辆重，对于场地有一定的损伤。对于运营商来说，都会造成人工成本高，效率低的问题。因此采用集球机器人自动收集散落在场地的球将是一个很好的解决方案。
3.但现有高尔夫集球机器人一种是针对单一获取位置的高尔夫球进行拾取，其拾球效率数量为一个，虽拾取精准，但效率低；另一种是按原始设定路线按平均速度进行移动，无论球多球少都是一个速度，不仅效率低，而且无躲避障碍功能。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种高尔夫集球机器人的控制方法及其硬件平台，该系统基于gps定位和激光雷达避障导航，利用存储高尔夫场地的地图和地形信息，将摄像机采集场地图像进行处理得到的高尔夫球的分布的疏密信息，控制机器人的运动速度，从而提高集球的工作效率，集球过程中不需要人为的干预，减少人工的劳动强度，降低高尔夫球场的运营成本。
5.为解决以上问题，本发明的具体技术方案如下：一种高尔夫集球机器人的控制方法，高尔夫球场的地图和地形图预先存储在上位机中，机器人通过gps模块得到当前的地理位置信息，根据人机接口单元设置的参数和工作模式，上位机计算出集球作业路径，在作业过程中通过激光雷达检测周围的障碍物实现避障集球作业。
6.集球作业路径在高尔夫球场内规划，下位机控制机器人按照
ꢀ“
s”字形路径往复行走，并通过深度摄像机拍摄的前方路径图像，得出高尔夫球的集球密度；集球密度高，下位机控制机器人的运动速度慢；集球密度低，下位机控制机器人的运动速度快。
7.其中，集球密度的计算采用以下步骤：1）数据采集：机器人沿着集球作业路径移动，同时使用深度相机进行数据采集；每当机器人移动到一个位置时，记录相机的位置和朝向，以及相机捕捉到的图像数据；2）预处理：对图像进行灰度图像处理：将rgb三个分量以不同的权值进行加权平均；；上式中，表示灰度处理后的像素值，表示红色通道分量值，
表示绿色通道分量值，表示蓝色通道分量值；3）采用中值滤波对灰度图像处理去噪声；以当前像素为中心的小窗口内的所有像素的灰度按从小到大排序，取排序结果的中间值作为该像素的灰度值；；上式中，表示中值滤波去噪后的像素值；4）对去噪图像数据进行二值化处理；；；上式中，t表示设置的阈值，表示二值化处理后的像素值，m 和n表示图像的长宽像素点的个数；5）对二次图像数据进行八连通区域标记；从图像的左上角开始扫描每个像素点,对于每个白色像素点,检查其周围的八个像素点是否也为白色；如果周围的像素点中有白色像素点，将它们标记为同一区域，分配相同标记号；如果周围的像素点中没有白色像素点，则将该像素点标记为一个新的区域，并为它分配一个新的标记号；6）计算网球数量密度，从而得到这个图像区域中球的疏密程度：标记完成后，计算每个区域面积，从而计算网球数量密度，从而得到这个图像区域中球的疏密程度。
8.基于上述控制方法的高尔夫集球机器人硬件平台，其结构为：包括上位机、人机接口单元、深度摄像机、gps模块、激光雷达、惯性测量单元imu、下位机、电机驱动板、里程计、以及电源系统；所述深度摄像机、gps模块和激光雷达分别与上位机连接，分别将深度摄像机拍摄的图像、gps模块的位置数据、激光雷达的扫描数据输入到上位机内；所述惯性测量单元imu与上位机连接，并检测机器人的速度、加速度、角速度、航向角和倾角；所述人机接口单元是一个触摸屏，接口与上位机连接，设置机器人的工作模式和参数以及启动机器人开始工作；所述上位机是系统的数据处理和运算中心，属于高性能的嵌入式计算机，接收来自深度摄像机拍摄的图像、惯性测量单元imu的姿态数据、gps模块的位置数据、激光雷达的扫描数据，根据人机接口单元设置的工作模式和参数，进行计算处理，得到机器人的运动指令，通过串口发送给下位机；所述下位机采用stm32微控制器，与上位机连接，接收上位机发出的指令；下位机分别连接电机驱动板和里程计；电机驱动板控制机器人的左电机和右电机，为机器人提供运动速度和方向；里程计是安装在左右走行电机上的左编码器和右编码器，采集左右轮的走行距离，发送给下位机，并计算出走行速度和角速度，这些数据通过串口传送给上位机。
9.所述的电源系统由锂电池、太阳能电池、dc/dc电路组成；机器人在工作期间也可
以通过太阳能电池为锂电池充电。
10.本技术采用上述技术方案具有以下优点：1、将gps定位技术与激光雷达结合，使机器人在场地里按照优化的路径规划进行集球作业，配合深度摄像机根据球的疏密程度有效的遍历场地，提高了集球的效率，降低了人工成本；2、通过激光雷达和深度摄像机，精准的检测障碍物，更加安全的绕行避障和重新规划路径；3、与人工驾驶电瓶车进行集球相比，机器人的重量更轻，对地面造成的损害更小，同等重量的电池续航时间更长，配合太阳能电池板的使用，更进一步的增加了续航时间。
附图说明
11.图1为集球密度方法流程图。
12.图2为高尔夫集球机器人硬件平台架构图。
具体实施方式
13.如图1和图2所示，一种高尔夫集球机器人的控制方法，高尔夫球场的地图和地形图预先存储在上位机4中，机器人通过gps模块5得到当前的地理位置信息，根据人机接口单元1设置的参数和工作模式，上位机4计算出集球作业路径，在作业过程中通过激光雷达10检测周围的障碍物实现避障集球作业。
14.集球作业路径在高尔夫球场内规划，下位机6控制机器人按照
ꢀ“
s”字形路径往复行走，并通过深度摄像机3拍摄的前方路径图像，得出高尔夫球的集球密度；集球密度高，下位机6控制机器人的运动速度慢；集球密度低，下位机6控制机器人的运动速度快。
15.如图1所示，集球密度的计算采用以下步骤：1）数据采集：机器人沿着集球作业路径移动，同时使用深度相机3进行数据采集；每当机器人移动到一个位置时，记录相机的位置和朝向，以及相机捕捉到的图像数据；2）预处理：对图像进行灰度图像处理：将rgb三个分量以不同的权值进行加权平均；；上式中，表示灰度处理后的像素值，表示红色通道分量值，表示绿色通道分量值，表示蓝色通道分量值，表示像素点的横坐标，表示像素点的纵坐标；3）采用中值滤波对灰度图像处理去噪声；以当前像素为中心的小窗口内的所有像素的灰度按从小到大排序，取排序结果的中间值作为该像素的灰度值；；上式中，表示中值滤波去噪后的像素值；4）对去噪图像数据进行二值化处理；
；；上式中，t表示设置的阈值，表示二值化处理后的像素值，m 和n表示图像的长宽像素点的个数；5）对二次图像数据进行八连通区域标记；从图像的左上角开始扫描每个像素点,对于每个白色像素点,检查其周围的八个像素点是否也为白色；如果周围的像素点中有白色像素点，将它们标记为同一区域，分配相同标记号；如果周围的像素点中没有白色像素点，则将该像素点标记为一个新的区域，并为它分配一个新的标记号；6）计算网球数量密度，从而得到这个图像区域中球的疏密程度：标记完成后，计算每个区域面积，从而计算网球数量密度，从而得到这个图像区域中球的疏密程度。
16.如图2所示，基于上述控制方法的高尔夫集球机器人硬件平台，其结构包括上位机4、人机接口单元1、深度摄像机3、gps模块5、激光雷达10、惯性测量单元imu9、下位机6、电机驱动板2、里程计7以及电源系统8；所述深度摄像机3、gps模块5和激光雷达10分别与上位机4连接，分别将深度摄像机3拍摄的图像、gps模块5的位置数据、激光雷达10的扫描数据输入到上位机4内； 激光雷达10用于扫描机器人的周围，与深度摄像机3的数据一起融合，检测机器人周围的障碍物或人等。
17.所述惯性测量单元imu9与上位机4连接，并检测机器人的速度、加速度、角速度、航向角和倾角；所述人机接口单元1是一个触摸屏，接口与上位机4连接，设置机器人的工作模式和参数以及启动机器人开始工作；所述上位机4是系统的数据处理和运算中心，属于高性能的嵌入式计算机，接收来自深度摄像机3拍摄的图像、惯性测量单元imu9的姿态数据、gps模块5的位置数据、激光雷达10的扫描数据，根据人机接口单元1设置的工作模式和参数，进行计算处理，得到机器人的运动指令，通过串口发送给下位机6；所述下位机6采用stm32微控制器，与上位机4通过串口进行通信连接，接收上位机4发出的指令；下位机6分别连接电机驱动板2和里程计7；电机驱动板2控制机器人的左电机和右电机，为机器人提供运动速度和方向；采集里程计7安装在左右走行电机上的左编码器和右编码器，采集左右轮的走行距离，发送给下位机6，并计算出走行速度和角速度，这些数据通过串口传送给上位机4。
18.所述的电源系统8由锂电池82、太阳能电池81、dc/dc电路83组成；机器人在工作期间也可以通过太阳能电池81为锂电池82充电，太阳能为锂电池补充电能，增加机器人的续航。

技术特征：
1.一种高尔夫集球机器人的控制方法，其特征在于：高尔夫球场的地图和地形图预先存储在上位机（4）中，机器人通过gps模块（5）得到当前的地理位置信息，根据人机接口单元（1）设置的参数和工作模式，上位机（4）计算出集球作业路径，在作业过程中通过激光雷达（10）检测周围的障碍物实现避障集球作业。2.根据权利要求1所述的高尔夫集球机器人的控制方法，其特征在于：集球作业路径在高尔夫球场内规划，下位机（6）控制机器人按照
ꢀ“
s”字形路径往复行走，并通过深度摄像机（3）拍摄的前方路径图像，得出高尔夫球的集球密度；集球密度高，下位机（6）控制机器人的运动速度慢；集球密度低，下位机（6）控制机器人的运动速度快。3.根据权利要求2所述的高尔夫集球机器人的控制方法，其特征在于，集球密度的计算采用以下步骤：1）数据采集：机器人沿着集球作业路径移动，同时使用深度相机（3）进行数据采集；每当机器人移动到一个位置时，记录相机的位置和朝向，以及相机捕捉到的图像数据；2）预处理：对图像进行灰度图像处理：将rgb三个分量以不同的权值进行加权平均；；上式中，表示灰度处理后的像素值，表示红色通道分量值，表示绿色通道分量值，表示蓝色通道分量值；3）采用中值滤波对灰度图像处理去噪声；以当前像素为中心的小窗口内的所有像素的灰度按从小到大排序，取排序结果的中间值作为该像素的灰度值；；上式中，表示中值滤波去噪后的像素值；4）对去噪图像数据进行二值化处理；；上式中，t表示设置的阈值，表示二值化处理后的像素值，m 和n表示图像的长宽像素点的个数；5）对二次图像数据进行八连通区域标记；从图像的左上角开始扫描每个像素点,对于每个白色像素点,检查其周围的八个像素点是否也为白色；如果周围的像素点中有白色像素点，将它们标记为同一区域，分配相同标记号；如果周围的像素点中没有白色像素点，则将该像素点标记为一个新的区域，并为它分配一个新的标记号；6）计算网球数量密度，从而得到这个图像区域中球的疏密程度：标记完成后，计算每个区域面积，从而计算网球数量密度，从而得到这个图像区域中球的疏密程度。
4.基于权利要求3所述的控制方法的高尔夫集球机器人硬件平台，其特征在于：包括上位机（4）、人机接口单元（1）、深度摄像机（3）、gps模块（5）、激光雷达（10）、惯性测量单元imu（9）、下位机（6）、电机驱动板（2）、里程计（7）、以及电源系统（8）；所述深度摄像机（3）、gps模块（5）和激光雷达（10）分别与上位机（4）连接，分别将深度摄像机（3）拍摄的图像、gps模块（5）的位置数据、激光雷达（10）的扫描数据输入到上位机（4）内；所述惯性测量单元imu（9）与上位机（4）连接，并检测机器人的速度、加速度、角速度、航向角和倾角；所述人机接口单元（1）是一个触摸屏，接口与上位机（4）连接，设置机器人的工作模式和参数以及启动机器人开始工作；所述上位机（4）是系统的数据处理和运算中心，属于高性能的嵌入式计算机，接收来自深度摄像机（3）拍摄的图像、惯性测量单元imu（9）的姿态数据、gps模块（5）的位置数据、激光雷达（10）的扫描数据，根据人机接口单元（1）设置的工作模式和参数，进行计算处理，得到机器人的运动指令，通过串口发送给下位机（6）；所述下位机（6）采用stm32微控制器，与上位机（4）连接，接收上位机（4）发出的指令；下位机（6）分别连接电机驱动板（2）和里程计（7）；电机驱动板（2）控制机器人的左电机和右电机，为机器人提供运动速度和方向；里程计（7）是安装在左右走行电机上的左编码器和右编码器，采集左右轮的走行距离，发送给下位机（6），并计算出走行速度和角速度，这些数据通过串口传送给上位机（4）。5.根据权利要求4所述的高尔夫集球机器人硬件平台，其特征在于：所述的电源系统（8）由锂电池（82）、太阳能电池（81）、dc/dc电路（83）组成；机器人在工作期间也可以通过太阳能电池（81）为锂电池（82）充电。

技术总结
本发明涉及一种高尔夫集球机器人的控制方法，具体技术方案为：高尔夫球场的地图和地形图预先存储在上位机中，机器人通过GPS模块得到当前的地理位置信息，根据人机接口单元设置的参数和工作模式，上位机计算出集球作业路径，在作业过程中通过激光雷达检测周围的障碍物实现避障集球作业。该系统基于GPS定位和激光雷达避障导航，利用存储高尔夫场地的地图和地形信息，将摄像机采集场地图像进行处理得到的高尔夫球的分布的疏密信息，控制机器人的运动速度，从而提高集球的工作效率，集球过程中不需要人为的干预，减少人工的劳动强度，降低高尔夫球场的运营成本。高尔夫球场的运营成本。


技术研发人员：张大波 方海晶
受保护的技术使用者：辽宁大学
技术研发日：2023.07.20
技术公布日：2023/10/20