【毕业学位论文】(Word原稿)一种为大规模应用设计的机器人三维视觉方案-软件工程

哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） - I - 向切格拉瓦致敬 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） - 向瑞查德 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） - 摘 要 机器人及其视觉在 21 世纪初得到极大发展，随着计算机技术发展，嵌入式硬件标准得以确立，使得廉价的智能机器人替代人类工作成为现实可能，并走出实验室进入产业实用领域。 本文探索一种为大规模应用设计的机器人三维视觉方案，将机器人视觉成本压缩到得以大量投入劳动密集型产业中，并最终获得取代人类尤其从事海底矿产开发和采集。应用激光器进行三维扫描和地形跟踪并通过 测传感器采集处理，使机器人可以获得完整统一的高质量三维地形地物信息，并进行共享。 本设计应用六足 机器人平台和 件进行机器人算法和平台设计，完成初步实验，采集三维激光线信息并进行三角定位运算和机器人运动控制。进一步完善可用于集群机器人海底采矿等应用。 关键词： 激光雷达，机器人视觉， 底机器人 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） - in 000s of be to a of to be a of in of by CD so a to of be to 尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） - V - 目 录 摘 要 . I . . 绪论 . 1 器人视觉的现状及前景 . 1 文研究的总体方案 . 1 激光三维扫描 . 2 足机器人 . 4 底机器人说明 . 5 文的主要内容及研究方法 . 6 2. 视觉方案总体设计 . 7 统设计的理论依据 . 7 角计算 . 7 足机器人运动 . 9 系统的技术细节和改进 . 10 激光及其工作原理 . 10 像头及矫正标定 . 11 像处理和检测 . 15 像处理功能 . 16 口通信和舵机驱动 . 16 章小结 . 17 3. 实验平台的设计 . 18 源部分的设计 . 18 池部分 . 18 块 . 20 械运动部分 . 21 机选择和安装 . 21 机控制板 . 21 像采集和数据处理 . 22 像处理编程 . 22 像处理过程 . 23 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） - 动控制 . 23 示和连续处理 . 24 像句柄显示 . 27 上位机接口的设计 . 29 4. 系统调试及实验结果与分析 . 30 结 论 . 32 致 谢 . 33 参考文献 . 34 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） - I - 错误 !未指定书签。 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） - 1 - 1. 绪论 器人视觉的现状及前景 机器人作为先进的生产工具，必将在未来进一步减轻人类劳动强度，提高生产效率，把人类从繁重重复的劳动中解放出来。其中机械的力量和强度已经能够有效替代人类的体力劳动，然而不可忽视的 是人类的脑力劳动仍然难以为机器人有效替代。近年移动机器人逐渐发展，视觉图像处理算法逐步发展起来，能够从事一些比较高级的工作。 移动机器人进一步具有环境感知功能，任务规划功能和决策能力，这些能力都建立在传感器技术和计算机控制技术的基础上。配合精密的驱动系统，逐渐可以从事精密和智能的劳动，进一步解放人类生产能力，提高劳动效率。 移动机器人的传感器用于对车体自身及外部环境信息的检测和处理，主要分为内传感器和外传感器两大类： 1）内传感器：用于测定机器人自身的参数，常用的有计程仪、差分计程仪、磁罗盘和陀螺罗盘等； 2）外传感器：主要包括声学、光学和电磁波 3 类目前常采用超声、激光、视觉等传感器超声传感器的优点是硬件结构简单，价格低廉，容易操作；缺点是速度慢，存在较大的波束角，且对光滑表面存在镜面反射激光传感器的优点是发散小或没有发散，并对大多数物体无镜面反射现象，缺点是存在潜在的安全问题（首先是人眼安全问题），且不适用于透明物质视觉传感器通常采用 像机，优点是获取信息量大，缺点是计算复杂，对环境光线有一定要求移动机器人视觉系统中，常用的摄像机的安装形式有两种：一种是全局视觉 种是局部视觉 目前，机器人视觉有待于进一步提高，应用前景十分广阔。 文研究的总体方案 随着国家民用科技发展，将一定条件下使用的军事科技应用于名事哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） - 2 - 已经成为常态，在目前低成本机器人设备中，普遍采用超声等传感器进行避障等工作，难以与视觉系统相互结合。 美国在十几年前实际上已开始 激光 扫描水下成像系统的研究， 由于保密原因， 没有正式报道。目前，国外已研制出多种型号激光扫描水下成像系统， 有的已成功地用于海下勘测、搜索和摄像。西屋水下激光系统公司和应用遥测技术公司分别研制成功出了各自的同步扫描激光水下成像系统， 其中西屋 公司的激光水下成像系统 70的有效视场扫描时间为 011m s。该系统被布设在潜艇下面， 或者拖曳在水面舰船的后面。当船向前航行时， 该系统就成像出海底的二维图像， 水下观测和成像距离可达 4 个衰减长度 (光在水中的衰减随光的波长和水质的变化而变化 )， 其图像分辨率和清晰度都很高。遥测技术公司的同步扫描系统的水下成像距离可以达到 5 个衰减长度。遥测技术公司的系统使用快速旋转的棱镜控制激光束扫描， 目前该系统已装备潜艇。 能够将之应用于海底机器人，则能够有效避免超声系统的缺陷，并提供优异的扫描结果。形成的三维扫描数据 ，可以为机器人集群海底行动采矿等作业提供依据。 激光三维扫描 目前单点激光测距仪已经比较常见，并且价格也相对低廉。但是它只能测量目标上特定点的距离。 2D 激光雷达 （ 格更为昂贵，主要使用激光器旋转进行点定位。其昂贵的原因之一在于他们往往采用了高速的光学振镜进行大角度范围 (180激光扫描，并且测距使用了计算发射 /反射激光束相位差的手段进行。当然他们的性能也是很强的，一般扫描的频率都在 10上，精度也在几个毫米的级别。 对于移动机器人，不需要进行如此高频率扫描，使用 距离和精度要求也相应降低，可能实现低成本并替代超声等传统低成本传感器，本文实际制作一个能够基本达到机器人视觉要求的三维扫描仪，成本已经可以与普通传感器相比较，如能规模生产，则可能降低移动机器人的成本并提高其性能。 图 1 司生产的 2D 激光雷达产品， 2D 激光雷达使用单束点状激光进行扫描，因此只能采集一个截面的距离信息。 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） - 3 - 图 1司生产的 2D 激光雷达 如果要测量 3D 的数据 ，就需要使用如下 2 种方式进行扩充： 1. 采用线状激光器 2. 使用一个 2D 激光雷达扫描，同时在另一个轴进行旋转。从而扫描出 3D 信息。 第一种方式是改变激光器的输出模式，由原先的一个点变成一条线型光。扫描仪通过测量这束线型光在待测目标物体上的反射从而一次性获得一个扫描截面的数据。这样做的好处是扫描速度可以很快 ，精度也比较高。但缺点是由于激光变成了一条线段，其亮度 (强度 )将随着距离大幅衰减，因此测距范围 很有限。对于近距离 ( 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） - 25 - 1 1 1x1 0 D 1 1) 1x6 ) 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） - 26 - 0 D 1 1) 1x6 D 1 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） - 27 - 如上，摄像头支持数种分辨率，选定 640， 480 分辨率进行试验，达到最佳效果。 像句柄显示 在 ,每一个对象都有一个数字来标识 ,叫做句柄 为它建立一个唯一的句柄句柄中包含有该对象的相关信息参数，可以在后续程序中进行操作，改变其中的参数，以便达到不同的效果例如 开这个窗口。 句柄式图形常用函数： （ 1） h）返回句柄值 h 所指定的图 形对象的所有属性名称与相对应的属性值 （ 2） a = h)返回由句柄值 h 所指定的图形对象的属性结构数组，并且该数组的字段名称就是该对象的属性名称。 （ 3） a = ,返回所有能由用户设置的属性的默认定义值。 （ 4） a = ,.)返回指定对象类型指定的属性值，输入参数一个关 键词，由字符 图形对象类型（如 有属性名称（如 成。 a = ,返回 象的 性值。 （ 5） a = h,.)返回句柄值为 h 的对象指定属性的默认值。如哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） - 28 - “ （ 6） a = h,列出 h 对象的所有属 性的默认属性值 （ 7） a = h)返回句柄值 h 所指定的图形对象的所有属性名称对应的可设置属性值， a 为结构数组，存储对象的属性名称，其字段值为相对应的属性值。属性值中用 括起来的表示默认值。 （ 8） h,a)使用指定的属性值来设置由句柄值 h 所指定的对象属性， 字段名称为对象的属性名称，字段值为相对应的属性值。 （ 9） a = ,返回那些用户可以设置默认值的所有对象的属性，同时显示可设置的属性值。 （ 10） a=,返回所有对象中指定的属性名称 所有可能的属性值。 （ 11） a = h,属性名 ,属性值 )设置句柄值为 h 的对象的与属性名对应的属性值。 （ 12）h,.)对句柄值为 h 的对象设置特定属性名称的属性默认值。 （ 13） H = 回 象与其所有子对象的 句柄值 （ 14） H = h） ;返回 h 变量的句柄值 （ 15） H = 属性名称 ， 属性值 );依据对象的属性名称和属性值找出匹配的对象句柄值。 （ 16） H = 属性名称 ， 属性值 );根据限定的对象列表找出与对象的属性名称和属性值匹配的对象句柄值 （ 17） 回当前 象的句柄值 回当前 象的句柄值 回当前鼠标单击的句柄值，该对象可以是除 象外的任意图形对象，并且 把当前 图形对象的句柄值存放在 性中 象的属性篇 (1).是矩阵每个元素的幂乘， 是数的幂乘。 (2)出句柄值为 对象的所有属性 列出上述属性外，还列出可以设置的属性 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） - 29 - 所有属性改为默认值 除句柄值为 图形对象 (3)利用 属性名称 ）获得句柄值为 对象的属性名称下所有可设置的属性值 得到 | ，其中，大括号中是默认值 (4)窗口关闭，并重新设置其属性为默认值。 (5)效值为字符串或函数句柄 (前加 ) 当关闭绘图窗口或离开 ，就会定义 义的函数 (6) 立一个对象时 (如为 象，即打开一个绘图窗口）， 就会触发 定义的 序。如,);即设置了根对象的默认值，使每次建立 象时，都会指定一个非整数的句柄值。（在用户未指定句柄值时） 上位机接口的设计 运用 统控制工具箱进行串口通信，选定参数如下。 u=024,1); ; 096; 096; 0; 600; ; 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） - 30 - 4. 系统调试及实验结果与分析 在实际测试中，机器人移动平滑，误差在控制范围内。实际测试一组物体并进行三维成像如图 4 图 4指扫描结果 如图 4成年人手部进行扫 描，可以明显看出五指等对象，并测算距离和移动运算，达到较为成功的效果。使用对应的 表如图4成系统，进行行走和避障等相关才测试。能够详细了解机器人正前方一定范围内的大致地形地物。 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） - 31 - 图 4机 动图表 对各应用舵机进行 测试 ,找出角度对应的 据。已经完成了方案硬件的制作，并且经过测试，可以在较暗光线环境下进行精准的三位线定位，可以进行自动扫描。 经过测试，精度基本达到标准，进行调试和标定后，可以获取目标形态和距离等特性。 目前已形成一个简单的三角几何测量装置，经过运算校正获得 对应点距离信息，进行线扫描。 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） - 32 - 结 论 经过各部分的调试，本设计各部分可以达到预定设计要求，对基本三维信息进行定位和采集，并控制机器人平台移动。 本系统目前可以实现对机器人平台的移动控制， 不能真正实现三维地形图的构建和集群机器人共享信息，建议以后继续完善过程中利用本设计使用的通信网 络进行网络通信，并实现三维地图构建和机器人集群通信。 目前已经完成一个能够基本达到机器人视觉要求的三维扫描仪，成本已经可以与普通传感器相比较，如能规模生产，则可能降低移动机器人的成本并提高其性能。 经过检验，本文中的方法完 全可以用于机器人视觉用途，可以获得比传统方法更加简便有效的定位和扫描信息，经过完善后可以用于海底等光线不良条件下的机器人智能开发，并提供源代码和基本设计信息供开发人员参考。 本文的方法比较传统机器人视觉，有在水中减少衰减等明显优点，在实验中也能够达到预定标准。使用创新性的机器人移动平台和算法，从而获得精确的位置控制和传感信息。本文结合六足机器人定位准确便利和三维视觉的特点，创新地发展了激光雷达类型三维扫描设备，并将之应用于移动平台，获得了成功。 在实验中实现了对成年人手部进行扫描，可以明显看出五指等对象，并 测算距离和移动运算，达到较为成功的效果。完成了舵机对于动等计算，有较强的工程实践性。 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） - 33 - 致 谢 本课题是在孙剑飞和谢玮等老师亲切关怀和悉心指导下完成的，孙老师和谢老师给了我很多帮助，设计期间始终关注着设计动态，在时间繁忙的情况下仍不忘询问设计进展，设计期间给我以精神鼓舞。从论文选题、实验设计到最后论文的撰写，都做了悉心的指导，并提出了许多宝贵的