北理工“视觉导航”方向硕士毕业论文

密级硕士学位论文基于视觉导航的自行走无损检测小车运动控制技术研究徐子攀2009年6月16日分类号密级UDC基于视觉导航的自行走无损检测小车运动控制技术研究徐子攀导师姓名职称王渝教授答辩委员会主席王向周申请学科门类工学硕士论文答辩日期2009年6月18日申请学位专业控制科学与工程2009年6月16日BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGYTHESTUDYOFMOTIONCONTROLTECHNOLOGYOFSELFDRIVEANDNONDESTRUCTIVETESTINGCARBASEDONVISIONNAVIGATIONXUZIPANSUPERVISORWANGYUSCHOOLAUTOMATIONREPLYDATEJUNE18,2009研究成果声明本人郑重声明所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名徐子攀日期2009615关于学位论文使用权的说明本人完全了解北京理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。签名徐子攀日期2009615导师签名王渝日期2009615北京理工大学硕士学位论文摘要本课题研究的自行走无损检测小车是一种自主轮式移动机器人，将超声波探头安装在小车上，小车自主行走，可实现对钢板的全覆盖无损自动探伤检测。本文主要进行了自行走无损探伤检测小车的视觉导航系统的研究与设计，在已有的车体结构基础上采用单目视觉系统实现小车基于图像的视觉导航，小车在图像视觉导航系统控制下跟踪引导线实现自主运动。论文研究了图像采集、图像处理、图像特征提取、基于图像特征的控制等理论和技术，并运用这些理论和技术构建小车视觉导航控制系统，详细介绍了系统图像采集、处理、特征提取以及基于图像特征控制技术的实现方法，所研制的视觉导航系统使小车的行走控制精度达到了预期的目标。系统中采用了大恒图像公司型号为DHHV1301UC的摄像头，软件开发选择了MICROSOFT公司的可视化工具VISUALC作为图像采集、处理及发送控制命令开发平台。关键词视觉导航；自主移动；图像处理；边缘检测；直线提取I北京理工大学硕士学位论文ABSTRACTTHESUBJECTSTUDIESSELFDRIVENONDESTRUCTIVETESTINGCARTHATISAKINDOFAUTONOMOUSWHEELMOBILEROBOTTHATIS,ULTRASONICPROBEISINSTALLEDINTHECAR,THECARMOVESAUTONOMOUSLYANDACHIEVEOVERALLNONDESTRUCTIVEAUTOMATICFLAWDETECTIONOFTHEPLATETHISARTICLEFOCUSESONTHERESEARCHANDDESIGNOFVISIONNAVIGATIONSYSTEMOFSELFDRIVENONDESTRUCTIVEFLAWDETECTIONCAR,BASEDONTHEEXISTINGBODYSTRUCTUREADOPTMONOCULARVISIONSYSTEMTOACHIEVETHECARSIMAGEBASEDVISIONNAVIGATIONANDTHECARCOULDACHIEVEAUTONOMOUSMOVEUNDERTHECONTROLOFIMAGEVISIONNAVIGATIONSYSTEMBYTRACKINGTHEGUIDELINETHEARTICLESTUDIESTHETHEORYANDTECHNOLOGYSUCHASIMAGEACQUISITION,IMAGEPROCESSING,IMAGEFEATUREEXTRACTION,ANDCONTROLBASEDONIMAGEFEATURE,USETHETHEORYANDTECHNOLOGYTOESTABLISHCARVISIONNAVIGATIONCONTROLSYSTEM,DESCRIBETHEACHIEVINGMETHODSOFTHESYSTEMIMAGEACQUISITION,PROCESSING,FEATUREEXTRACTIONANDCONTROLBASEDONIMAGEFEATUREINDETAIL,ANDTHEDEVELOPEDVISIONNAVIGATIONSYSTEMMAKESTHECARSMOVECONTROLPRECISIONREACHTHEEXPECTEDTARGETTHESYSTEMUSESTHEDHHV1301UCCAMERAOFDAHENGIMAGECORPORATION,SOFTWAREDEVELOPMENTCHOOSESTHEVISUALTOOLVISUALCOFMICROSOFTASTHECONTROLCOMMENDDEVELOPMENTPLATFORMOFIMAGEACQUISITION,PROCESSINGANDTRANSMITTANCEKEYWORDSVISIONNAVIGATIONAUTONOMOUSMOBILEIMAGEPROCESSINGEDGEDETECTION；LINERECOGNITIONII北京理工大学硕士学位论文目录摘要IABSTRACTII目录III第一章绪论111研究背景和意义112本课题国内外发展现状313本文研究的内容6第二章视觉导航小车的总体设计方案821钢板无损检测小车工作原理822小车机械结构原理923小车运动控制系统简介10231运动控制系统主控制板电路设计11232运动检测模块设计12233运动驱动模块设计16234配电模块设计17235上位机和下位机间通讯17236上位机控制功能1924小结24第三章小车光电导航系统研究2531小车光电导航系统工作原理2532光电导航硬件设计2733光电导航软件设计2834实验2835小结32第四章小车视觉导航系统硬件设计3341小车视觉导航系统原理3342图像采集摄像机简介3543摄像机标定36431常用坐标系及其关系38III北京理工大学硕士学位论文432视觉导航系统的摄像机标定4044视觉导航系统辅助控制器I/O接口板简介42441主要技术参数42442信号输入输出模块4345小结44第五章小车视觉导航系统软件设计4551VC60开发环境简介4552图像采集46521数字图像格式简介46522摄像机图像的采集4853图像处理50531图像灰度化52532图像边缘检测53533图像二值化处理56534引导线的提取5754辅助控制器I/O接口板软件设计5955小车下位机程序设计59551主程序设计60552串口发送和接收中断程序61553软件定时器中断程序62554配置伟福编译环境6456实验6657小结69第六章总结与展望7061主要研究成果7062不足之处7063展望70参考文献72致谢75IV北京理工大学硕士学位论文第一章绪论11研究背景和意义超声无损探伤检测是六种无损检测技术之一。与其他常规无损检测技术相比，它具有被测对象范围广，检测深度大；缺陷定位准确，检测灵敏度高；成本低，使用方便；速度快，对人体无害以及便于现场使用等特点。因此，超声无损检测技术是国内外应用最广泛，使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术1。近期召开的国际与全国性无损检测学术会议上，超声检测方面（含声发射）的论文数量都几乎占到总数的一半，成为学术研究的活跃分支2。无损检测技术NDT是在不损伤被测材料的情况下，检查材料的内在或表面缺陷，或测定材料的某些物理量、性能、组织状态等的检测技术。广泛用于金属材料、非金属材料、复合材料及其制品以及一些电子元器件的检测。常用的无损检测技术有射线探伤、超声检测、声发射检测、渗透探伤、磁粉探伤。此外，中子射线照相法、激光全息照相法、超声全息照相法、红外检测、微波检测等无损检测新技术也得到了发展和应用。在无损检测中利用超声波对材料或工件的尺寸、表面与内部缺陷、组织变化等进行探测，是目前国内外应用最广泛的一种重要的无损检测技术。在第十五届无损检测会议上有关超声波检测的论文数量仍遥遥领先于其它检测方法，说明超声波检测仍然是应用最广泛的无损检测技术。随着检测技术的发展，钢板无损检测技术也在发生着巨大的变化，各式各样的检测设备也应运而生。但是目前从国内市场的形势甚至整个世界范围内来看，那种固定不动的大型或重型检测设备占了绝大多数。这种设备基本上都固定安装地面上，探测器安装在夯架上。检测时，夯架固定不动，钢板在其下方按次序通过。这样的话，每检测一块钢板，都需要将其运输到监测地点去。对于一些需要检测少数量、小面积钢板的用户来说，这样显得极不方便。于是，设计一种新型的检测设备，使它能够方便的运行在不同场所进行金属无损检测，就极为必要。为了满足这种需要，研究开发自行走检测小车就显得很重要。自行走监测小车是将机器人技术与无损检测技术结合在一起的新成果，而且符合检测技术发展的方向。今后的无损检测技术，应是向着机械化、自动化和机器人化的方向发1北京理工大学硕士学位论文展。一方面，要省力、省能源,提高速度并提高精度；另一方面，机器人在恶劣的条件下的无损检测意义十分重大。同时，利用机器人进行无损检测，可以提高无损检测的经济效益。自动化超声检测是现代工业生产中对成批的材料或零件进行质量检验的重要手段之一，实现自动化检测对保证检测质量和产品质量、提高工作效率、降低劳动强度等都有着重要意义。自动化超声检测3，是指利用机械装置自动移动探头或被检工件达到自动化扫查，在移动过程中可以利用不同的方式激发不同波型的超声波，以及采用不同的耦合方式对被检工件中的缺陷进行自动化检测，其检测结果可被自动记录在特定的记录介质（如笔式记录纸带、电敏记录纸、计算机存储设备等）上，还可以自动标记（喷漆、打印等）在工件上，还可以将合格与不合格工件进行自动分选等。板材的自动化超声检测设备，目前从整个世界范围内来看，那种固定不动的大型或重型检测设备占了绝大多数。这种设备基本上都固定安装在地面上，探测器安装在夯架上，采取探头固定不动，板材均匀进给的方式，用喷水柱耦合或者水间隙耦合方式。这样的检测机构平稳简单，然而设备庞大、昂贵，更换所要检测的板材时，极为不便。随着机器人技术的不断发展，各种自主移动机器人应用而生，并在工业生产、社会生活领域广泛运用，在自动检测领域机器人技术同样被广泛应用。鉴于当前板材检测装置的特点和自主移动机器人技术的不断成熟和广泛应用，将机器人技术与无损检测技术结合在一起，设计一种用来承载检测仪器的自行走检测小车来实现板材全覆盖自动无损检测有着广泛的实用意义和广阔的应用前景，它能够方便的运行在不同场所进行金属无损检测，省力、省能源,灵活性强，提高速度并提高精度，同时可以提高无损检测的经济效益。尤其是利用机器人在恶劣的条件下和操作者难以进入或接近的场合，如小管道内部、狭小场所、高建筑物、水下、高低温环境和有毒容器内部等情况下的无损检测，不能采用常规方法事先检测，而采用遥控或自动方式的检测机器人是行之有效的方法，所无损检测机器人是现在自动测试系统研制的一个热点。日本在这方面的研究在国际上处于领先水平，现在一些公司已开发出多种无损检测机器人。现在已有形形色色、各种各样的无损检测机器人自动行走CCD摄像机器人、磁轮行走机器人和真空吸附式行走机器人等。新日本非破坏检测株式会社研制了远距离自动行走摄像机器人“WANTED”，日本东京液化气公司和新日本非破坏检测株式会社分别研制了各自的真空吸附式行走机器人，这种机器人利用真空吸附盘将机器人吸附在被测物体上并进行行走，东电工业株式会社和新日本非破坏检测株式会社还2北京理工大学硕士学位论文共同推出了磁轮行走机器人用于钢结构物体的检测。其结构包括磁轮行走车、缆线卷取机、遥控器、控制装置、检测装置、数据存储器、彩色监视器等。磁轮行走车是检测探头的携带者，车下有两排八个（或四个）磁轮（由永磁钢制成），车上装有两种检测探头超声（UT）和电涡流（ET），超声波探头用于被测物体厚度测量和探伤；电涡流探头用于被测物体表面探伤和表面涂层厚度测量6。英国牛津大学研制的PART系统，是一种用于板材自动化检测的设备，它采取携带探头在板材上运动的方式进行检测。PART系统将探头、水箱等安装在可移动小车上，由PC机控制直流伺服电机，驱动小车在板材上运动，用喷水柱耦合方式进行检测。但是由于机械设计结构、运动方向控制等方面的不精确，导致板材的漏检，不能达到全面覆盖板材的要求，很大程度上降低了PART系统的性能。目前我们研制的自行走无损检测小车系统，就是由自行走小车承载超声波探头等设备在板材上进行运动，即采取板材固定不动，探头运动的方式，实现对板材的自动化超声检测。自行走小车设备体积小，重量轻，成本相对较低，移动方便，在板材的自动化检测领域处于前沿地位。为实现对板材准确的全覆盖检测，对自行走小车在行走直线性、平行性、定位精度和运动速度等方面提出了要求。要保证小车能够按规划的路径自主行走、准确的定位，且行走小车之外的附属设备尽可能少，小车的导航技术是其最关键的技术之一，因此构建自行走小车导航系统是实现小车全覆盖自动检测板材的重要内容之一。12本课题国内外发展现状本课题研究的自行走无损检测小车是目前机器人技术在国防、空间探测、工业生产和社会生活等领域应用极为广泛的一种机器人轮式自主移动机器人。移动机器人移动机构形式主要有（1）车轮式移动机构，（2）履带式移动机构，（3）腿足式移动机构。轮式移动机器人以其移动速度和移动方向的易控性，机械结构设计简单，运动的稳定性等优点而应用最为广泛。本节就移动机器人导航技术国内外的发展状况做一下简要的介绍。移动机器人的研究最早始于20世纪60年代，是人类20世纪最伟大的发明之一，在其40多年发展历程中，随着计算机技术和机器人技术的不断发展，机器人的研制大致经过了三代的演变43北京理工大学硕士学位论文第一代是以“示教再现”方式工作的机器人。目前已经普及化，它是依靠人们给予程序，能重复进行多种操作的系统。由于其不具有传感器反馈信息，因此不能在作业过程中从外界不断获取信息，来改善其自身的行为品质，故其应用范围受到限制。第二代是具有一定外界环境感知功能和自适应能力的离线编程机器人。此种机器人配备了简单的内外传感器，能对自身的实际位置、方向等进行测量，能通过“视觉”、“触觉”、“听觉”等传感能力对外部环境进行探测，从而由这些反馈信息在事先编好的算法和程序指令下对操作过程进行调整。它与这几年迅速发展起来的传感器、微机技术、仿生学、控制理论等有着密切关系。目前已有少数得到普及和应用5。带三代机器人是能感知外界环境与对象，并具有对复杂信息进行准确处理，对自己行为做出自主决策能力的智能机器人。这种机器人载有多种传感器，并能将多种传感器探测到的信息进行“融合”（多传感器的信息融合）并做出相应的决策，自主完成某一项任务。它能有效地适应变化的环境，具有很强自适应能力，是具有自学习和自治（自主决策）功能的智能机器人。目前机器人研究方向正向着复杂型、智能型、自主型发展，机器人与人类生活联系的越来越紧密，作为现代机器人中的一个重要分支的智能型自主移动机器人是一个相当活跃的研究领域。它能够按照存储在内部的地图信息或通过对外部环境的感知和获得信息进行运动规划，并能够沿规划路径自主移动。轮式移动机器人在工业生产、人类生活、空间探索、国防工业等领域有着广泛的应用前景6。自主引导是移动机器人的重要问题，也是移动机器人区别于固定式机器人的关键之一，所以移动机器人的导航是实现移动机器人智能化以至完全自主的核心技术。它主要包括导航方式确定、环境信息获取、环境信息理解和建模以及实现导航的路径规划算法等7。1当前移动机器人常用的导航方式移动机器人有多种导航方式，根据环境信息的完整程度、导航指示信号类型、导航地域等因素不同，可以分为基于地图导航、基于路标导航、基于传感器导航和视觉导航等。基于地图的导航是在机器人内部存储有关于环境的完整信息，并预先规划处一条全局路线，采用路径跟踪和避障技术实现导航。当机器人不能预先知道完整的环境信息时，一般采用基于路标的导航策略，也就是将环境中具有明显特征的路标存储在机器人，机器人通过对路标的探测来确定自己的位置，并以此作为参照来完成导航任务。在环境信息完全未知的环境下，一般是通过摄像机或传感器对周围环境进行探4北京理工大学硕士学位论文测来实现导航。目前大多数机器人多采用多种导航方式。2当前移动机器人导航与定位常用传感器导航用传感器主要用于实现周围环境信息的获取以及自身定位。其中有些传感器单纯用于定位，如全球卫星定位系统（GPS）、旋转电位计、光电编码器、陀螺仪、加速度计、磁罗盘，里程计等。而有些传感器则既用于定位，又用于环境探测如视觉、超声、红外、激光雷达等传感器。传感器的选择主要考虑机器人所处的环境及要获取的环境信息的类型。基于CCD或CMOS图像传感器的视觉导航是随着计算机地发展而发展起来一种导航方式，由于信息量大、适用范围广而成为目前机器人导航技术研究和应用的热点。实际应用中多采用多种传感器相结合的定位方式，如自主车定位系统中采用“里程计陀螺仪”的定位方式，里程计用来测量车行走距离，陀螺仪用来测车体航向角，清华大学THMR系统中采用的“电编码器电子磁罗盘”定位系统。3多传感器信息融合技术在导航中的应用目前国内外研究的热点是利用多传感器系统以及先进的感知算法来实现现实环境中移动机器人的高灵活性和高鲁棒性行为，这就需要研究段传感器信息融合问题。多传感器融合是指将多个传感器的数据信息进行综合处理与分析，从而产生有意义的信息。4移动机器人的路径规划方法路径规划是移动机器人研究的一个基本而且重要的问题，其任务是在具体障碍物的环境中，按照一定的评价标准，寻找一条从起始状态到目标状态的无障碍路径，其实质是移动机器人运动过程中的导航和避碰。路径规划耗时较多，一个重要的解决方法就是并行化。一旦在线、实时运动规划实现，运动规划就可以融入运动控制算法的闭环之中。另外，复杂环境下的路径规划问题一直是一个没有很好解决的难题，人们尝试用遗传算法来进行路径规划问题并取得一定成功。自20世纪70年代开始研究以来，以相继提出了多种路径规划的方法，其中最常见的在层次上分为两种一种是基于环境先验完全信息的全局路径规划；另一种是基于传感器信息的局部路径规划。后者的环境是未知或局部未知的，即障碍物的尺寸、形状、位置等信息，必须通过传感器获知。全局路径规划方法主要有可视图法、环境分割法。拓扑法；局部路径规划方法主要有人工势场法、遗传算法模糊逻辑算法、基于行为的路径规划方法。5视觉导航技术5北京理工大学硕士学位论文视觉导航技术是现在机器人导航技术常用的一种导航方式，在视觉导航中，目前应用最多的是将摄像机安装在机器人上的基于局部视觉的导航方式，主要用于环境探测，以确定自身位置和周围环境信息，从而进行路径规划和导航。目前应用中的视觉导航系统根据摄像头的多少一般分为两种一是采用单个摄像机的单目视觉，二是采用多个摄像机的立体视觉。移动机器人技术是综合了计算机技术、控制论、模式识别、传感器技术、人工智能、通讯技术、仿生学以及机械设计等多学科理论的高技术产物，其系统主要由机械结构、传感器系统、控制系统和信息处理等部分组成。因此机器人研究涉及许多方面，主要包括机械结构设计、体系结构设计、电子电路各接口设计、运动学建模、动力学建模、移动机器人定位、路径规划、环境建模、多传感器的信息获取及融合技术。13本文研究的内容本文主要设计基于图形图像导航的自行走无损检测小车的控制系统。自行走无损检测小车的视觉导航系统的核心工作，是构建一个数字图像处理及路径跟踪控制系统，完成对小车行走路径的图像采集、图像处理、特征提取以及纠偏控制等工作。本课题小车用于对钢板的全覆盖无损检测，综合本课题自行走无损检测小车视觉导航控制系统，主要工作如下1摄像机标定，以构建单目视觉导航系统模型的硬件基础。2在VISUALC60环境下，根据自行走无损检测小车工作环境特点设计视觉导航系统软件算法，并创建VISUALC下实时视觉导航应用程序。3分析比较各种图像处理算法，包括图像的灰度化处理、图像的二值化、二值图像的处理、图像边缘检测的各种算法、HOUGH变换、图像的平滑等算法，研究综合这些算法实现小车行走路径的实时图像采集、处理的方法，以及在图像处理基础上纠正小车行走偏航的控制策略。4实现小车在视觉导航系统作用下对钢板的全覆盖检测。论文内容安排如下第一章为绪论，论述本课题选题的背景和意义，并简要概述本课题相关技术国内外发展的概况，明确本论文的主要研究内容。第二章介绍自行走无损检测小车的总体设计方案。6北京理工大学硕士学位论文第三章介绍了小车光电导航系统研究。第四章介绍了小车视觉导航系统原理及硬件环境的构建。第五章详细讲解了小车视觉导航系统的软件设计。第六章总结与展望。7北京理工大学硕士学位论文第二章视觉导航小车的总体设计方案21钢板无损检测小车工作原理目前国内对于大型钢板的检测手段主要依赖于无损超声探伤，大型企业一般具有完整的检测设备，效率高，但费用高，检测复杂，检测方式、地点固定，且不能对小型或特殊型号钢板进行检测；多数小型企业主要依靠人工检测，只能对部分抽查钢板的部分区域进行检测，效率低，盲区大。本系统设计的智能式超声探伤检测装置是依靠车载导航与车载检测设备之间的协调工作，完成对钢板的检测。本系统是一整套完整的自行驶车载无损检测设备，可以有效地应用于钢板的超声无损检测。该系统运行时，无需人员看护，并可对特殊型号钢板进行检测，特别适合于现场条件下的检测，效率高，无盲区且成本相对较低8。车载导航系统控制器电机驱动电路角位移码盘边缘检测交流伺服电机车载无损检测系统图21钢板无损检测小车工作原理图本系统主要有三部分构成交流电机及其驱动电路；车载导航系统；车载无损检测设备。如图21所示，其中控制器一方面负责控制驱动电路，继而控制电机，另一方面控制器负责与车载导航系统及车载无损检测设备之间进行通讯。车载导航设备实时监测机械车的行走位置、姿态，并随时发出调整信号至控制器，信号经过控制器判断、计算，最终传送至电机驱动电路，控制电机加速、减速以及制动、转弯，不断修正行驶方向；车载无损检测设备是一套完整的超声检测系统，只需接收控制器发出的开始，停止信号，便可正常工作，完成从钢板探伤到数据记录、判断、传输等一系列功能。8北京理工大学硕士学位论文检测车在待检测钢板上前进轨迹，如图22所示（为检测车，为待检测钢板，黑线为车轨迹），可以一次性完成的对整张钢板进行检测。为确保检测过程中无盲区，导航系统主要任务是保持检测车的正确运动方向，在有外来干扰的情况下，自行判断，纠正方向，并能够判断钢板边缘，自行转弯，以图22所示轨迹行走，完成对钢板探伤检测。AB图22小车轨迹图22小车机械结构原理自行走无损检测小车车体主要由车架、车轮、电机、减速器、光电码盘、驱动电源、单片机控制电路、电机控制放大器、摄像机、I/O板卡和边缘传感器等构成，车轮的分布情况以及主、从动轮和检测码盘之间的位置关系如下自行走小车机械结构图23所示图23自行走小车机械结构图9北京理工大学硕士学位论文自行走小车能够在X、Y两个方向上自由行走，为了防止在转向时产生方向偏差，分别设计了X、Y方向的主动轮。由于在Y方向上的行程较长，设计了两个主动轮，编号为2、3；在X方向上行程较短，只设计了主动轮1。为减少小车主动轮打滑带来的误差，每个主动轮分别配有从动轮，光电码盘分别安装在3个从动轮上。边缘传感器用于当小车运行到钢板边缘时提供信号以进行相关动作。小车的Y方向前后两侧各安装了一个边缘传感器；在X方向上，前后各安装了一个传感器，检测到钢板边缘就停止运动，其中摄像机用于小车视觉导航的图像采集过程。自行走小车长（X方向）55CM,宽（Y方向）47CM，不具有制动机构，在控制上受惯性影响较大，属于惯性负载，起、停运动均需要克服小车本身的惯性，这样会造成运动的不平稳，扭转或者走弧线，进而影响直线性，而行走中的打滑会影响行走的位置精度。为解决这些问题，机械设计中在小车的四个角上安装了支撑轮，有利于运动平稳性；为保证行走的定位精度，防止打滑带来的误差，设计了从动轮；为克服小车Y方向上运动中的方向偏转，安装了两个主动轮，配以独立的码盘反馈通道，监测小车运动状态，随时调节Y方向两个主动轮的转速，来保证小车运动过程中方向维持不变。23小车运动控制系统简介自行走小车运动控制系统需要完成的任务主要为控制器实现多路输入和输出控制，要求接收和输出控制信号都是数字量，实现位置闭环控制，小车运动到达板材边缘时图24自行走小车控制系统80C196KC上位机串口通讯边缘检测电路频率发生器角位移码盘计数边缘控制三路伺服电机控制算法视觉导航系统的小车姿态调整信号小车车体10北京理工大学硕士学位论文能够自动识别，并且控制器能与上位机进行数字通信。对于自行走小车来说，要对其行走的路线、行走的速度进行控制，为了保证其完成设计要求的功能，在行走过程中要对其行走姿态进行调整，能够实现平稳的启动和停止，能够按照规定的轨迹行走，而要实现这些设计功能，其控制和驱动机构的选择和技术水平是一个关键的因素。自行走小车运动控制系统的控制电路主要包括主控制器、频率发生器、角位移码盘计数电路和边缘检测电路，图25为视觉导航小车运动控制系统结构图。图25视觉导航小车运动控制系统结构图231运动控制系统主控制板电路设计主控制器采用MCS96系列的扩展产品80C196KC单片机913，主要用于实现位置控制算法、处理后的光电码盘脉冲序列计数和其它控制功能；角位移反馈电路负责把角位移传感器（光电码盘）信号，进行倍频处理和滤波，送入4位可逆计数器CD40193组成的可逆计数器完成增量计数，供主控制器读取；和196KC单片机相连接的还有串行通信接口，用来和上位机进行连接，使主控制器可以接收上位机传递过来的控制命令，和反馈行走小车的状态，相互交换信息；边缘检测电路用于检测小车的位置极限，达到相应的要求时给主控制器发送相应的中断信号，进行下一步处理，边缘检测传感器采用电磁开关对边缘进行检测；频率发生器采用INTEL的8253定时器/计数器，用于产生三路脉冲信号控制电机的伺服放大器，频率产生的大小受控于主控制器。11北京理工大学硕士学位论文图26主控制器硬件扩展示意图在本系统中，外部总线采用8位总线方式，用74HC573进行地址数据信号分离，如图26所示。对于64K的存储器地址空间（具有16根地址线），A15作为ROM/其它功能片选线。当A15为低电平时，选中程序存储器ROM；当A15为高电平时，地址线译码产生特殊功能的片选信号或选中RAM，实际上把存储空间的低32K分配给了程序存储器。当A15为高电平时，A12、A13、A14通过38译码器产生译码信号Y0Y7。用Y0信号作为数据存储器RAM的片选信号线，配合A0A11十二位地址线，共可以得到4K的数据存储空间。用Y1信号作为可擦除可编程存储器EEPROM的片选信号线，配合A0A11十二位地址线，共可以得到4K的存储空间。其它几个译码信号的用途是Y2计数器0的低字节片选线，Y3计数器0的高字节片选线，Y5计数器1的高字节片选线，Y6计数器1的低字节片选线，Y7频率发生器的片选线。232运动检测模块设计本系统运动检测模块包括边缘检测、码盘位移检测、视觉导航图像控制检测三大部分，下面就各个部分的设计过程做详细的介绍。1、边缘检测模块边缘检测电路采用了四个电磁接近开关（边缘传感器），每个边各安装一个，用于检测小车的位置极限，达到相应的要求时给主控制器发送中断信号，进行相应处理。电磁接近开关可工作在周围温度为到之间，供应电压在动作电压的85110之间。电磁接近开关的敏感范围是一个很重要的参数，主要由传感器的直径决定。在本系统中我们所采用的是三端式，型号为NBB818GM50E2V1的NPNC025C07012北京理工大学硕士学位论文型电磁接近开关，直径12MM，敏感范围为8MM，即当传感器的工作面与钢板等磁性物质的距离为8MM以内时，可感应到一定磁通量，输出低电平信号，否则，输出高电平信号，如图27所示。工作电压范围为10V30V，电流100MA，L、L两端子接电源，OUTPUT端为输出信号端，典型电路如图28A所示。OFFSOS钢板电磁接近传感器图27电磁接近传感器操作示意图在小车的一侧安装两个电磁接近开关，连线与小车边缘平行，即与钢板的初始边平行，小车在钢板上运动时，边缘传感器可以检测到一定的磁通量，输出低电平（0）信号；当小车到达钢板边缘，电磁接近开关离开钢板一定的距离时，所检测到的磁通量减少到一定程度，会输出高电平（1）有效信号。假设为传感器平行移动触发距离，为垂直移动触发距离，与互相影响，我们可以固定传感器与所要检测的钢板的垂直（或水平）距离，通过改变水平（或垂直）距离，来获得与之间的关系。基本上，随着的增大而增大，当到达极限值时，也到达最大值。由于传感器在钢板边缘进行水平运动时，每移动相同的距离，其感应到的磁通量的变化与直接相关，因而的选取影响着自行走小车的边缘定位精度。OSOFFSOSOFFSOSOFFSOSOFFSOFFSOSOFFSOFFS图28（A）电路图（B）符号当电磁接近传感器安装在小车边缘上，就已经被固定，相应的也应该是一个常数，尽管小车运动中的晃动或钢板的不平坦会在一定程度上影响变化。与的关系如图29所示。OFFSOSOFFSOSOFFSNPNLLOUTPUTLL电磁接近传感器目标8MMOFFS13北京理工大学硕士学位论文OSOFFS图29触发距离与的关系曲线OOFFSS当有一路边缘检测信号有效时，将引起外部中断，通过P0端口的查询信息可以识别是哪个边缘传感器发生的中断，由主控制器判断执行停止或转向调整动作。对于每路边缘信号的检测，均采用了光电隔离技术。光电耦合器件以光电转换原理传输信息，它不仅使信息发出端与信息接收端是电绝缘的，从而对地电位差干扰有很强的抑止能力，而且有很强的抑止电磁干扰的能力，且速度高，接口简单，得到了广泛应用。2、小车位移检测模块码盘位移检测模块的任务是把被控对象（自行走小车）的运动状态传递给主控制器。系统中，小车从动轮的角位移传感器为增量式光电码盘，通过对码盘信号进行倍频、辨向和滤波，送入计数电路进行计数，转换为主控制器可以读取的电平信号。光电码盘是用来将轴角位移转换成数字量最简单、最直观的一种设备，码盘的结构是一个刻有明暗光栅的圆盘，在圆盘的两侧分别装有发光元件和光敏元件，当圆盘转动起来时，光敏元件感受明暗变化，经整形放大输出与光栅一致的脉冲。增量式码盘在圆盘上只有一个码道，码盘转轴每转一圈产生固定的脉冲，使用计数器得到输出的脉冲数即为码盘转过的角度，以测量轴的转角。为了能检测出码盘的转动方向，一般在光栅的两侧安有A、B两对发光和接收元件，这样随着码盘的转动将输出A、B两路相差90的脉冲，利用A、B两路脉冲的超前滞后关系可以判别出码盘的转向。在本系统中，增量式光电码盘采用的是日本NEMICON公司的OVF系列的码盘，其分辨率为1024P/R，最大测量转速为5000R/MIN。为了提高码盘计数精度，采用倍频计数方式，该系统采用2倍频。14北京理工大学硕士学位论文Y方向的两路码盘信号是独立的，经过处理后送入计数电路进行计数，供主控制器读取，计数电路采用CD40193芯片，根据小车的运动方向分向上、向下两种计数方式；X方向的码盘信号处理后直接送入主控制器，利用80C196KC的TIMER2实现计数。CD40193是一个高速4位二进制可逆计数器，内部有输出寄存器和三态输出门，加法计数和减法计数管脚是分开的，通过管脚CPU可进行加法计数，CPD进行减法计数，通过4位可逆计数器CD40193级连可得到16位的可逆计数，级连方式如图210所示。计数器将计数结果直接输出到系统总线是不允许的，因为这样会引起总线冲突，所以在计数输出管脚和系统总线之间需要加一个锁存器74HC573，平时锁存器输出为高阻状态，不影响系统总线，当主控制器需要读取计数结果时，锁存器打开，计数结果送至系统总线。80C196KC的TIMER2是一个16位的外部时钟触发的向上/向下计数器，在输入信号的上升沿和下降沿都能够计数。定时器2有两个输入引脚，T2CLK是外部时钟输入脚，T2UPDN是计数方式控制脚。T2UPDN1时，向下计数；T2UODN0时，向上计数。来自X方向码盘的信号恰好可以作为TIMER2的两个输入。图210计数器级连电路3、视觉导航图像控制检测视觉导航图像控制检测的主要任务是获得自行走小车的运动状态，即位置偏差，以便小车按照偏移量做出相应的调整。详细的实现过程我们将在第四章做详细的介绍。15北京理工大学硕士学位论文233运动驱动模块设计小车共采用三个电机控制行走，选用日本三菱公司生产的HCPQ系列中的型号为HCPQ43的电机，其额定功率为400W，额定转速为3000R/MIN，最高转速为4500R/MIN，伺服驱动器是配套的MELSERVOC系列MRC40A，脉冲序列控制方式，输入一定频率的脉冲序列，对应一定的电机转速。X、Y方向分别增加了减速装置，Y方向减速比为130，X方向减速比为130，皮带轮为125，提高小车速度控制精度和电机扰动的冗余度，可以很好地保护电机。小车Y方向主动轮的直径为1D122，X方向主动轮直径180MM，从动轮直径均为100MM，电机内置的增量式码盘分辨率为4000脉冲/转。MM2D在设计中，根据控制对象的数量和控制机制，需要同时产生三路脉冲，为此我们选择了专用计数器/定时器芯片INTEL8253。8253的时钟是15MHZ，输出脉冲频率记为（脉冲/秒），置入计数器的COUNT值为FH,则HF61051Y方向和X方向，小车的行走速度V和需要输入的频率的关系分别为FXXVDF152130140002,YYVDF130140001根据设计要求，小车的行走速度范围为。X方向的电机需要接收频率为,，SMMSMM/100/221FFZHF530521ZHF10612，Y方向需要频率为，,，8253的输出频率可以满足系统的要求。43FFZHF6263ZHF313254控制电路采用12M晶振，提供给80C196KC，8253工作时需要15MHZ晶振,68脚PLCC封装的80C196KC第65脚CLKOUT输出是时钟的2分频，所以只需将CLKOUT的输出4分频就可以作为8253的时钟。8253发出的脉冲频率要送到伺服电机放大器，来控制电机的转速。通过信号GATE0、GATE1、GATE2可以控制频率发生器8253信号的发生和停止，输出脉冲信号的极性可以通过方向指示信号来输出给伺服放大器。由于伺服电机放大器的额定电压是24伏，考虑到二者之间的电压不匹配，在脉冲频率发生器和伺服电机16北京理工大学硕士学位论文放大器之间使用光耦隔离。234配电模块设计整机是由工业用220V交流电源供电，通过整流电影获得5V和24V直流电源，分别给控制器板和边缘传感器、码盘供电。电源的正常与否将直接影响电路的工作。因此在排版设计中电源线的合理布局对消除干扰有着重要的意义。在布设电源线时，主要要注意两点1在电路设计中，各部分电路都需要在电源线和地线的之间并接一个01UF的电容作为电源的退耦电容。而且把退耦电容放在各相关电路的附近。2对于各部分内部的电源走向，应采取从末级向前级供电，因为末级一般为功放级，功率大，交流信号电流大，很容易对其它级产生干扰，所以摆放在电源附近，在数字控制系统的功率放大输出电路中应当将伺服功放级放在电源附近。图211电机配电线图235上位机和下位机间通讯整个控制系统在运行时，上位（PC）机为了对控制系统的运行参数和运行结果进行控制，必须在PC机和数字控制器系统之间建立信息交换渠道，也就是要构造通信总线。总线是一组传送规定信息的公共通道，有时亦称为数据公路，通过它可以把各种数据和命令传送到各自要去的地方。总线按照通用与否可以分为非标准型和标准型总线，标准总线一般是由国际计算机或计算机相关行业推荐的，有严格的电气、握手连线规则的具有很强通用性的总线，如RS232C、STD总线等，非标准总线，则是设计者为了设计方便，而为某个特定功能而设计的总线，该类总线一般没有通用性，17北京理工大学硕士学位论文总线通信效果的好坏也和设计者的水平有很大的关系。由于上位机采用PC机，PC机的总线接口都为标准总线接口，所以，上、下位机之间的通信必须采用标准总线。本系统中，大部分的计算都在下位机执行，上、下位机的通信并不是非常繁忙，所以，设计时选用了通用的串行总线RS2321415。在电性能方面，这一标准使用负逻辑。逻辑1电平是在15V到5V范围内，逻辑0电平则在5V到15V范围内。它要求RS232C接收器必须能识别低至3V的信号作为逻辑0，而识别高至3V的信号作为逻辑1，这意味着有2V的噪声容限。RS232C进行数据传输的最高速率为20KB/S,通信距离最长15M。在串口接收中断子程序中，每20MS上位机向下传输25个字节组成的数据串，其通信协议为1BYTE小车运动指令，包括运行39H，停止38H,暂停37H和继续运动36H四个参数2、3BYTEY方向运动速度4、5BYTEY方向行程以脉冲数表示6BYTEY方向的前进1H/后退2H7、8BYTEX方向运动速度9、10BYTEX方向行程以脉冲数表示11BYTEX方向的前进1H/后退2H12BYTE是否启动自动检测程序1H为启动13BYTE是否修正修正1H/不修正2H14BYTE运行方式1直线2折线3旋转15BYTE选择单程0H或往返次数1H，2H16、17BYTE钢板宽度以脉冲数表示18、19BYTE超声波传感器扫描直径以脉冲数表示20、21BYTE相邻超声波传感器之间的距离以脉冲数表示22、23BYTE超声波传感器个数24、25BYTE第一个超声波传感器距离钢板边缘的距离以脉冲数表示下位机向上传输25字节的数据串，其通信协议为0BYTE小车发送数据起始识别字节，规定为0X5A18北京理工大学硕士学位论文1、2BYTEY1号码盘计数值3、4BYTEX号码盘计数值5、6BYTEY0号码盘计数值7、8、9、10、11BYTE保留，DEBUG用12BYTE小车运行方向13、14BYTE小车当前速度。236上位机控制功能在自行走无损检测小车的控制系统中，若RS232连通后，上位机通过所设计的控制面板将指令和参数通过串行端口发送至下位机，同时下位机将小车的运行状态送给上位机，并在上位机控制界面上显示。主要的控制子面板有四个，分别为端口配置、手动设定、调试和自动检测，在进行后三个操作之前，必须先对端口参数进行设定。LABWINDOWS/CVI是美国NINATIONALINSTRUMENTS公司1618，即美国国家仪器公司推出的交互式C语言开发平台，是32位的面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台，可以在多操作系统下运行，它将功能强大、使用灵活的C语言与数据采集分析和显示的测控专业工具有机的结合起来，利用它的集成化开发环境、交互式编程方法、函数版板面与控件和丰富的库函数大大增强了C语言的功能。本系统的上位机控制界面就是用LABWINDOWS平台开发的。在自行走小车系统上下位机通信中，我们采用的是串行接口，因而设计了串口设置面板，主要是在启动小车前，对通信端口进行设置，实现上下位机数据通道传输畅通。为方便用户进行RS232编程，LABWINDOWS/CVI提供了RS232函数库，主要包括串口打开/关闭函数、串口输入/输出函数及串口控制函数等。对串口的应用编程主要应包括一下几个步骤首先要打开一个串行口并对其进行配置，然后用户就可以利用该串行口收发数据，程序结束之前则应当关闭该串行口。在编程时应注意串行通信双方必须使用相同的通信协议，如双方的波特率、数据位位数、奇偶校验模式、停止位位数等必须一致。在小车上位机控制界面上的串行口设置面板中，用户可以对计算机所使用串行口的端口号进行设定，同时显示了通讯协议中的波特率、传送的数据位长度，停止位和无校验模式等信息。如图212所示。19北京理工大学硕士学位论文图212串口设置面板控制过程中最常使用的是手动面板和自动测试面板，其具体功能框图如图213所示。主面板自动检测手动调试直线运动折线运动边缘找正未接近原点已接近原点X设定方向速度行程Y设定方向速度行程XY设定方向速度行程X设定方向速度Y设定方向速度修正不修正单程往返次数设定往返次数手动X设定方向速度Y设定方向速度旋转设定方向速度连续行走停车XY自动找正钢板长宽扫描直径传感器个数传感器之间距离Y的速度行程方向检测开始不修正修正图213控制面板的功能框图1、手动测试面板设计通过选择手动测试面板对小车的运动参数进行设定，运动方式可以选择直线、折线和旋转三种。直线行走时，先在面板中选定一个轴方向X方向或Y方向，再在相20北京理工大学硕士学位论文应栏中设定该轴方向的运动方向前进/后退和速度。行程有两种选择，一种是知道具体的行程数值，点击“按设定行程行走”小车可根据所设参数进行运动；另一种是不知道具体行程值，点击“连续行走”，小车会按照所设方向、速度等参数运动直到钢板边缘或者用户点击“停止”按钮。在运动过程中，还可以选择“暂停”和“继续”，实现随时中止的功能。折线运动时，需要用户分别设置X和Y轴上的运动方向、速度和行程。旋转运动时，可以由用户设定旋转方向顺/逆时针、旋转角度和旋转基点中心/左轮/右轮。在手动测试面板中，X设定、Y设定、旋转设定的具体参数最初是未被选通的，只有在模式选择框中选定了其中一种模式，相应的模式下的参数才可以被设置，可方便用户的操作。在面板上设定行程、速度后，上位机程序获得控件的实际数值L和V，并分别进行相应的数据处理，得到数字控制器认可的路程DIS和速度，发送给下位机。SPEEDH/4791PSVHSPEEDY/2827PSVHSPEEDX5196/15340PLPMMMMLDIS定时器控件可以以指定的时间间隔重复触发操作，此控件只有在用户界面编辑器里可见，当程序运行的时候看不见。在手动面板上设置一个TIMER控件，可以按照固定时间间隔显示小车当前的速度和位置坐标X、Y方向上的位移，在显示窗口的一侧设计了“清零”和“保存数据”控件，用户可以在小车每次行走完毕后选择数据清零或者将位移数据保存，以便察看。LABWINDOWS/CVI提供了格式化输入/输出库函数，主要包括对文件数据的读写函数和对数据格式进行控制的函数，可以方便的实现对文件的读写操作，将小车运行的中间数据和最终结果输出到磁盘上保存起来，以后需要时再读入到计算机内存。手动面板如图214所示。调试面板与手动测试面板在功能上基本一致，但增加了修正/不修正，单程/往返次数等选项，并增加了点动的运行方式，可以使小车行进很小的位移每点击一次行进按钮，小车前进5MM，更