基于视觉导航的轮式移动机器人设计方案

1 基于视觉导航的轮式移动机器人设计方案 第一章移动 机器人 移动机器人的研究历史 机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器 )。 1962 年，美国 司的第一台机器人美国通用汽车公司 (入使用，标志着第一代机器人的诞生。 智能移动机器人更加强调了机器人具有的移动能力，从而面临比固定式机器人更为复杂的不确定性环境，也增加了智能系统的设计复杂度。 1968 年到 1972 年间，美国斯坦福国际研究所 (制了移动式机器人 是首台采用了人工智能学的移动机器人。备一定人工智能，能够自主进行感知、环境建模、行为规划并执行任务 (如寻找木箱并将其推到指定目的位置 )。它装备了电视摄像机、三角法测距仪、碰撞传感器、驱动电机以及编码器，并通过无线通讯系统由二台计算机控制。当时计算机的体积庞大，但运算速度缓慢，导致 往需要数小时的时间来分析环境并规划行动路径。 1970 年前苏联月球 17 号探测器把 世界第一个无人驾驶的月球车送七月球，月球车行驶 里，考察了 8 万平方米的月面。后来的月球车行驶 37公里，向地球发回 88 幅月面全景图。在同一时代，美国喷气推进实验室也研制了月球车 (应用于行星探测的研究。采用了摄像机，激光测距仪以及触觉传感器。机器人能够把环境区分为可通行、不可通行以及未知等类型区域。 1973年到 1979年，斯坦福大学人工智能实验室研制了 以自主地在办公室环境运行。 移动 1 米，就停下来通过摄像机的图片对环境进行分析，规划下一步的 运行路径。由于当时计算机性能的限制， 一次规划都需要耗时约 15 分钟。 卡耐基梅隆大学机 2 器人学研究所在 1981 年开始研制，它具有 12 个微处理器来处理实时任务，一个大型的远程计算机通过遥控方式来进行复杂规划与环境分析。它通过声纳传感器与视觉传感器来探测环境中的障碍。 由于计算机的运行速度、传感器感知能力的限制，这些移动机器人的实时控制性能不佳。每自主前进一步都需要停下来花费大量的时间进行计算，因此在实际应用中通常采取遥控的方式。进入 20 世纪 90 年代，随着计算机技术的飞速发展，机器人的感 知、决策能力也获得了长足的进步。到了 1994年，卡耐基梅隆大学机器人学研究所开发了 I，这是一个 8 足的移动机器人 1994 年 4 月，该机器人通过卫星通讯与 连，通过网络由 研究组、卡耐基梅隆大学以及阿拉斯加火山观测所的科研人员控制 行阿拉斯加火山口观测，并收集了火山口喷出的气体样本。 早在 1971 年，前苏联就曾向火星发射了两辆火星车，其中一辆撞毁了，另一辆发送一幅尚不完整的图片就失去了联系。 动机器人的国际现状 索杰纳的成功应用，成为移动机器人技术发 展的一个崭新的里程碑，向人们展现了移动机器人代替人们从事肮脏 (危险 (枯燥(作的应用潜力激发了人们对于移动机器人技术研究的极大热情。世界各国或国际机构都加大了相关研究的力度。 欧盟在 2000 2004 年 启动的信息社会技术计划中开展了探测火山环境的机器人、用来评估地振危险性的爬行机器人 (借助机器人的交互式博物馆临场感 (项目研究。在火山爆发的发作阶段观测和测量火山活动的相关变量最有意义，但对研究人员也是最危险的时刻。在 1993年的一次火山口考察中， 8 名火山研究人员遇难。 开发和测试一个自动化机器人系统，在火山环境下进行探测与测量，可以帮助科学家远离危险环境进行分析研究。 开发一台能够携带探伤仪器的移动机器人，对地振造成的建筑物结构性损害进行检测。 目标是发一个交互式导游机器人，通过因特网实现个性化的临场感，同时 够在现场引导参观游客。此外欧盟还开展了移动机器人应用于人道主义排雷等研究。 法国国家科学研究中心 )于 2001 年中期，提出了一项有关机器人技术的 3 大型国家计划，称 作“机器人与人工体”。这项跨学科的计划涵盖了机器人学中信息科学与技术方面的主要研究领域。 划对“感知器执行器”与认知功能进行跨学科的研究。实现这些功能在智能系统内的集成，能够在开放的、变化的环境中自主完成各种任务，实现智能机器人与人交互、通过学习改进其行为的功能。具体开展了移动式操作手，移动机器人视觉定位，行星机器人 1 以及多移动机器人协作等研究。 前苏联曾经在移动机器人技术方面居于世界领先的地位， 最早登上月球的遥控式移动机器人。俄罗斯作为前苏联的继承者，在机器人技术领域依然具有 当雄厚的技术基础， 技有限公 ( 在开发空间机器人中获得的经验应用于开发地面机器人系统，如极坐标平面移动车、爬行移动机器人、球形机器人、工作伙伴平台以及 动车等。 日本经济产业省 (M 998 年开始启动了人形机器人技术研究计划 (在这一年，日本本田 (司展出了人形移动 机器人的一个主要目标就是开发一个开放体系结构的人形机器人平台 (简称 用来探索人形机器人的各种应用 2002 年又启动了一项国家项目一一“ 21 世纪机器人挑战” ,其中一个三年的子项目是开发应用于机器人开放式结构的中间件 )。中间件能够对市场上销售的各种机器人零件实现标准化，并且能够更加容易地对这些零件进行系统集成。更长远的预期在于到 2009 年，实现机器人商品化(将机器人的应用领域扩展到家庭 (医疗服务(灾害救助 (日本科技署 ( 2002 年 10 月启动了一项 5 年期限的项目，用于开发人道主义排雷的机器人技术，日本产业界已开发出能实际应用的排雷机器人，并送往柬埔寨进行现场试验。此外，日本也一直进行着有关月球探测的研究，计划于 2015在月球上建立一个小型基地，与该计划相应的行星漫游车研究也很活跃。 韩国科学技术部 ( 1999年启动 的“ 21 世纪尖端研究发展计划” (21&D 包括了服务机器人、恶劣环境中的机器人、微型机器人以及排雷机器人项目韩国信息与通讯部 ( 4 发布了旨在促进 长的 9 个优先发展领域 ( 其中智能化的服务机器人被列为首位。 美国在行星移动机器人以及军用移动机器人的研究与应用方面投入了大量资金与科研力量。如 :美国 持的火星 探测计划、美国国防部支持的无人战车研究计划 国能源部的核废料等危险品搜集、搬运自主车研究计划等项目，吸收 I 许多知名大学与研究所的科研人员参与。最近的突出成果是 2003 年发射的火 星漫游机器人 “勇气”号与“机遇”号，它们的顶部装有全景照相机及具有红外探测能力的微型热辐射分光计，携带多种分析仪器对火星岩石纹理及其成分进行探测。“勇气”与“机遇”号的探测使命预计为 90 个火星日，但在 2004年成功着陆后，目前己经远远超过了预期的工作寿命。 动机器人研究的国内现状 国内有关移动机器人研究的起步较晚，“八五”期间研制了 军用智能机器人平台，由浙江大学、国防科技大学、清华大学、北京理工 大学、南京理工大学联合研制。“九五”期间又研制了军用“智能机器人平台2 号，道路自主驾驶的最高 速度为 74Km/h。 在国家“十五” 863 计划中，展开了一系列的有关智能机器人方面的研究。在危险环境下作业移动机器人、基于复合结构的非结构环境应用的移动机器人、高机动性越障机器人、多足仿生机器人、仿人形机器人等研究项目取得了众多的成果。国防科技大学、哈尔滨工业大学、清华大学、中国科技大学、中科院自动化研究所、沈阳自动化研究所等正在开展有关月球探测自主机器人的相关研究。在 863 专项支持下，清华大学开发了多功能室外智能移动机器人实验平台、上海交通大学研制了移动机构试验平台以及。 211A 用了关节轮式移动结构，具有较强的越障能力。 主移动机器人作为中国大学的参赛队首次参加了 中科院自动化所研制的集多种传感器、视觉、语音识别与会话功能于一体的智能移动机器人。沈阳自动化所研制的自行输送小车已投入生产现场，此外还研制了“多功能排险防暴机器人”和“蛇形机器 5 人”。 2003 年国防科技大学贺汉 根教授主持研制的无人驾驶车采用了四层递阶控制体系结构以及机器学习 等智能控制算法，在高速公路上达到了130Km/h 的稳定时速，最高时速 170Km/h，而且具备了自主超车功能，这些技术指标均处于世界领先的地位。 这一系列的成就推动了我国移动机器人技术的发展，缩短了与国外先进水平的差距，而且在某些领域也取得了国际领先的成果，己经成为我国机器人应用的一个突出领域。 6 第 2章 视觉导航的轮式移动机器人综述 觉导航的轮式移动机器人 现代机器人技术在人工智能、计算机技术和传感器技术的推动下获得了飞速发展，其中移动机器人因具有可移动性和自治能力，能适应环境变化被广泛用于物流、探测、服务等领域。移动机器人的核心技术之一是导航技术，特别是自主导航技术。由于环境的 动态变化和不可预测性、机器人感知手段的不完备等原因，使得移动机器人的导航难度较大，一直是人们研究的重点。目前常用的一种导航方式是 “ 跟随路径导引 ” ，即机器人通过对能感知到某些外部的连续路径参考信息做出相应的反应来导航。如在机器人运动路径上敷设金属导线或磁钉，通过检测金属导线或磁钉的特征信息来确定机器人的位置。从导航的角度看，这种方法的优点是可靠性较高，但功能单一，如不能在行进的同时对目标进行识别、避障，对环境的适应能力较弱、灵活性较差、维护成本较高，因此限制了其在移动机器人中的应用 。 随着计算机技术、数字图像 处理技术及图像处理 硬件 的发展，基于 计算机视觉 的导航方式在机器人导航中得到广泛关注。在实际应用中，只需要在路面上画出路径引导线，如同在公共交通道路上画的引导线一样，机器人就可以通过视觉进行自主导航。相对于敷设金属导线、磁钉等方法，这种方法增强了系统的灵活性，降低了维护成本。视觉信息中包含有大量的数据，要从中提取有用的信息，需要复杂的算法及耗时的计算。如何保证视觉导航系统在正确理解路径信息的前提下仍具有较好的实时性和鲁棒性，是该方法要解决的核心问题。 觉导航系统构成及工作过程 基于计算机视觉的移动机器人导航 实验系统的 硬件 部分由计算机、摄像头、 机器人地盘 组成。软件分为 两 部分，即图像处理和机器人运动控制。基于视觉导航的原始输入图像是连续的数字视频图像。系统工作时，图像预处理模块首先对原始的输入图像进行缩小、边缘检测、等预处理。其次利用 计算机计算并 提取出对机器人有用的路径信息。最后，运动控制模块根据识别的路径信息，调用直行或转弯功能模块使机器人做相应的移动。 7 获 取 图 像特 征 抽 出 和分 割计 算 距 离 和角 度驱 动 机 器 人步 进 电 机 的 转向 和 速 度输 出 脉 冲摄 像 头 位 置和 伺 服 系 统图 像 处 理 单 元运 动 控 制 模 块图 2动机器人控制系统的流程图 觉导航的图像预处理 由机器人导航的特点和机器视觉处理的特 殊性，我们认为机器人导航视觉系统要达到以下技术要求 : （ 1)根据系统要求准确地分辨目标物（调色板），尽量降低误判，漏判的机率，并有一定的抗干扰能力。 （ 2)能对目标物定位，为机器人的运动控制提供参照物、障碍物的位置信息，并能满足精度要求。 （ 3)满足系统实时性的要求。机器人摄像机每秒钟要从比赛场地上摄取30帧图像数据，如果视觉子系统达不到实时的要求，则系统所处理的前后两帧图像数据差异太大，不仅影响识别跟踪的顺利完成，而且也使动作表现为反应迟钝，所以视觉子系统的实时性越好，则系统反应越快。 （ 4)鲁棒性与自适 应性。由于目标物在室外，由于多方面的原因，致使调试过程中环境的光亮度会发生变化。更甚的是在同一帧视频图像中，场地的不同区域。 光亮度也有可能不一致，有高亮度区域，也有阴暗区域 （如楼房的阴影，或其它物体反射到场地中的光使场地局部变亮等等 )。光照条件的变化及光亮度不均匀，将会降低系统识别的精度，甚至会导致目标识别失败。因此，很有必要研究对光亮度变化不敏感的彩色识别算法，来增强视觉子系统的鲁棒性与自适应性。 8 觉导航机器人的运动控制 机器人底层结构图如图 2示。 图 2器人底层结构图 (1) 图 2机 器人底层结构图，移动机器人底盘是一个菱形，具有四个轮子，其中前轮和后轮为支撑舵轮，起到支撑和导向的作用。中间的两个轮子是驱动轮，由步进电机驱动。可以通过调节中间的两个轮子的转速来控制移动机器人的运行速度和转动角度。步进电机与左、右轮构成一个系统。步进电机由单片机实现控制驱动，通过改变单片机输出脉冲波的占空比来改变步进电机的速度和转向，从而完成机器人的转弯，运动和停止。 (2) 上层控制系统传给下层系统机器人与跟踪物体的距离 L 和运动的角度 a。通过分析距离 L，我们可以判断机器人的运动状态。当距离 L 不变时，则机器人处于停 止状态，当距离 L 改变机器人处于运动状态。 (3) 当距离 L 改变时，我们判断移动机器人的转动角度 a，当 a=0时，机器人的运动如图 2 L0 时，移动机器人前进。当，移动机器人前进转弯。当 ，移动机器人右转弯。 ，移动机器人前进。当 命令时，则移动机器人从 标系运动到 图 4动机器人右转示意图 移动机器人先完成转弯在进行前进。在转弯时，从图可知左轮为正转，右轮为反转。轮子移动的距离为： S=a r （ 4 23 则轮子移动的角度为： （ 4 则驱动步进电机的脉冲数为： 4 转弯完成后，移动机器人为直线运动。左轮为正转，右轮为正转。公式参考 4移动机器人前进左转和后退转弯时，我们可以参照前进右转时计算。 对本类移动机器人的控制就是通过控制算法求出轮子的步速，通过改变单片机输出的脉冲波，完成对移动机器人的底层控制。 制器的软件设计 在归纳了移动机器人各种运动行为的基础上，我们定义了如下的电机的控制指令 : 两个电机启动。 2 正常停机指令 :两个电机停止。 两个电机同时在现有速度基础上增加一个数量级，实现加速。 两个电机同时在现有速度基础上减小一个数量级，实现减速。 改变一个步进电机的转向，完成转弯后作直线运动。 两个步进电机以相同的速度和转向运动。 这些指令覆盖了差动轮式移动系统的所有基本动作，通过一系列电机控制指令的组合就可以灵活地控制机器人完成它所能够做到的任何动作。当移动机器人需要做出某种动作时，车载机只须将期望动作翻译为一个电机指令序列，发布给运动控制器，运动控制器就可以按部就班地控制机器人予以完成。 控制器的工作是接收控制指令，并根据指令改变电机驱动器的输入脉 冲频率。对 出脉冲频率的改变是通过不断改变通道寄存器增量值来实现。脉冲频率寄与通道存器设定值之间的关系式为 :. 24 其 中 前频率下通道寄存器设定值的增量 )。调速时通道寄存器增量的计算公式为 : 其中， f 为脉冲频率的增减量， 期望频率下通道寄存器设置值的增量 )。实现这一功能 的脉宽计算子程序流程图如下图。单片机程序由主程序、中断子程序和一些功能子程序组成，其中中断子程序是核心，主要工作都在中断子程序中完成。 主程序首先完成 个端口、各个功能寄存器的初始化工作，然后打开定时器 1的溢出中断，进入中断等待，并维护看门狗电路。通讯中断子程序在有串口数据到来时被触发，对接受到的指令做初步分析，分类放入指定的命令存储区，等待处理。定时中断子程序是整个电机控制的中枢神经，它的流程图如图 4断子程序首先对命令存储区的数据进行判断，当有新的指令时，调用命令解释子程序，对命令存储区的 数据进行解释和处理。在命令解释子程序中，当命令为增 /减速指令时调用脉宽计算子程序计算该输出比较通道的增量值，写入数据区(通道寄存器增量值的存放区 )，并判断当前电机状态，写入电机状态标志字 ;当不是增减速指令时，因期望状态都无法一步到达 (如启动、停机、速度设置等 )，程序会根据电机状态标志字先判断当前电机状态，根据命令区数据生成期望状态，对比两状态差异。决定通道中断的状态，然后若通道中断为开启状态，程序将调用脉宽计算子程序计算下一步的增量值，写入数据区，根据该指令为各个电机的状态标志字置位，最后返回。下面以启动为 例对该流程予以说明 :当前处于停机状态，接收命令为启动，命令解释程序会产生运行期望，将对应的通道中断打开，为该通道的数据区成初值，置为状态标志字的启动位，然后返回。溢出中断子程序中将通道中断打开后，便标志着移动机器人开始处于运动状态，通道中断子程序便在每一次中断中将代表脉冲宽度的增量值加到通道寄存器中，从而产生一定频率的脉冲。通道中断子程序流程图，进入中断子程序后，程序首先判断电机状态字，若现在处于某种设定状态 (如上面设定的启动状态等 )，则程序会根据状态字的标志位跳转到各个状态的入口，完成该状态需要的计算和设 定，若不是处于某过渡状态，则程序直接设定通道寄存器的值，移动机器人保持当前运行状态。 25 初 始 化取 L 和 a 的 值L = 0 ？机 器 人 前 进判 断 a = 0 ？停 止直 线 运 动机 器 人 转 弯 并 前进判 断 a 0 ?左 转 右 转输 出 驱 动 脉 冲L 0 ?机 器 人 后 退判 断 a = 0 ？直 线 运 动机 器 人 转 弯 并 后退判 断 a 0 ?左 转 右 转控 制 步 进 电 机 的 运 动摄 像 头P C 机计 算 得 到 L 和 动控制系统流程图 26 结 论 本设计主要完成以下工作： （ 1） 简要的介绍了移动机器人的历史和在国内外的现状。从总体上介绍了视觉导航 （ 2） 选择步进电机为移动机器人驱动电机。上层系统计算移动机器人的角度和距离等信息传给下层系统，通过分析得到机器人的运动状态，计算等到轮子的步数等。完成软件的编写，实现了对步进电机的预期控移动机器人的两个重要部分（视觉处理和运动控制）。 （ 3） 选择电路元件 单片机 进电机驱动器 压电源 成了底层控制原理图的设计。设计应用了件制作电路图并完成 图的设计。制。 27 参考文献 1彭树生编著 片机实践与系统设计 电子工业出版社 2求是科技编著 片机典型模块实例导航 人民邮电出版社 3张俊谟编著 单片机中级教程 原理与应用 北京航空航天大学出版社 4老虎工作室 张伟 王立 编著 9础教程 人民邮电出版社 5刘 锦波 张诚慧 等 编著 电机与拖动 清华大学出版社 6谭建成 电机控制专用集成电路 北京 :机械工业出版社 , 2003. 7王福瑞等 单片机微机测控系统设计大全北京：北京航空航天大学出版社 1998 8陈理壁步进电机及其应用上海：上海科学技术出版社， 1989 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