基于DSP无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现.doc

第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品 1 序号： 编码： 第*届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛 作品申报书 作品名称：作品名称：基于基于dsp无无线线通通讯讯的多功能机器人的多功能机器人“灵狐灵狐”的研究与的研究与实现实现 学校全称：学校全称： 西北工西北工业业大学大学 申申报报者姓名者姓名 （集体名称）：（集体名称）： 类别： 自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 科技发明制作 a 类 科技发明制作 b 类 报送方式： 省级报送作品 高校直送作品 基于 dsp 无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现 2 目目 录录 第第 1 章章 绪论绪论 16 1.1 引言16 1.2 移动机器人研究现状 17 1.3 本课题研究内容及意义18 第第 2 2 章章 灵狐机器人系统及其运动模型灵狐机器人系统及其运动模型 19 2.1 系统框架19 2.2 灵狐机器人运动建模20 .1 运动学模型运动学模型21 .2 动力学模型动力学模型23 第第 3 3 章章 灵狐机器人子系统设计灵狐机器人子系统设计 24 3.1 dsp 驱动控制子系统24 .1 dspdsp 简介简介.24 .2 pwmpwm 的实现方法的实现方法.25 .3 驱动结构设计驱动结构设计26 步进电机简介及电机选型步进电机简介及电机选型.26 机械结构设计机械结构设计.27 .4 步进电机控制步进电机控制28 3.2 无线通讯子系统29 .1 无线通讯子系统作用无线通讯子系统作用29 .2 芯片选型芯片选型29 .3 无线通讯子系统硬件接口无线通讯子系统硬件接口30 .4 软件编程软件编程31 .5 通信协议设置通信协议设置33 3.2.6 通信传输距离的计算.33 3.3 超声波子系统34 .1 超声波测距原理超声波测距原理34 .2 系统硬件接口系统硬件接口34 .3 数据处理数据处理35 .4 结果误差分析结果误差分析36 3.4 无线图像传输子系统36 3.5 gps 辅助导航子系统38 .1 gpsgps 定位原理定位原理.38 .2 产品选型产品选型39 .3 系统硬件接口系统硬件接口40 .4 nmea-0183nmea-0183 通信标准通信标准.41 .5 gpggagpgga 语句解析语句解析.41 3.6 语音识别子系统42 第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品 3 .1 系统硬件接口图系统硬件接口图42 .2 非特定人语音识别程序的编写非特定人语音识别程序的编写43 3.7 音乐控制子系统45 .1 系统设计方案系统设计方案45 .2 音乐子系统的实现音乐子系统的实现45 3.8 逐球图像处理子系统46 .1 系统设计方案系统设计方案46 .2 图像处理子系统的研究与实现图像处理子系统的研究与实现47 系统结构图系统结构图.47 图像模型的选择图像模型的选择rgbrgb 模型模型.47 空间坐标变换空间坐标变换48 色标设计与识别色标设计与识别50 第第 4 4 章章 机器人底层控制算法设计机器人底层控制算法设计 51 4.1 pd 控制简介 52 4.2 系统实现52 第第 5 5 章章 实现功能及轨迹控制精度误差实验实现功能及轨迹控制精度误差实验 54 5.1 实现功能54 .1 “灵狐排练灵狐排练”模式模式54 .2 基于人的思维的反馈式近地侦察模式基于人的思维的反馈式近地侦察模式55 .3 基于视觉闭环自治的逐球模式基于视觉闭环自治的逐球模式57 5.2 轨迹控制精度分析59 .1 轨迹精度误差实验的设计和实现轨迹精度误差实验的设计和实现59 .2 误差分析误差分析59 第第 6 6 章章 总总 结结 61 6.1 概述61 6.2 主要工作和创新点61 6.3 作品适用范围及发展前景62 6.4 研究结论62 6.5 存在问题及工作展望63 主要作者本科阶段发表论文主要作者本科阶段发表论文63 参考文献. 63 附录附录 1 1 配合音乐的dsp舞蹈控制程序66 附录附录 2 2 机器人性能参数机器人性能参数.67 基于 dsp 无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现 4 图11sony公司 aibo机器狗 基于基于 dspdsp 无线通讯的多功能机器人无线通讯的多功能机器人“灵狐灵狐”的研究与实现的研究与实现 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 引言引言 二十一世纪的钟声宣告了知识经济时代的来临，我国也相应提出 “科技兴国”方针，大力发展科技事业。机器人是传统的结构学与近代电 子技术相结合的产物，是集计算机科学、控制技术、传感器技术、电机 技术、机构学及美学等多学科为一体的高科技产物，它的出现和发展 不但使传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化，而且将对人类 社会生活产生深远的影响。 机器人的研究和应用水平，是一个国家经济实力和科技发展水平的 反映，一个国家如果不拥有一定数量和 质量的机器人，就不具备产品国际竞争 的工业基础。因此，世界上许多国家，包 括中国在内都对机器人的发展予以高度 重视。 机器人已发展50年左右了，虽由于 涉及的技术太复杂，机器人还没有如人 们预期的那样,但得益于相关技术的飞速 第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品 5 发展，很多移动机器人即将进入人们的生活。在进入21世纪以后，已经 有超过6家公司发布了家用洗尘机器人，sony公司的aibo机器狗（图 11）更是以超过1万人民币的售价在全世界范围内卖出了上万只1， 这无疑给机器人市场注入了一只强心剂。同时工业用自动引导移动机 器人（agv）也得到了飞速发展，在拥有了视觉和激光扫描传感器之后， agv已经被提高到了一个新的高度。 在军事方面，随着高新技术的发展，各种类型的军用机器人已经大 量涌现，一些技术发达的国家相继研制了智能程度高、动作灵活、应用 广泛的军用机器人。目前军用机器人主要是作为作战武器和保障武器 使用。在恶劣的环境下，机器人的承受能力大大超过载人系统，并且能 完成许多载人系统无法完成的工作，如运输机器人可以在核化条件下 工作，也可以在炮火下及时进行战场救护。在地面上，机器人为联合国 维和部队排除爆炸物、扫除地雷；在波黑战场上，无人机大显身手；在 海洋中，机器人帮助人清除水雷、探索海底秘密；在宇宙空间，机器人 成了火星考察的明星。 1.2 移动机器人研究现状移动机器人研究现状 在美国，日本及欧洲的许多发达国家，由于移动机器人在人工智能 理论研究、服务和娱乐领域的商业前景而受到重视，许多高校和企业 都做了一定的理论研究和实践23， 同样无线通信技术也在飞速发展45。 我国的机器人事业起步较晚，移动机器 人的研究早期主要集中在哈尔滨工业 大学、清华大学、中国科技大学、上海 交通大学等高等院校。下面介绍几个主 要的移动机器人。 美国 active media 公司成功地开发 了先锋系列轮式移动机器人。以 pioneer2-dxe 为例，如图 12 所示， 它采用两轮驱动、一轮从动的结构拖动车体在平地上运动，基于西门 图 12 美国 pioneer2-dxe7 基于 dsp 无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现 6 子的 c166 的控制器在分析来自声纳传感器 和图像传感器的基础上，按照一定的控制算 法对分别驱动左右电机进行控制，从而实现 机械小车的启停、转向等。 澳大利亚墨尔本大学研制的轮式移动机 器人 robot j edgar 可以用作视觉导航移动机 器人应用的测试平台。如图 13 所示，小车 体积较小，车体高 66cm，直径为 48cm；小车 采用左右两轮分别驱动、前后各装一个定位 轮的结构，驱动速度达 40cm/s。系统集成了声纳传感器和图像传感器。 该机器人具有发现目标、自主避障的功能。 1.3 本本课题课题研究内容及意研究内容及意义义 （1）我国移动机器人研究及制作，在传感器、控制器和控制算法上普遍 落后于欧美发达国家，特别是使用单片机作为机器人的控制器，不仅 使整个电路系统复杂，而且在控制精度、控制算法及实时性方面均受 到限制。本文正是突破这种传统做法，选用性能更强的 dsp 作为控制 器的核心进行开发的。 （2）目前，国内外许多学者从理论方面研究了驱动可行走机器人的运动 规划以及控制方法，并且取得了丰硕的成果。尽管有许多控制策略考 虑到了实际系统中存在的各种不确定性和扰动对系统的影响，从而建 立了相应的鲁棒控制方法，并进行了仿真试验，但这种理论上的模拟 和实际应用的情况仍然相差甚远。要将这些理论上的控制方法应用到 实际工程中去，必须首先经过实验验证，然后才能应用到工程实际。因 此，研制轮式移动机器人的实验平台及相应的控制装置，并且在该装 置上进行控制算法的实验研究具有十分重要的意义。 （3）许多机器人，尤其是足球机器人，驱动几乎清一色是直流电机。直 流电机速度快，但控制精度低。为实现无线高精度控制机器人，本文实 现了 dsp 步进电机控制器的解决方案，理论控制精度达 0.08cm。 图 13 robot j edgar 7 第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品 7 （4）该作品适合于近距离侦察、攻击目标。基于蓝牙技术的无线通讯距 离短，隐蔽性好，而且独特的载波监测、地址匹配、数据就绪输出给破 译和干扰带来相当的难度。 （5）该作品还具有美学欣赏价值，又因其语音功能而具有人机互动能力， 所以有很强的娱乐性，可向玩具商品方向发展。 第第 2 2 章章 灵狐机器人系统及其运动模型灵狐机器人系统及其运动模型 2.1 系系统统框架框架 基于 dsp 无线通讯多功能机器人平台“灵狐”主要有三大功能，近地侦 察、逐球和舞蹈。前两者均属于半自主系统，而舞蹈功能的实现无需反 馈信息，属于完全自主系统。 近地侦察是一种基于人的思维判断的反馈式无线控制系统，其硬件框 图如图 21 所示。整套系统可分为七个子系统，即 gps 辅助导航子系 统、语音识别子系统、无线图像传输子系统、音乐控制子系统、dsp 驱 动控制子系统、无线通讯子系统及超声波子系统。无线图像传输子系 统实时传输给控制台图像数据，同时 gps 辅助导航子系统也实时地传 回机器人所在的经纬度，控制人员根据所获得的信息通过无线通讯子 系统控制机器人的运动。其中主控制台是系统控制器，dsp 驱动控制 子系统和音乐子系统可以看成执行机构或控制对象，而无线通讯子系 统则是主控制台和 dsp 驱动控制子系统中间的信息桥梁，超声波子系 统、gps 辅助导航子系统及无线图像传输子系统配合有效控制。 超声波 子系统 gps辅助导航子系统 语音识别 子系统 dsp驱动控制子系统 无线视频传输子系统 无线通信子系统 发送端接收端主控台 显示器 （gps信息和 图像信息） 视频和gps反馈 灵 狐 基于 dsp 无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现 8 图21 基于人的思维判断的反馈式近地侦察模式硬件框图 逐球机器人是一种基于视觉闭环自治的无线控制系统，其硬件框图如 图 22 所示。整套系统可分为图像处理子系统、dsp 驱动控制子系统、 决策子系统和无线通讯子系统共四个子系统。视觉子系统感知场地上 环境信息和运动物体的位姿状态，并将其传送给决策系统，决策子系 统对这些信息进行分析处理，再通过运动控制函数和无线通讯接口将 决策内容转化为输出指令，无线通讯子系统以广播通信方式将指令发 送给机器人驱动子系统，机器人小车接受指令完成速度跟踪控制。 决策子系统 图像处理子 系统 运动控制子 系统 机器人dsp驱 动控制子系统 无线通信子 系统发送端 c 无线通信子系统 数字图像 pc 摄 像 头 图22 基于视觉闭环自治的逐球机器人模式硬件框图 整套系统是一个完整的自治系统，它具有一个实时的视觉闭环。图 23 是逐球机器人系统平台全视图。 图23 逐球机器人模式平台全视图 舞蹈功能由机器人自主系统实现，按指定路径伴随音乐节拍做相应舞 蹈动作。 2.2 灵狐机器人运灵狐机器人运动动建模建模 轮式移动机器人是典型的非完整性系统，其物理含义是机器人不能沿 轮轴方向运动5。非完整性控制系统没有孤立的平衡点，因此没有局 部渐进稳定平衡点，只存在包含原点的平衡流形。 第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品 9 移动机器人的轮子可分为两种类型：传统轮和瑞典轮。图 24(a)为传 统轮的偏心方向轮。偏心轮 具有全方位运动能力，同样 瑞典轮也是全方位轮，如图 24(b)所示，点的速度为： p （2-1） sxp ue)e(rv 其中， 为轮子半径；为 r x e 轴的单位向量；为速度xu 向量；为瑞典轮的滚动轴运动的单位向量； 、 为机器人质心的 s e p v 瞬时线速度和角速度。 不同的轮式具有不同的运动能力和约束。通常用运动自由度 dom 和 舵性自由度 dos 的组合形式（dom，dos）来定义轮式机器人的移动 能力8。只具有两个运动自由度的 (2，0)系统为目前普遍研究对象。 基于 dsp 无线通讯的 agent 采用 2 轮差分结构，前后端分别有支撑的 万向轮。 .1 运动学模型运动学模型 如图 25 所示，、 轴为机器人外部环境坐标系，而、轴所代xy c x c y 表的就是机器人自身的坐标系。机器人的位姿就是， t aa yx r p 其中为机器人在绝对坐标系中的坐标。),( aa yx xoy 图 25 轮式移动机器人运动学模型 图 26 坐标转换 确定机器人的位姿要引入坐标变换的概念。如图 26 所示，抽象化机 图 24 移动机器人采用的传统轮和瑞典轮 基于 dsp 无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现 10 器人为点，在绝对坐标系中的坐标为，在相对坐标系p xoy ),( aa yx 中的坐标为，机器人中心在绝对坐标系中的坐标为 ccc yox),( rr yx ，在中的角度为 。则可得点在两种坐标之间的转),( mm yx ccx oxoyp 换公式 （2-2） mrra mrra mamar mamar yxyy xxy xxyyy yyxxx )sin()cos( )cos()sin(x )sin()()cos()( )sin()()cos()( 假定轮子和地面之间没有滑动，即每瞬时与地面接触点的速度等于 零。则每个轮子的运动学方程为： （2-3） l r rlyx rlyx i/ 终止符回撤，换行 表 33：nmea 0183 语句格式 对于gps15l/h 和gps25lvs，串口2 还可以接收gps 的差分改正 信息，该信息在rtcm recommended standards fordifferential navstar gps service, version 2.2, rtcm special committee no. 104中有完整 的定义，请参见。 基于 dsp 无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现 30 .5 gpggagpgga 语句解析语句解析 gps-oem板输出带有各种功能的数据语句有多种,如 $gpalm、$gpgga、$gpgsa、$gpgsv、$gprmc等，其中以 $gpgga定位数据语句最为常用。其结构如下： $gpgga,m,m,*hh utc 时间，hhmmss（时分秒）格式 纬度ddmm。mmmm（度分）格式（前面的0 也将被传输） 纬度半球n（北半球）或s（南半球） 经度dddmm。mmmm（度分）格式（前面的0 也将被传输） 经度半球e（东经）或w（西经） gps 状态：0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位，6=正在估算 正在使用解算位置的卫星数量（0012）（前面的0 也将被传输） hdop水平精度因子（0.599.9） 海拔高度（-9999.999999.9） 地球椭球面相对大地水准面的高度 差分时间（从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定 位将为空） 差分站id 号00001023（(数据头被传送,若无差分gps则为空) 表34：global positioning system fix data（gga）gps 定位信息 3.6 语语音音识别识别子系子系统统 为使“灵狐”系统更为完善，我们为它添加了特定人的语音识别功能。 其基本识别功能为：语音识别“停” 、 “左转” 、 “右转” 、 “执行任务”、 “前进” 、 “后退”共6句话。 完整的语音识别系统可大致分为语音特征提取、声学模型建立、模 板匹配(识别算法)、语言模型与语言处理四个部分，其中语音特征参数 提取是模式识别的关键问题22。特征参数的好坏对于语音识别精度 有很大影响。 系统选用美国sensory公司开发的为消费类电子产品应用的低价位 语音识别专用嵌入式模块rsc364。 rsc364使用预先学习好的人工神 经网络进行非特定人语音识别，不需要经过训练就可以识别 “yes“、“no“、“ok“等简单语句，识别率为95%左右。此外，rsc364还可 以识别特定人、孤立词命令语句，约60条左右，识别率为97%左右。此 第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品 31 外，它还具有改进的adpcm（自适应差分脉冲调制）语音编解码功能， 用作语音回放23。 .1 系统硬件接口图系统硬件接口图 本系统采用dsp的io口和嵌入式模块rsc364构成语音识别子系统。 其硬件接口电路图如图417所示。iopa0作为rsc364的选择端， iopa1、iopb0、iopb1三个io口（初始状态111）用来显示识别到的语 音。rsc364在应用时，可以根据不同应用选择不同的存储结构。 图316 rsc364与dsp硬件接口电路图 dsp采用定时器2每个8ms中断一次，查询io口状态，当发现识别到 实现特定语音后，进行相应的处理。语音识别子系统与dsp具体的通信 协议见见表35。 识别的语 句 io 口状 态 表达含义 000 初始状态（停止） 停 001 停止 左转 010 机器人左转 90 度左右 右转 011 机器人右转 90 度左右 执行任务 100 机器人高速旋转 前进 101 以 150hz 频率向前运动， 大约 5 秒钟 后退 110 以 150hz 频率向后运动， 大约 5 秒钟 表 35：语音识别子系统与 dsp 通信协议 .2 非特定人语音识别程序的编写非特定人语音识别程序的编写 与rsc364相配套的是非可视化的软件开发环境，整个程序的编写 为汇编语言与dos语句的嵌套调用。源程序代码在记事本中编写,保存 基于 dsp 无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现 32 为*.a的格式。此外,还需在记事本中编写在dos环境下进行编译和连 接时用到的批处理文件,保存为*.bat的格式。主程序流程图如下： 图 317 语音处理流程图 具体制作过程如下： 1) 应用 cooledit 录音软件录音并分割 wav 文件，得到 5 个 wav 文件； 2) 编辑 voice.txt 文件，给此 5 个 wav 文件排序； 3) 运行 setpath.bat,设置路径（具体路径视提示音制作软件的存放位置 而定）； 4) 运行 make.bat,生成 voice.bat 文件； 5) 运行 voice.bat,生成 raw 及 vsf 文件； 6) 运行 quick.bat,生成 data.a 文件； 7) 运行 rena.bat,将 data.a 改名为 sdcn.a； 8) 运行 sa1.bat,对 sdcn.a 进行编译，得到 sdcn.o 文件； 9) 根据 voice.txt 中各 wav 文件的顺序，编辑 sdcna.a 文件，进行拼句； 10)运行 sa2.bat，对 sdcna.a 进行编译，得到 sdcna.o 文件； 11)将 sdcn.o 及 sdcna.o 进行链接（在*.bat 批处理文件中加入 link.cmd 中，并重新进行链接），即可调用； 12)将源文件和批处理文件在 dos 环境下生成*.bin 二进制文件，由烧 录机烧入程序存储器 sst39sf020 中即可。 第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品 33 3.7 音音乐乐控制子系控制子系统统 .1 系统设计方案系统设计方案 系统选用歌曲友谊地久天长，重在表现两个人成为朋友，而后四 海为家，各自发展事业，经过曲折人生之路，重新走到一起牵起手，证 实友谊地久天长。针对歌曲本身的含义，我们设计了一套舞蹈方案。 系统采用单片机产生音乐。图 318 为单片机产生音乐的原理图， 系统采用嵌入式音乐产生电路是为了提高 dsp 的控制性能。 图 318 单片机产生音乐原理图 系统采用单片机和 dsp 的 io 口构成音乐子系统，再配合 dsp 驱 动控制子系统构成舞蹈机器人系统。dsp 通过 io 口控制音乐的开始 和结束，同时调用 dsp 驱动控制子系统控制机器人跳出优美的舞蹈。 .2 音乐子系统的实现音乐子系统的实现 一首音乐是许多不同的音阶组成的，每个音阶对应着不同的频率。 系统利用单片机的定时/计数器 t0 产生方波频率信号。 要产生音频脉冲，只要算出某一音频的周期（1/频率），然后将此周 期除以 2，获取半周期的时间。利用定时器计时这个半周期时间，每当 计时到后就将输出脉冲的 i/o 反相，然后重复计时此半周期时间再对 i/o 反相，就可以 i/o 脚上得到此脉冲的脉冲。利用 8051 的内部定时 器使其工作在计数器模式 model 下，改变计数值 th0 及 tl0 以产 生不同频率的方法24。计数脉冲值与频率的关系公式如下： （3-11） ri ffn/2/ 基于 dsp 无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现 34 其中为计数值；为 1mhz（内部计时周期为 1us）；为要产生的n i f r f 频率。 先把乐谱的音符找出，然后由表建立 t 值的顺序；然后把 t 值建立 在 table1,构成发音符的计数值放在“table”。 每个音符使用 1 个 字节，简谱码（音符）为高位，节拍（节拍数）为低 4 位，音符节拍码放在 程序的“table”处即可产生预先设定的音乐。 附录 1 有详细的配合音乐的 dsp 舞蹈控制程序。 3.8 逐球逐球图图像像处处理子系理子系统统 .1 系统设计方案系统设计方案 逐球图像处理子系统由 usb 摄像头、硬件设备和图像处理软件组 成。该系统的主要功能是不断快速地采集、处理场地的图像，通过不断 辨识小球和机器人顶部的图标，及时得到场上机器人和球的有关数据， 并将这些数据传给主机上的决策子系统进行分析决策使用。如图 319 所示，逐球机器人系统是一种基于视觉闭环自治的无线控制系 统。整套系统是一个完整的自治系统，它具有一个实时的视觉闭环。 决策子系统 图像处理子 系统 运动控制子 系统 机器人dsp驱 动控制子系统 无线通信子 系统发送端 c 无线通信子系统 数字图像 pc 摄 像 头 图319 基于视觉闭环自治的逐球机器人结构框图 机器人系统中普遍采用的是稳定性、可携性和精确性比较高的 ccd（charge coupled device）模拟摄像头25。摄像头获取模拟量的视 频图像，图像采集卡完成模拟量/数据量转换，使视频信号数字化。各 种图像采集卡进行模/数转换的精度、传输速率、支持的功能各不相同， 这对系统的采样周期、采样精度都有很大的影响，而且由于采集卡的 存在使得整套系统结构非常复杂。usb 摄像头可以实时地获取数字图 像，虽然采集速度相对 ccd 摄像头慢一些，但选用 usb 摄像头大大 简化了系统，增加了系统的稳健性。 第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品 35 串联 pd(比例+微分)控制利用系统误差,误差的微分信号构成控制 规律,对被控对象进行调节,具有实现方便,成本低,效果好,适用范围广 等优点,因而在工业控制中得到了广泛的应用37 38。机器人底层控 制算法采用了经典的 pd 控制算法。 .2 图像处理子系统的研究与实现图像处理子系统的研究与实现 系统结构图系统结构图 要进行物体识别，必须先做图像分割，即根据图像的某种特征按照 一定的规则把图像分割成互斥的区域，以获得图像中蕴涵的有用信息。 逐球图像处理子系统需实现每秒几十幅图像的辨识，并给出各个实体 精确的位置坐标与朝向角。这种快速性、精确性要求使该系统的设计 与实现成为相当艰巨的任务。图像分割的精确度及实时性将直接影响 到机器人定位等后续工作。图 320 为图像处理子系统结构图。 实时视觉信息 图像分割 物体识别 三维变换 非法性检测阈值修正 颜色表 特征提取器 采样数据 性能评测 摄像头 机器人 高层决 策系统 颜 色 表 信 息 不好 好 离线颜色分析器 （微机操作） 实时视觉信息处理 （机器人操作） 图 320 逐球机器人图像处理子系统结构图 图像模型的选择图像模型的选择rgbrgb 模型模型 有些论文对图像模型的选择时选择了 hsi 模型2627，虽在 his 空间的工作更直观，但分割是这样一个领域，通常用 rgb 彩色向量得 到的结果更好28。假设目标在 rgb 图像中分割特殊彩色区域的物体。 给定一个感兴趣彩色的代表性的彩色点样品集，可得到一个彩色“平均” 估计。这种彩色是我们希望分割的彩色，令这个平均彩色用 rgb 向量 基于 dsp 无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现 36 表示。分割的目标是对给定图像中每一个 rgb 像素进行分类，因为在 确定的范围会有某种颜色或没有这种颜色。为了执行这一比较，有一 个相似性度量是必要的。最简单的度量方法就是欧式距离，如图 321（a）所示。令 代表 rgb 空间中的任意一点，如果它们之间的距 z 离小于特定的阈值，即认为 和 是相似的， 和 的欧式距离由下 o d zaza 式给出： （3-12） 2 1 222 )()()( ),( bbggrr d azazaz a)(za)(zazaz 2 1 t 这里注脚 r、g、b 表示向量 和 和 rgb 分量。因为距离是正且单调 az 的，可以用距离的平方运算来代替，这样就避免了开方运算。然后，即 使不计算开发根，上式的计算代价也很高。一个好的方案就是使用边 界盒，如图 321（b）所示。在该方法中，盒的中心在 上，沿每一个彩 a 色轴的尺度选择与沿每一个轴取样的标准差成比例，标准差的计算只 使用一次样本彩色数据。给定一个任意的彩色点，根据它是否在盒子 表面或内部来进行分割，如同用距离方法一样。然后，判定一个彩色点 是否在盒子表面或内部来进行分割，如同用距离方法一样，这样要简 单的多。 r g b r g b （a）（b） 图321 rgb向量分割的两种方法 空间坐标变换空间坐标变换 摄像头的成像过程可以通过 4 个坐标系来表达： (1)世界坐标系。 定义世界坐标系的轴在特征点所组成的直线上,垂直于地面。zy 用，表示其坐标。xyz 第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品 37 (2)摄像头坐标系。 以光心为坐标原点,轴与摄像头光轴重合,方向指向景物方 usb o usb z 向。用表示其坐标。),( usbusbusb zyx (3)投影图像坐标系。 表示景物点在图像平面上的投影,坐标原点为 usb 摄像头光轴 c o 与图像平面的交点, 和之间的距离为焦距,用表示其 usb o c of),( ccc yxp 坐标。 (4)计算机图像坐标系。 在计算机内部数字图像所用的坐标系统,一般以图像的左上角作为 坐标原点,轴方向从左到右, 轴方向从上到下。用表示其坐标。 xy ),( pp yx 为了清晰地拍摄出特征点,安装在移动机器人上的摄像头的光轴与 地面成一定的倾斜角度 ,并且固定这个角度。设摄像头光轴绕轴转y 动,与轴的偏转夹角为 ,摄像头离地高度为, 方向偏移距离为zhx ,在方向距离世界坐标系原点距离为 。摄像头的成像以针孔模型dzs 为基础,通过透视投影将三维空间的景物映像成二维图像平面的灰度 值。设摄像头已经定标,某一特征点在世界坐标系下的坐标为 ,在摄像头坐标系下的坐标为,两者转换),(zyxp),( usbusbusbusb zyxp 关系如下29： (3-13) s h d z y x cossin cos sin cossin sincos z y x usb usb usb 0 0 01 0 010 0 通过矩阵变换式(3-13)得到在摄像头坐标下的特征点的坐标值为： （3- scoscoshsindcoscos ssinsinhcosdsinsin ssindcos z y x cosossincosos sinincossinin sin0cos z y x p usb usb usb usb 14） 根据针孔模型的投影关系,可以得到特征点在投影图像平面坐标系 下的坐标值： 基于 dsp 无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现 38 (3-15) coscos)(sin)(sincos)( cossin)(cos)(sinsin)( coscos)(sin)(sincos)( sinsincos)( szhydx szhydx f szhydx szdx f z y f y x f y x p usb usb usb usb c c c 因为所有特征点都布置在地面上,所以为 0。投影图像坐标系的y 原点是光轴与投影坐标平面的交点,坐标值为某一长度单位),( ooc yxo (如 mm)来表示的,是一个连续变化的量。计算机图像坐标系下是以象 素为单位表达的,其原点在象平面的左上角,坐标如图 322 所示,转 p o 换关系为: (3-16) dyyyy dxxxx opc opc ) ( )( 式中 摄像头在和 方向的单位象素的间距,用 mm/像素表dydx,xy 示。 图322投影图像坐标系和计算机图像坐标系的关系 色标设计与识别色标设计与识别 自主逐球机器人的图像处理子系统是通过辨识机器人顶部的色标 来确定其位置、姿态的。色标的设计问题一直是机器人视觉系统设计 中的一个难题30。因为色标设计与辨识算法是紧密相关的，好的色标 设计不仅能提高辨识精度，而且可以改善系统的实时性和抗干扰性。 综合考虑，我们选用下图中的色标设计。 第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品 39 图 323 机器人色标设计 如图 57 所示，色标设计是关于机器人两边对称的。从光学的角 度来讲，物体表面的散射光向各个方向均匀辐射，因为色标的对称性， 光源和环境对色标的辨识结果的影响可以认为是均匀的，也就是在统 计意义下是零均值的，所以色标中心的求取可以通过统计的办法来直 接获得。辨识算法是分别辨识蓝色（队标）和绿色（队员）标志的中心， 通过两个色块中心来获得机器人的中心和角度，并且通过队员标志的 特征颜色来确定车号。小车的中心位于两个色标中心连线的中点，小 车正方向是由队标指向队员标志的射线所指的方向。 该辨识算法比较简单，系统实时性较高。但由于不同的颜色受环 境的影响不同，色块向周围扩散的程度不同，两个色标块交界的区域 有混色现象，这些因素都会导致很多的干扰和问题，如色标挑选难，色 块重心不稳，位置角度有偏差。另外，由于辨识的结果依赖于两个色块， 当其中一个由于环境的影响或噪声的干扰而丢失时，系统无法给出准 确结果。而且两个色标是一种对称分布，当两个机器人小车紧挨在一 起的时候容易出现粘连现象。 第第 4 4 章章 机器人底层控制算法设计机器人底层控制算法设计 逐球机器人是一种基于视觉闭环自治的无线控制系统。在逐球机 器人中，系统通过图像处理，配合 pd 控制算法，计算出机器人的轮速。 通过无线通讯发送出去，dsp 接收到指令后控制机器人的运动。本章 主要讨论逐球机器人工作模式中基于视觉反馈的机器人控制，结构框 图如图 41 所示。 基于 dsp 无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现 40 运动控 制器 决 策 系 统 感知系统视觉反馈 pdleft motor 控制反馈 机器人运 动模型 pdrightmotor 控制反馈 反 馈 信 息 控制 指令 r v l v l v r v 图41 基于视觉反馈的机器人控制系统结构框图 4.1 pd 控制控制简简介介 串联 pd(比例+微分)控制利用系统误差,误差的微分信号构成控制 规律,对被控对象进行调节,具有实现方便,成本低,效果好,适用范围广 等优点,因而在工业控制中得到了广泛的应用31 32。比例微分控制 器的传递函数为： （4-1）)1 ()(s k t kstksg p d pdpc 式中, 是微分时间常数。当=1 时, 的频率特性为 d t p k)(sgc ,对应的对数频率特性曲线如图 42 所示。 dc jtjg1)( 图 42 比例微分控制对数频率特性图 显然,pd 校正是相角超前校正。由于微分控制反映误差信号的变 化趋势,具有“预测”能力,它能在误差信号变化之前给出校正信号,防止 系统出现过大的偏离和振荡,因而可以有效地改善系统的动态性能。另 一方面,比例微分校正抬高了高频段,使得系统对高频干扰能力下降。 第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品 41 4.2 系系统实现统实现 在本系统中，如图 43 所示，机器人的方向与机器人到球的直线 之间的夹角为 ，此为当前角度误差。通过当前球与机器人之间的距离 计算出小车应该有的平均速度，具体公式为： （4-1） fullspeed emaxdistanc distance speed 其中为要计算的机器人的平均速度，为机器人与球之speeddistance 间的距离，为机器人与球的最大距离，为机器人的emaxdistancfullspeed 最高速度。当机器人与球的距离达到最大距离时，机器人就emaxdistanc 全速运行。 球 机器人 x y 图 43 pd 控制示意图 计算出后，根据当前角度误差 来控制机器人运动，相应的speed pd 控制程序代码为： （42 )( )( olddp olddp kkflagclockflagmovespeedrightvelrobot kkflagclockflagmovespeedleftvelrobot _ _ ）其中, 为当前角度误差,为上拍角度误差。 为运动方 old flagmove_ 向(向前或向后),为旋转方向(顺或逆时针),分别为 pdflagclock _ p k d k 控制参数,即为返回的左右轮速。 leftvelrobotrightvelrobot 基于 dsp 无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现 42 第第 5 5 章章 实现功能及轨迹控制精度误差实验实现功能及轨迹控制精度误差实验 5.1 实现实现功能功能 .1 “灵狐排练灵狐排练”模式模式 （1）基本思想 训练人员通过键盘键入控制指令，机器人按照指令进行相应的动作。 排练包括向左转 0x04，向右转 0x05，向后转 0x06，前进 0x03，顺时针 转圈 0x02，逆时针转圈 0x01，双 s 型 0x07 及配合音乐“友谊地久天长” 的一系列动作 0x08 等。 dsp ptr8000 串口 调试软件 rs232spi sci 图 51 无线通讯发送端示意图 ptr8000 dsp motor music spi pwm io 图 52 无线通讯接收、控制端示意图 （2）发送端(dsp_tx)dsp 程序框架 初始化系统寄存器； 初始化 spi,sci； 一直运行 sci_rx 程序，等待 pc 指令。当 pc 通过串口调试软件发 送指令具体步骤为 1.等待中断 2.中断产生，进入中断服务程序 第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品 43 uartrec（）3.在中断服务程序里将串口发送过来的键值通过 spi_tx_xx（）函数发送出去。软件流程图如图 53 所示。 开始 初始化系统寄存 器和spi,sci 是否产生 sci接收中 断 将数据通过 spi口送出去 是 否 图53 灵狐排练发送端流程图 （3）机器人接收端（dsp_rx）dsp 程序框架 初始化系统寄存器； 初始化 spi,io,pwm； 一直运行 spi_rx 程序，等待 ptr8000 传送过来的指令。pc 通过串口 调试软件发送指令控制两个机器人。软件流程图如图 54 所示。 开始 初始化系统寄存器和 spi,sci，关闭语音模块， 超声波模块、gps模块及无 线图像传输模块 等待产生 spi接收中 断 进入相应的处 理，主要用于 控制轮速 否 是 图54 灵狐排练接收端流程图 基于 dsp 无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现 44 .2 基于人的思维的反馈式近地侦察模式基于人的思维的反馈式近地侦察模式 （1）基本设想 机器人通过无线通讯接收指令；控制台工作人员可以利用pc、 控制平台及gps定位信息控制机器人；机器人开始往指定目的地 运动，运动过程中，不断传回图像数据；到达指定地点实现特殊任 务，如爆破。 （2）发送端(dsp_tx)dsp 程序框架 初始化系统寄存器； 初始化 spi,sci； 一直运行 sci_rx 程序，等待 pc 指令。当 pc 通过 vb 发送键 盘指令后，将键盘指令发送出去。具体步骤为 1.等待中断 2.中 断产生，进入中断服务程序 uartrec（）3.在中断服务程序里将串 口发送过来的键值通过 spi_tx_xx（）函数发送出去。4. 每隔 1s 就将发送状态改为接收状态（发送 0x08），接收 gps 的位置 信号，通过串口在 pc 上显示。软件流程图如图 55 所示。 （3）机器人接收端（dsp_rx）dsp 程序框架 初始化系统寄存器； 初始化 spi,io,pwm； 一直运行 spi_rx 程序，等待 ptr8000 传送过来的指令。pc 通 过串口调试软件发送指令控制机器人。如果接收到的数据是 0xff，则将 ptr8000 的模式切换为发送模式，将 gps 信息发 送给主控制台，然后在切换回接收模式。软件流程图如图 56 所示。 第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品 45 开始 初始化系统寄 存器和 spi,sci 串口接收中断 程序入口 等待产生 spi接收中 断 接受到的字 符是否是 0x08 将接收模式转换 成发送模式，然 后将gps信息（字 节）发送出去 否 是 是 否 进入语音识别 演示模式 接收gps位置 信息并存储 中断返回 字符是否 为0x32 是 否 字符是否 为0x35 进入超声波避 障模式演示 是 否 进入相应的处 理 开始 初始化系统寄 存器和 spi,sci 是否产生 sci接收中 断 将数据通过 spi口送出去 定时5秒中断 函数入口 发送数据 0xff,然后改 变spi发送模 式为接收模式 等待spi接收 数据（64个字 节） 通过串口向pc 传送gps数 据，中断返回 数据接收完 毕，spi变成 接收模式 是 否 图 55 灵狐机器人接收端流程图 图 56 灵狐机器人发送端流程图 .3 基于视觉闭环自治的逐球模式基于视觉闭环自治的逐球模式 1 基本思想 该系统的主要功能是是不断地、快速地采集、处理赛场地的图像， 通过不断地辨识小球和机器人顶部的图标，及时得到场上机器人和球 的有关数据，并将这些数据传给主机上的决策子系统进行分析决策使 用。运动控制函数（核心为 pd 算法）利用机器人和球的坐标信息分析 出机器人应该执行的动作，通过无线通讯控制机器人向球的方向运动。 整套系统是一个完整的自治系统，它具有一个实时的视觉闭环。网球 为绿色，小车上蓝色和红色用于定位。网球为目标点，可实现机器人追 逐网球。 实时视觉信息 图像分割 物体识别 三维变换 pd控制算法 无线通讯发送端 机 器 人 和 小 球 位 姿 信 息 轮 速 信 息 图 57 逐球机器人上位机 vc 软件流程图 基于 dsp 无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现 46 2 图像处理 vc 程序框架 初始化图像处理信息，根据实时动态视觉信息进行分析，通过 pd 控制算法后，通过无线通讯发送出去。 3 发送端（dsp_tx）dsp 程序框架 初始化系统寄存器； 初始化 spi,sci； 初始 sci_rx 程序，等待 pc 指令。当 pc 通过串口调试软件发 送指令具体步骤为 1.等待中断 2.中断产生，进入中断服务程序 uartrec（）3.在中断服务程序里将串口发送过来的键值通过 spi_tx_xx（）函数发送出去