基于机器人创新实训室方案.doc

基于机器人的物联网实验实训室建设方案组成模块关键技术参数用途BS2微控制器应用开发平台BS2微控制器加带面包板的教学板物联网基础嵌入式系统开发平台C51/AVR单片机应用开发平台AT89S52和Atmega8单片机和带面包板的教学板物联网单片机系统开发平台，用作专业基础平台基于ARM V7 Coretex M3嵌入式开发平台带面包板的嵌入式开发平台用作高端、专业物联网应用嵌入式开发平台两轮小车对象两伺服舵机、合金车体等移动对象，模拟运输车辆等中型自主移动机器人（含笔记本控制器）两轮直流伺服电机驱动，驱控一体化控制器，全自动导航能力，PC上位机智能控制器，配备RFID读卡设备和自主导航设备作为移动的平台到室内或者室外读取各种物品的标签和相应物品属性，再通过无线局域网发到互联网上RFID标签直径50mm，圆形，进口，125KHz频率，读取距离25英寸作为物体标识，或者机器人身份标识无线射频识别卡通过USB口与电脑连接并供电，2400bps串行通讯速率，尺寸62.2mm W x 82.5mm H可连接到工作站PC，或者移动机器人的控制PC上扩展智能传感器套件循迹传感器模组、超声波传感器、数字编码器套件、双轴加速度传感器、三轴加速度传感器、颜色传感器、温湿度传感器、CMU摄像头、传感器安装云台各一套，都能直接通过面包板与微控制器集成安装到机器人上或者物体上面，检测机器人或者物体属性RF接收和发射模块433MHz，传送速率1200至9600bps，信息传送距离100m用于远程操控机器人XBee无线通讯模块1mW芯片天线，250kbps115kbps，室内30m，室外100m通讯距离用于无线传送物品或者设备信息小型GPS模块GPS模块具有内部集成天线,依靠多达12颗卫星，能够输出标准的基于NMEA0183字段或者经过处理后的数据信息。GPS通过串行通信接口，能够提供当前的时间、日期、纬度、经度、海拔高度、速度和前进方向等数据信息。实际应用：导航、跟踪系统、绘图、车队管理以及机器人等。跟踪并感知机器人位置配套电脑和网络设备PC机等配套物体和设施带颜色的物体、机器人跟踪轨道、障碍物等注意：以上设备数量可以根据学校实际情况进行调整。目录一、方案背景2二、方案目的2三、项目设计2四、设备配置21、BS2微控制器应用开发平台22、C51/AVR单片机应用开发平台33、基于ARM V7 Coretex M3嵌入式开发平台54、两轮小车对象55、中型自主移动机器人66、扩展智能传感器套件10循迹传感器模组10超声波传感器10编码器反馈套件10双轴加速度计10三轴加速度计11颜色传感器套件11温湿度传感器11视频采集套件11传感器安装云台127、RF无线电发射/接受模块128、无线射频识别卡(USB或串口通信)129、小型GPS模块12五、方案配置及报价12一、方案背景传感与物联网技术是继计算机、互联网技术之后，世界信息产业的第三大浪潮，该技术通过现代智能传感器技术、射频识别（RFID）技术、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。本方案将机器人模拟各种物流车辆和侦察机器人等，将每一个机器人的本身信息和感知到的现场环境信息同互联网连接起来，以实现机器人的感知信息传输、机器人识别和定位、跟踪、监控和管理功能。二、方案目的机器人是未来技术的核心，装备各种传感器的机器人可以模拟未来各种移动智能设备，实现对周边环境（如温度、湿度、光强等）和被侦测物体的特性（如浓度、密度、温度）检测与信号转换，并通过无线传输机器人和RFID技术连接到互联网。为了使学生能够真正掌握互联网的核心技术（包括射频技术、传感技术、GPS技术和ZigBee无线传输技术等），本实验室通过提供各种机器人对象、传感器模块、无线传送模块和GPS模块的组合，让学生在构建各种物联网的过程中掌握物联网的集成技术和应用编程方法。三、项目设计1、给固定的物体增加RFID标签、传感和发射模块，直接将物体的属性等信息发到互联网上，实现对不可移动的设备和财产的监控和保管；2、给移动的物流车辆或者其它移动设备增加传感和无线传送功能，将本身的属性或者感知到周边环境信息发送到互联网，实现对移动设备或者财产的监控和管理。3、其他物联网扩展应用。四、设备配置1、BS2微控制器应用开发平台BS微控制器是以PBASIC为编程语言，控制器本身植入了PBasic语言解释器，通过解释器对PBASIC应用程序进行解释执行的微型计算机，一般具有8路或16路I/O通道，每个I/O通道管脚可直接连接到按钮开关、发光二极管、扬声器、电压计及其它TTL装置等。通过增加一到两个额外元器件，I/O接脚就可以连接到非TTL装置，如线圈、继电器等。根据存储容量、处理器速度、以及指令执行速度的不同分为若干型号。机器人上常见的BS系列控制器如下：PIC2芯片由一个5伏特电压调节器、晶振、Serial EEPROM和PBASIC解释器（使用Micro Chip公司8位的PIC16C57单片机）组成，PBASIC程序储存在非挥发性(断电后程序仍可保留)的Serial EEPROM内，解释器从EEPROM读取已储存的程序代码或将数据写进去。解释器每次读取一条指令，经过解释后对输入/输出接脚、或本身内部结构进行适当的操作。PBASIC程序储存在EEPROM中，程序可无限地被重复修改及写入。PIC2被封装为24脚双列直插式芯片，含有两个专用个串行通讯口，16个IO管脚，以及供电管脚。2、C51/AVR单片机应用开发平台C51/AVR教学板涵盖了由“AT89S52”组成的51单片机最小系统和由“ATMEGA8”组成的AVR单片机最小系统。AT89S52是一种高性能、低功耗的8位单片机，内含8k字节ISP（In-system Programmable,在系统编程）可反复擦写1000次的FLASH只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS51指令系统及其引脚结构。在实际工程应用中，功能强大的AT89S52已成为许多高性价比嵌入式控制应用系统的解决方案。对微控制编程采用德国KEIL公司出品的51系列单片机C语言集成开发系统。通过该集成开发系统，可以直接对单片机的4个8位的并行I/O口：P0、P1、P2和P3进行编程控制。这4个接口，既可以被定义为输入，也可以被定义为输出；可按8位处理，也可按位方式（1位）使用。AT89S52芯片是一个标准的40引脚双列直插式集成电路芯片。ATmega8作为CPU，ATmega8是一种比51系列更为强大的高性能、低功耗的8位单片机，不需要仿真机和编程机，只需运用ISP电缆就可以对单片机的FLASH反复擦写10000次以上，因此使用起来特别方便简单，尤其适合初学者使用，而且配置十分灵活，可扩展性特别强。在实际工程应用中，功能强大的ATmega8已成为许多高性价比嵌入式控制应用系统的解决方案。对微控制编程采用WinAVR编辑器集成开发系统。通过该集成开发系统，可以对AVR系列单片机拥有的23个可编程、并且内部带上拉电阻的并行I/O口：PC、PB和PD进行编程控制。这23个接口，既可作为输入，也可以作为输出；可按8位处理，也可按位方式（1位）使用。单片机ATmega8是一个标准的28引脚双列直插式集成电路芯片。1. 主要特点 通过两个跳线，实现51单片机和AVR单片机切换工作或同时工作。在一块控制板上完成AVR和C51间的异种单片机间通信实验。 配备各自独立的RS232接口，实现与计算机进行串行通信。 配备各自独立的ISP接口，实现在系统编程。 配备各自独立的20PIN排母接口，实现与其他设备如液晶屏、视频采集等套件的连接，从而完成更多任务。 为每种单片机配备4组3PIN电机驱动接口，为机器人的伺服电机提供电源和驱动信号。 提供47mm36mm的实验面包板，结合单片机各IO口，可搭建电路，或与其他传感器连接，完成更多的单片机实验。2. 配件清单 电路板（包含电源模块和相关接口） Atmel 89S52单片机 Atmel Atmega8-16PU单片机 3. 技术参数 尺寸：102 mm97 mm 电源：69V直流电源 晶振：11.0592MHz (89S52) 4MHz(AVR)4. 89S52性能参数 与MCS-51单片机产品兼容 8K字节在系统可编程Flash存储器 擦写寿命1000次 256字节的片内RAM 512字节的片内EEPROM 三级加密程序存储器 32个可编程I/O口线 三个16位定时器/计数器 八个中断源 全双工UART串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 掉电标识符 工作电压：4.2 - 5.5V5. Atmega8性能参数 高性能、低功耗的 8 位AVR 微处理器 8K 字节的系统内可编程Flash 擦写寿命10,000 次 512 字节的EEPROM 1K字节的片内SRAM 23个可编程的I/O 口 通过片上Boot 程序实现系统内编程 两个具有独立预分频器8 位定时器/ 计数器, 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器 两个可编程的串行USART 具有独立振荡器的实时计数器RTC 三通道PWM 8 路10 位ADC 可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 工作电压：2.75.5V3、基于ARM V7 Coretex M3嵌入式开发平台“大学版”包含Cortex-M3嵌入式系统的JTAG接口（底板）、RS232串口（底板）、CAN总线接口（底板）、USB接口（底板）、SD卡接口（底板）、触摸屏接口（底板）、音频接口（底板）、存储扩展接口（底板）、RTC实时时钟接口（底板）、I2C /EEPROM接口（底板）、A/D接口（底板）、Key接口（底板）、LED接口（底板面包板外接）、LCD1602接口（底板）、LCD12864接口（底板）、TFT LCD接口等，还包括常用数字温度传感器，覆盖范围极广，便于教学；还安装了150mm120mm大小的面包板，结合提供的接口，可以在上面连接传感器；此外还提供了20PIN的排母，可以用来扩展新的面包板或更多的传感器模块,支持多种电源接口：电池、USB（可采用电脑、笔记本USB接口供电，方便学生学习）、变压器、开关电源。支持5-12V宽电源供电。主要技术指标：1、采用模块化结构、开放式接口；2、在PC机上用软件对开发板进行编程，在通过ULINK仿真器连接JTAG口将程序下载到开发板中，拔去连接线，可按指令自主运行编写的程序；3、引出所有I/O口方便2次开发，或者科技创新；4、支持80路数字式输出，可控制至多80个舵机、继电器、电继阀、LED灯、蜂鸣器；5、16路12位模拟输入，I2C EEPROM 接口，4个LED与4个按键，2个MAX3232芯片和DB9针口，SD卡插口，字符型LCD1602和触摸式点阵液晶12864，TFT LCD，1线制温度传感器 DS18B20，CAN总线接口，USB接口，扬声器及麦克风6、具有基本传感器：红外、光敏、麦克风、碰撞等；可配置扩展传感器或执行机构，如：灭火风扇，超声测距，红外测距等。4、两轮小车对象名称图片参数伺服电机外形尺寸（mm）：40.5x20.0x38.0重量：45.0g 速度：0.19sec/60扭矩：47 oz-in底盘底盘1个电池盒 1个轮子和支撑脚轮 1套连接螺丝 1套等5、中型自主移动机器人中型自主移动机器人是一个集机器人教学、研究一体的综合平台，具有可靠性高，系统开放性大，可扩展性好等特点。它融小车机械、精密传动、智能伺服驱动、实时图像处理与图像识别、自组织与自学习、多智能体协调以及无线通讯技术于一体，既是一个典型的机电一体化系统开发平台，又是一个多智能体系统、多机器人协调合作与对抗的研究平台。1、中型智能机器人系统软件平台组成中型智能机器人系统软件由五部分组成：视觉模块、个体策略模块、整体策略模块、运动控制模块及网络通信模块。 1）视觉模块： 视觉模块是一套面向多种应用的实时机器视觉软件。具有目标识别、跟踪、定位、通信等多种功能。可以适用于单目视觉、全景视觉以及显微视觉系统。 主要功能及特点如下： 1. 多目标跟踪，可以设定 8 个颜色通道。 2. 目标定位，可以计算目标的相对距离和朝向。 3. 实时图像处理，处理速度为 25帧 / 秒 （2.0 GHz P4-M CPU ， 256M RAM ， 320 240 图像分辨率） 4. 提供二次开发的接口 (C+) 5. 图像处理结果可以网络实时调用 6. 通道学习结果可以保存和调用 7. 支持在线和离线两种特征学习方式 。 8. 窗口式操作界面，简单易用 9. HIS （色调 / 亮度 / 饱和度）颜色空间域值划分，对光线变化的鲁棒性强。 2）个体策略模块： 个体策略模块是对机器人个体的规划与控制。 主要功能及特点如下： l 机器人规划与控制，包括避障、导航、路径规划等。 l 传感器融合，包括对全向视觉、前向视觉、里程计等信息的融合。 l 递阶式体系结构：具备完整的任务规划和行为控制机制。 l 提供了丰富的标准 API 函数：加快了用户二次开发进度。 l 基于进程间通信（ IPC ）的软件结构，实现灵活、快捷的编程方式。 l 采用面向对象的技术设计软件，使整个程序设计更加标准化。 l 混合式的控制体系结构，使机器人兼备规划能力和快速的反应能力。 l 基于状态机的行为产生机制，便于用户理解并设计新行为。 l 预定义丰富的标准 API 行为函数，加快用户开发程序的进度。 3）整体策略模块： 教练模块是用于多移动机器人控制的一个任务规划与实施平台，主要解决机器人的传感、通信、控制、规划和协作等关键问题，可以完成多移动机器人的编队、合作导航、定位、踢足球等多种复杂任务，其中涉及技术领域较多，如多机器人学、任务规划、多智能体系统、分布式感知、人机交互、网络通讯等。 软件主要功能及特点如下： l 在程序设计上，本软件采用面向对象和图形化的方法，使用了大量的可视化控件，为用户提供了一个简洁易用的开发设计环境。 l 易用性：本软件所实现的功能都可由用户使用鼠标操作来完成，同时提供一些键盘功能键与快捷键方便用户的使用。所有操作都不需要用户进行代码编写（获得作者许可的对软件的二次开发除外）。 l 图形化：本软件使用了大量的可视化控件，同时为了实现有限状态机的方法还自主开发了大量的实用控件。 l 重用性：对于机器人任务，可以保存、重用，并且可以将任务合并、修正。 l 可扩展性：在软件中，为用户保留了状态和触发的扩展，用户可以根据自己的使用需要自行设计添加新的状态和触发，只要满足约定的控件要求和设计正确的通讯报文，用户自定义的控件使用起来与系统控件同样简单方便。 4）运动控制模块运动控制模实现了对机器人运动系统的控制，可实现位置、速度控制。整个模块窗口式操作界面，简单易用。有很强的可扩展性，方便用户二次开发。 1. 运动控制接口函数DLL库，提供机器人底层运动控制所需的各种功能函数，包括电机运动方式、加减速模式、电机控制方式的设置等。2. 运动控制调试环境模块，能够对机器人运动电机的电流环、速度环和位置环参数进行调整和设置，使电机处于最佳的工作状态。3. 机器人规定动作演示软件及其源代码：机器人表演走往复直线、矩形、三角形和圆形轨迹，为机器人运动控制提供实际案例。4. 基于红外传感器的避障演示软件及其源代码：基于机器人反应式行为理论设计的机器人避障算法和演示软件。5. 语音识别的演示软件及其源代码：通过语音远程控制机器人系统的行为和动作。6. 基于全向视觉系统的颜色体跟踪演示软件及其部分源代码：计算机视觉的基础理论和实现技术。5）平台外型6）. 平台特点1. 系统控制架构采用上下位机网络控制结构，尺寸紧凑，可以非常方便地扩展运动控制轴和运动控制器，传统的机器人基本都采用通用DSP运动控制卡，通过PCI总线或者104总线与PC连接，扩展控制卡比较困难和麻烦，而且尺寸较大。2. 多轴控制与驱动器通过串口与上位计算机通讯，连接简单可靠，而通用DSP运动控制卡与PC的连接采用PCI总线或其它总线结构，当机器人在剧烈运动的过程中，容易死机，造成机器人系统的可靠性不高。3. 运动控制器采用驱动与控制一体化DSP智能模块，大大减少了电气系统连线，进一步提高了系统的可靠性。而传统的机器人基本都采用运动控制器加独立的驱动模块，大大增加了系统的电气连线，降低了系统的可靠性。4. 上位机可以采用笔记本、嵌入式工控机或普通工控机，用户可以根据应用灵活选择，并可以随时升级，而传统的机器人通常都是采用普通工控机，与下位控制卡紧耦合，升级换代比较麻烦。7）.可作为教学及科研平台提供完善的教学指引，配套教材：智能移动机器人的制作与编程编著者：深圳市鸥鹏科技有限公司 秦志强 博士 华南理工大学 闵华清 教授出版社：电子工业出版社教材目录和内容：第1章智能移动机器人的大脑和编程环境 11.1智能移动机器人的大脑硬件和软件. 11.2笔记本电脑. 21.3嵌入式工控机. 51.4编程环境的安装与使用 . 8第2章智能移动机器人的伺服电机与运动控制 172.1直流伺服电机简介 172.2智能运动控制与驱动器简介 . 192.3智能运动控制器的调试环境. 202.4直流伺服电机的力矩控制. 252.5直流伺服电机的速度控制. 272.6直流伺服电机的位置控制. 292.7智能控制器的DLL与编程. 31第3章智能移动机器人的移动机构和运动测试. 393.1两轮差动移动机构与运动学编程. 393.2三轮万向移动机构与运动学编程. 413.3四轮万向移动机构与运动学编程. 433.4两轮差动机器人的运动学测试编程. 45第4章智能移动机器人的力觉导航 . 514.1直流伺服电机的力觉反馈 . 514.2智能移动机器人的力觉导航策略与编程. 52第5章智能移动机器人的红外导航. 595.1红外测距传感器简介 . 595.2红外导航策略与编程. 605.3红外和力觉的混合导航策略与编程 . 63第6章智能移动机器人的超声导航 . 676.1超声波测距传感器简介. 676.2超声导航策略与编程. 686.3超声、红外和力觉的混合导航策略与编程. 73第7章智能移动机器人的目标跟踪. 817.1全向视觉系统的简介. 817.2目标颜色的选定和颜色滤波器的调整. 847.3颜色目标的跟踪策略. 887.4全向视觉系统的DLL与编程.927.5颜色球跟踪实践 . 106第8章智能移动机器人的人脸识别与跟踪 1118.1人脸识别视觉系统简介 . 1118.2人脸识别系统的DLL与编程 .1158.3人脸跟踪 119第9章智能移动机器人的通讯与协作 . 1279.1无线通讯网络 . 1279.2智能移动机器人的远程操作. 1309.3多智能机器人的通讯实践. 136第10章智能移动机器人的应用RoboCup中型足球机器人竞赛 . 15110.1RoboCup中型组足球机器人竞赛简介 . . . . . 15110.2足球机器人的软件模型 . 15510.3足球机器人的视觉模块与使用 . 16010.4足球机器人的世界模型. 17110.5足球机器人的决策状态机. 17610.6足球机器人的对抗演练. 1806、扩展智能传感器套件循迹传感器模组循迹传感器模组由4组QTI传感器组成，经过组合使用，可以使机器人完成跟随黑线运动的动作，另外我们也可提供焊装好4组QTI传感器的单块板方式下的套件。QTI传感器由红外发射和接收器组成，用来检测物体表面的反射率，原本是用在 机器人上检测边界。原理及其应用：当QTI传感器走过一个黑的表面，反射率较低，经过一个亮的表面，反射率是较高。模块里面有一个RC电路，反射率的变化使得电路中的电流变化，而导致RC电路充放电时间的变化，通过RCtime来测量反射率，来实现对特定的表面（例如：黑胶带）进行跟踪。超声波传感器超声波传感器能提供精确、无接触，范围在3cm3m距离的测量方法，只需要用一个PIC微控器进行连接，可测量和某个运动或静止的物体之间的距离。工作原理：在微控器控制下，先发射一段时间的超声波, 然后进行监听回声，超声波撞到物体后返回到接收传感器，当传感器监听到有回声就给微控器一个高电平，因此这电平就和测量的距离联系在一起。技术参数： 3cm 到 3.35m的测量范围；5Vdc+/-10%的电压；最大35mA（典型30mA）的电流；3管脚接口（电源，地，信号）；正TTL脉冲，最小为2uS，典型5 uS的触发脉冲；正TTL脉冲，从115uS到18.5mS的回声脉冲；发射200uS频率为40kHz的超声波；延时到下一次测量时间为200uS，LED指示灯指示工作状态；尺寸：22mmX46mmX16mm。编码器反馈套件数字反馈套件满足了客户长期以来对位置反馈来消除误差，走迷宫，轨迹跟踪，和一些竞赛的需求。红外反射传感器安装在靠近信息技术 机器人的轮子的地方，通过轮子的孔来计算轮子转的周期。双轴加速度计Memsic 2125采用双轴热加速计来测量动态震动加速度和静态的重力加速度，测量范围在2g。关键的技术：每个轴上能测0 到 2g，小于 1 mg 的分辨率；全温度补偿在 0C到70C；简单脉冲输出x和y轴方向的重力加速度；模拟量输出温度到（Tout）1管脚；小于4mA（在5Vdc时）低工作电流应用例子：自我平衡机器人，倾斜的游戏控制器，无人驾驶的飞机模型，汽车报警系统，撞击检测/气囊自动展开，人手势的检测。三轴加速度计它能感知到3个轴（X，Y，Z轴）3g（g为重力加速度）的加速度。模块包含了一个稳压器，能给H48C提供3.3V的直流电源；此外还包含了模拟信号调理，以及一个四通道、12位的MCP3204模数转换器，以读取H48C的输出电压。所有的元件都被安装在一个17.8mm20.3mm的电路板上，采集到的数据从一个接口同步串行输出。颜色传感器套件颜色传感器教学套件由一个颜色检测器组成，包括一个TAOS TCS230 RGB 传感器芯片，白色的发光二极管，瞄准镜，板卡上的插槽和连接线。TCS230 颜色传感器教学套件通过AppMod插槽或直接相连来与其他BASIC Stamp模块接口，在其固定的范围内对可见颜色进行检测。TCS230 有一排光敏检测器阵列组成，每个器件用红、绿或篮的过滤器或者没有过滤器的发光二极管。各种颜色的过滤器分散在整个阵列里面，来消除各种颜色的偏差。实际应用：颜色边缘跟随，颜色分类，颜色配对等。 温湿度传感器温湿度传感器的 SHT11安装在一个8脚的双列直插模块，简化了其使用。SHT11是一个用来测量温度和湿度的小巧的传感器，提供了一个模拟到数字的接口，BASIC Stamp通过两根线的数字串行接口，可迅速准确地读出温度和湿度。 技术参数：-40 C123.8C温度范围；+/- 0.5 C的精度（25 C）；0 to 100% RH的湿度范围；+/- 3.5% RH的湿度精度；典型为30W的低功耗.视频采集套件视频采集套件主要功能：以17帧每秒的速度跟踪用户定义的颜