（精密仪器及机械专业论文）一种实现目标识别与跟踪的轮式移动机器人设计及实验(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 本文在参考了国内外现有机器人的基础上，设计了一台智能轮式移动机器人实 验样机，并在实验样机上进行了人体目标识别、跟踪以及避障等方面的研究与实 验。 首先，给出了机器人的总体设计方案及机器人机械结构、硬件电路以及控制软 件这三部分详细的设计方案。在机械部分给出了原动与传动系统、材料选择、底 盘安装以及结构等方面的设计；在硬件电路部分给出了总体硬件结构、无线通讯、 直流电机控制、传感器数据采集以及g p r s 远程控制等方面的设计；在控制软件部 分给出了总体软件架构、避障以及环境信息检测等方面的流程设计。 然后，给出了机器人识别人体目标的具体方法。分别给出了机器人系统中视频 的采集、视频图像的预处理以及基于特征的人体目标识别方法。在视频帧图像预 处理阶段，提出了一种快速实用的阴影消除方法。在目标识别阶段，实现了基于 局部特征的目标识别方法。最后给出了识别算法的实验验证。 最后，给出了机器人跟踪人体目标的方法及实验。给出了将视频信息与超声波 信息相结合，实现跟踪人体目标的方法、仿真及实验。将控制理论中的闭环反馈 思想引入到视频跟踪过程中，提出了一种新的算法，即“一种多层分段式p i d 控制 算法”。给出了将跟踪与避障策略相结合的机器人运动控制方法，并进行了计算机 仿真以及实验验证。 关键词：移动机器人目标识别与跟踪避障 a b s t r a c t aw ：h e e l e dm o b i l ei n t e l l i g e n tr o b o te ) 币e r i m e n tp l a t f o r mi sd e s i g n e di nm i st h e s i s ， b a s e do nw h i c had e e pa n ds y s t e m a t i cs t u d yh a sb e e nd o n ea b o u tp e r s o nr e c o g n i t i o n a n d t r a c k i n ga n do b s t a c l ea v o i d a n c e f i r s to fa l l ，2 l l lt h ed e s i 盟s c h e m e so ft h ew l l e e l e dm o b i l er o b o tp l 利o 锄a r eg i v e n ， i n c l u d e sm e c h 越c a ls t r u c t u r e ，h a r d w a r ec i r c u i ta n dc o n t r o ls o r w a r e ，e t c i nd e s i g no f 也ep l a t f o m ，p o 、v e rs y s t e m ，仃a n s m i s s i o ns y s t e m ，m a t e r i a l ss e l e c t i o n ，c h a s s i sd e s i g n 趿d s 协】c t u r ei l lm e c h a l l i c 越s t m c t u r es c h e m e 。t o t a ls t n j c t u r e ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n c i r c u i t ，m o t o rc o n t r o lc i r c u i t ，d a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i ta i l dg p r sc o n t r o lc i r c u i ti n h a r d w a l ec i r c u i ts c h e m ea n ds o r w a l es t m c t u r e ， o b s t a c l ea v o i d a n c ep r o c e s sa n d i n f o m l a t i o na c q u i s i t i o np r o c e s si nc o n t r o ls o 龟v a r es c h e m ea r eg i v e ns e p a r a t e l y s e c o n d l v a na p p r o a c hu s e dt or e c o 辨i z ep e r s o ni sp r o p o s e d s e v e r a im e t h o d sa r e p r e s e n t e do ft h em o b i l er o b o tp l a 响r r n ，i n c l u d e sv i d e oa c q u i s i t i o na i l dp r e t r e a t m e n t ， p e r s o nr e c o g n i t i o nb a s e do nf e a t u r e ，af a s ta n dp r a c t i c a lm e t h o dt 0r e m o v eo b j e c t s h a d o w ，e t c a n dm eg i v e nr e c o g n i t i o nr e s l l l t si l l u s t r a t e 也a tt h ep r o p o s e da p p r o a c hf o r p e r s o nr e c o g n i t i o ni ss a t i s f i e dw i t ht h er e q u e s to fw h e e l e dm o b i l er o b o tp l a t f o h ni n o r d e rt 订a c kp e r s o n a tl a s t ，t 1 1 e a p p r o a c hu s i n gv i s i o ni n f o m a t i o na n du l t r a s o n i ci n f o m l a t i o n ， s i m u l a t i o na n de x p e r i m e m sf o rm o b i l er o b o tp l a t f o m lt o 仃 坨kp e r s o na n dt h em e t h o d c o m b i n i n gp e r s o n 眈c k i n ga n do b s t a c l ea v o i d a i l c es t r a t e g y a r eg i v e ns e p a r a t e l y t h r o u g hi n t r o d u c i n gc l o s e d 1 0 0 pf e e d b a c km e o 巧o fc o n 乜0 1t h e o r y 缸ot h ep r o c e s so f o b je c tt r a c k i n g ，an o v e la l g o r i t h mi sp r o p o s e d ，w h i c hi sn a m e dam u h i - l a y e rs u b p i d c o n t r 0 1a l g o r i t h m s i m u l a t i o n2 u l de x p e r i m e n t sr e s u l t si l l u s t r a t et 1 1 a tt h e 向n c t i o no f t r a c k i n gp e r s o ni sr e a l i z e di nt h e 、矿h e e l l i k er o b o tp l a t f b n n k 舒w o r d ： w h e e l e dm o b i l er o b o t o b j e c tr e c o g n i t i o na n d7 r r a c l 【i n g o b s t a c l ea v o i d e n c e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：盖蓟卣日期墨! ! z ：型：! 生 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属，于保密，在一年解密后适 ，( j c ，i # 本人签名：查鲴姻 导师签名：垄遥垄 用本授权书。 日期竺竺：! ! 竺 日期硒z ：基 第一章绪论 第一章绪论 1 1 移动机器人概述 机器人技术综合了多学科的发展成果，集成了智能控制、人工智能、信息处 理、图像处理、检测与转换等专业为一体，跨机械、电子、自动控制、计算机等 多学科，代表了高技术的发展前沿，它在人类生活应用领域不断扩大，因此移动 机器人的研究已经成为国内外研究的一个热点【1 】。 移动机器人目前在欧美、日本等西方发达国家已经广泛应用于五大领域：医 疗福利、商场超市、餐厅旅馆、维修清洗和家庭服务【2 j o 美国d e l l n j n g 公司与w i n d s o r 工业公司9 0 年代初合作生产的地面吸尘机器人r o b o s c m b ，它采用超声传感器 检测障碍，并配有高精度激光导航系统。r o b o s c m b 的导航系统需要光码条来实 现机器人定位，限制了其应用范围。k e n t 公司设计了另外一种清洁机器人 r o b o 。k e n t ，它不需要导引条或定位路标，但需要操作者辅助其完成对清扫区域周 边的探测，因而其清扫区域限于简单的矩形区域。另外，d e i l l l i n g 公司还设计了 保安机器人d e n l l i n g s e n t q ，h e l p ma ：t e 公司设计了医用物品运输机器人h e l p m a t e ； 日本h o n d a 公司设计了仿人机器人a s i m o ，等等。 与国外发达国家相比，我国开展移动机器人的研制起步较晚【2 】。国内的有海 尔哈尔滨工业大学机器人技术公司推出了d y - i 型导游型移动机器人。中科院自 动化研制所研发的c a s m i 是集成了多种传感器、视觉、语音识别与会话功能于 一体的智能移动机器人。香港城市大学智能设计、自动化制造中心的自动导航车 和服务型智能移动机器人。中科院沈阳自动化所研究的a g v 和防爆机器人。上 海交通大学研制的基于全景视觉的足球机器人，台湾交通大学的家庭服务机器人， 盘莹盘譬 守彳手。 综上所述，移动机器人目前无论在国内还是在国外都是一个热门的研究方 向，由于它的种种优势，无论是在军事上、工业上还是在民用上都将担任必不可 少的重要角色。 1 2 机器人跟踪目标的研究现状 经过几十年的研究，国内外的研究学者在机器人跟踪目标方面取得了很大的 进步。根据跟踪的方法可分为基于目标识别的跟踪和基于运动的跟踪两类：基于 识别的跟踪是在连续帧中将目标识别出来并确定出目标的位置，跟踪可以在三维 一种实现目标识别与跟踪的轮式移动机器人设计及实验 场景中进行，并且目标的缩放与旋转对识别的影响不大。这类方法只能够跟踪可 以被识别的目标，并且识别过程对硬件平台的性能要求较高。基于运动的跟踪是 依赖于运动检测从而检测出目标，这类跟踪可以根据场景变化等方式进行，此时 场景图像被分割为运动区域和非运动区域。这类方法的优点是它可以跟踪任何运 动的物体，但是这类方法不如基于识别的跟踪方法的精确度高。本文按照算法所 依据的内容将目前用于机器人领域的跟踪算法大体分为以下四类：模板匹配跟踪 算法、区域匹配跟踪算法、特征匹配跟踪算法以及概率模型跟踪算法。 l 模板匹配跟踪算法 早期模板匹配算法主要用于跟踪刚性物体。刚性物体的运动状态主要是平移、 旋转、放射等运动，总体的形状较为简单，适合选取相应的匹配模板。随着跟踪 目标范围的扩大，需要跟踪的目标已经不仅仅限于刚性物体，而且目标物体确切 的几何模型也并不容易获取。为了顺应这个需要，人们提出了变形轮廓模板方法。 其最典型的是k a s s 【3 】【4 】于1 9 8 7 年提出的s n a k e 的主动轮廓模型。其工作过程是活 动轮廓在模拟的外力( 外部能量) 和内力( 内能) 作用下向物体边缘靠近的过程，外力 推动活动轮廓向着物体边缘运动，而内力保持活动轮廓的光滑性和拓扑性。到达 平衡位置时( 对应于能量最小) 活动轮廓收敛到所要检测的物体边缘。y u i l i e 【5 】通过 圆环以及抛物线的参数模型设计了眼睛和嘴模板，用于研究目标的跟踪，并通过 改变园环的中心和半径、抛物线参数等方法来控制模板的形状。 2 区域匹配跟踪算法 基于区域匹配的跟踪是把图像中目标物体的连通区域的共有特征信息作为跟 踪检测值的一种方法。该方法不需要在序列图像的下一帧中找到同上一帧图像中 完全相同的特征信息，通常情况下通过计算获取区域同原始目标物体之间的相关 性来判断跟踪物体的位置。h 撕h a r a j ( r i s h n a n 【6 】将目标物体分割成1 6 1 6 的块，通 过运动估计与块匹配方法来实现对目标的跟踪。k e l d s e n l 7 j 将整个目标区域作为一 个模板，并在跟踪之前对模板进行适当变形，跟踪过程通过模板匹配的方法来进 行。基于区域匹配的跟踪具有精度高、不依赖于具体目标模型等优点，可用于实 现人体头部的跟踪。 3 特征匹配跟踪算法 基于特征匹配的跟踪不考虑所跟踪目标的整体特征，仅仅通过目标物体的一 些个体特征来进行跟踪。由于图像序列间的采样时间间隔通常很小，可以认为这 些个体特征在运动形式上具有平滑性，因此可以通过这些个体特征来完成目标的 跟踪过程。进而充分利用空间位置相对不变的影像特征，提取出该帧图像同参考 图像的特征量，然后按照一种或几种相似性度量对二者进行比较。e 1 e 熊e r i a d i s 与j a c q u i n 根据帧间差值与头部轮廓特征来进行跟踪1 8 j ；l 拶等先通过肤色特征得 到人体区域，然后提取人体头部的g a b o r 小波特征进行跟踪；s a n t a n a mc 等i l 叫 第一章绪论 采用多模块级联的方式，各模块包括前帧跟踪、利用肤色信息进行候选脸选择、 利用器官的几何分布进行特征检测等，最后使用基于p c a 的方法进行模式匹配确 认。在这些方法中，特征点会由于遮挡或光线变化而不可见，这将导致跟踪失败， 这是基于特征匹配跟踪的缺点。虽然可以得到新的特征点，但这要以额外的累加 误差为代价。 4 概率模型跟踪算法 i s a r d 与b l a k e 在1 9 9 6 年将基于贝叶斯规则的概率模型引入到跟踪方法中， 用于跟踪非刚体的、多关节表示的目标运动，称之为c o n d e n s a t i o n ( c o n d i t i o n a l d e n s i t ) ，p r o p a g a t i o n ，条件概率密度推演) 滤波跟踪方法【1 l 】。c o n d e n s a t i o n 方法是利 用加权的采样值来逼近真实后验概率值。贝叶斯估计方法将未知( 隐含) 状态量的 先验知识和描述观测量与状态量关系的似然函数结合起来，利用贝叶斯公式来得 到未知量的后验概率。但是迭代贝叶斯估计只在特定的模型和假设下有解析解， 包括线性高斯状态空间模型( 卡尔曼滤波) 和有限状态空间隐含马尔可夫模型( 隐马 尔可夫滤波) 。然而，在许多实际问题中，状态空间模型含有非线性和非高斯成分， 因此没有闭合的最优解。在近三十年来，人们提出了许多解决方案，如扩展卡尔 曼滤波( e k f ) ，确定性数值积分方法等。但当状态维数增加时，近似误差的收敛 率将会下降。 1 3 本文的工作 本文研制了一台智能轮式移动机器人试验样机，并在机器人试验样机上实现 了基本的避障、人体目标跟踪等功能。本文所做的具体工作主要包括以下几个方 面： 第一章对移动机器人进行了简要的介绍。回顾了机器人跟踪目标的发展概况并 对应用在机器人领域的目标跟踪方法进行了分类，对本文的工作做了简要说明。 第二章给出了机器人的总体设计方案及机器人机械结构、硬件电路以及控制软 件这三部分详细的设计方案。在机械部分给出了原动与传动系统、材料选择、底 盘安装以及结构等方面的设计；在硬件电路部分给出了总体硬件结构、无线通讯、 直流电机控制、传感器数据采集以及g p r s 远程控制等方面的设计；在控制软件部 分给出了总体软件架构、避障程序以及环境信息检测等方面的流程设计。 第三章给出了机器人识别人体目标的方法。分别给出了机器人系统中视频的采 集、视频图像的预处理以及基于特征的人体目标识别方法。在视频帧图像预处理 阶段，提出了一种快速实用的阴影消除方法。在目标识别阶段，实现了基于局部 特征的目标识别方法。最后进行了识别算法的实验验证。 第四章给出了机器人跟踪人体目标的方法以及实验。给出了将视频信息与超声 一种实现目标识别与跟踪的轮式移动机器人设计及实验 波信息相结合，实现跟踪人体目标的方法、仿真及实验。将控制理论中的闭环反 馈思想引入到视频跟踪过程中，提出了一种新的算法，即“一种多层分段式p i d 控 制算法”。给出了将跟踪与避障策略相结合的机器人运动控制方法，并进行了计算 机仿真以及实验验证。 第五章总结了本文的研究工作并指出了目前的研究存在的不足，最后对此领域 未来的工作进行了展望。 第二章移动机器人设计方案 第二章移动机器人设计方案 2 1 引言 本章首先给出了机器人的总体设计方案，然后分别给出了机器人机械、硬件 电路以及控制软件这三部分详细的设计方案。在机械部分给出了原动与传动系统、 材料选择、底盘安装以及结构等方面的设计；在硬件电路部分给出了总体硬件结 构、无线通讯、直流电机控制、传感器数据采集以及g p r s 远程控制等方面的设 计；在控制软件部分给出了总体软件架构、目标跟踪与避障以及环境信息检测等 方面的流程。 2 2 总体设计方案 本文设计的移动机器人系统总体上可分为三部分，即核心控制部分、底层控 制部分以及执行部分，如图2 1 所示。 视频检测 l 云台控制智能避障 l 一磊点i 一一厂一 g p r s 远程通讯上下位机通讯无线局域网通讯 二二二二二二荭二二二二二二j 超声传感器 环境信息采集上下位机通讯 信息采集部分 电机驱动模块l电机驱动模块2 - - 彩二二二二二二二二二彩二j 直流电机1 h i 磊i 一叫 直流电机2 l i- l l j 图2 1 机器人总体结构框图 一种实现目标识别与跟踪的轮式移动机器人设计及实验 ( 1 ) 核，心控制部分 核心控制部分主要完成视频检测、智能避障、g p r s 远程通讯、无线局域网通 讯等功能，其中视频检测算法部分以及智能避障策略的程序实现都在这部分完成。 核心控制部分从底层控制部分读取超声波传感器采集到的信息并完成避障策略， 同时将控制指令发送给底层控制部分。核心控制部分与底层控制部分通过串口进 行通讯。 ( 2 ) 底层控制部分 底层控制部分主要完成环境信息采集、超声波传感器阵列的信息采集、电机 驱动等功能，底层控制部分将信息采集完成之后通过串口将采集到的信息传送给 核心控制部分，同时接收核心控制部分的控制指令，并驱动两台电机运动。 ( 3 ) 执行部分 执行部分主要指安装在机器人两侧的两台直流电机。电机通过p w m 波进行 速度控制，驱动机器人完成正转、反转、刹车等动作。 2 3 机械部分设计方案 机械部分设计主要包括原动与传动系统设计、材料的选择、底盘安装设计以 及结构设计。 2 3 1 原动与传动系统设计 原动与传动系统设计主要包括轮子、电机、减速器、轴和传动系统的选择与 设计。 ( 1 ) 轮子的设计与选取 选用外径为1 0 0 瑚m 、内径为1 2 m m 的尼龙轮。 轮子的外形选择为轮辐式尼龙轮，厚度为1 0 m m 。外缘是塑料胶带纸，摩 擦系数比尼龙光面大，有利于防滑，其摩擦系数f = 0 6 。 尼龙主动轮子与轴承外圈通过过盈配合，形成一个整体。轴承内圈和轴之 间过渡配合。轮子轴端链轮和轴之间用键连接，另一链轮和电机减速器输出轴用 键连接，两链轮之间用链条连接，从动万向轮则直接安装到底盘上。 ( 2 ) 电动机、减速器的选择 机器人的质量m = 3 0 埏，轮子半径r = 5 0 n h n ，机器人的速度为l ，= 0 2 州s ， 轮子与地面的摩擦系数为f = 0 6 ，电机到轮子的总效率刁= 6 0 ( 电机输出效率 7 0 ，轮子和轴以及链轮与链条之间的效率9 0 ) 。则轮子在运动过程中机器人消 耗的功率为 第二章移动机器人设计方案 e = 脾= 1 7 6 4 w( 2 1 ) 圆整到2 0 w ，轮子的转矩为 五= 月哂睥= 4 4 1 脚( 2 - 2 ) 经过市场调研，了解了市场上电机的转速，可选电机转速n 为1 4 4 0 r r i l i n 、 2 4 0 0 r m i n 、9 6 0 r m i n ，电机的功率 p 2 = e 7 7 = 2 0 o 6 = 3 3 3 w ( 2 3 ) 圆整剑4 0 w ，二种电机的输出转矩分别为： t 2 i39 5 5 0 p 2 n = 0 2 6 5 3 n m ( 2 4 ) t 2 229 5 5 0 p 2 n = o 1 9 5 2 n m ( 2 5 1 厶 l ，- _ 、i t 2 3 ：9 5 5 0 p 2 n = o 3 9 7 9 n m ( 2 6 ) 经过市场调查选型，最后确定的电机型号为7 1 1 1 0 2 4 3 0 ，其输出转矩为 t 2 = o 2 3 5 2 n 。m ( 2 7 ) 0 1 f l 丽罄讨的减涑比为 i = t l t 2 = 2 0 ( 2 8 ) 经过市场调查，最终确定的减速器的型号8 0 j b l 0 0 k ，其减速比i = 3 0 。最终选 定电机减速器为8 0 j b l o o 列7 1 1 1 0 2 4 3 0 ( 7 l z y 2 4 3 0 ) 的齿轮减速电机。 验证： 轮子的转矩 i = 4 4 1 n 。m ( 2 9 ) j _ 一vi 电机输出扭矩 t 2 = o 2 3 5 2 n m ( 2 - l o ) 减速比i _ 3 0 ，则传到轮子的转矩： t l = i t 2 = 7 0 5 6 n m t l = 4 4 1 n m 轮子的转速 n ，= n i = 8 0 r i n i n 所以轮子的工作速度： = 2 n 1 6 0 y ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) 7 一种实现目标识别与跟踪的轮式移动机器人设计及实验 所以选择的电机减速器满足机器人的驱动要求。 ( 3 ) 轴的选择 轮轴上主要连接链轮、轴承。轮轴主要承受扭矩，根据强度计算可得轴的最 小直径d 。轴的材料选择为4 5 4 钢，轴所受的扭矩 t = t 1 = 4 4 1 n m 陀1 4 1 许用切应力 h 】= 2 5 胁 叫5 ) 轴最小的直径 d 。v 丁o 2 q 】= 9 5 9 m 聊 但1 6 ) 所以选择的轴满足强度要求。 ( 4 ) 传动系统的选择 传动部分选择为链传动。与带传动相比，链条传动无弹性滑动和整体打滑的 现象，能保证准确的平均传动比，传动效率较高；又因为链条不需像带那样张的 很紧，所以作用于轴上的径向压力较小。 与齿轮传动相比，链传动的制造与安装精度低，成本也低；在远距离传动时， 其结构简单。另外，机器人的运动速度小，对链条的载荷冲击小。 2 3 2 材料的选择 底盘选用硬质铝合金。在钢、铸铁等材料中，硬质铝合金的密度最小，便于 加工，也减小了机器人的质量，同时其强度也满足要求。 底盘长3 8 0 n 】m ，宽3 5 0 m 埘，高3 姐。底盘强度计算：如果把机器人的重量 全部集中到中心轴线上( 中心轴面) ，则轮子处所受的弯矩最大。机器人的重量 m = 3 0 k g ，抗弯截面系数 w = b h 2 6 ( 2 1 7 ) 板长的一半a - 1 9 0 m m ，板高h = 3 m m ，板宽b = 1 7 5 m m 。则机器人所受的最大 弯曲应力 = m 曲w = 3 3 6 m p a f 2 。1 8 ) 查表得铝合金的抗弯强度为2 2 2 m p a ，所以满足强度要求。 第二章移动机器人设计方案 233 底盘安装设计 图23 机器人机体支架实物图 机体支架主要是支撑核心控制板、数据采集底板以及云台和清洁工具部分。 由于考虐到机体的稳定性，支架不能太高，总高约3 0 0 咖，分为三层设计，每层 l o 一种实现目标识别与跟踪的轮式移动机器人设计及实验 1 0 0 m m 。具体安装：底层安装数据采集底板，中间安装核心控制板，最上面安装 云台，前后安装电池，机体支架实物图如图2 3 所示。 因为支架承受的力很小，因此，支架选用角铝，既降低了机器人的重量，又 便于加工。机体支架方位与四个轮子对应分布，以便机体重量均匀分布。 2 4 硬件部分设计方案 机器人硬件部分主要由1 0 块控制板构成：其中5 块底层控制板，5 块驱动板。 底层控制板1 直接与核心控制主板通过串口进行通讯，底层控制板2 5 与底层控 制板1 通过串口进行数据交换，另外还有5 块驱动板，分别是云台驱动板、电机 驱动板、信息采集驱动板以及g p r s 通讯模块驱动板。机器人系统硬件部分的框 图如图2 4 所示。 2 4 1 无线通讯部分 图2 4 机器人硬件框图 无线通讯部分主要功能可分为两部分：一部分是为机器人和主控计算机之间 建立稳定可靠的数据传输途径；另一部分是为机器人与室内的电器之间提供稳定 可靠、高质量的数据传输功能。无线通讯部分的硬件实物图如图2 5 所示。 第二章移动机器人设计方案 图25 无线通讯部分硬件实物图 无线通讯模块的硬件是在现有的z i g b e e 模块基础上添加了外围通讯接口电路 实现的，之所以使用z i g b e e 作为室内无线通讯的协议是因为z i e b e e 功耗低：在 低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可使用6 个月到2 年，免去了充电或者 频繁更换电池的麻烦：数据传输速率低：只有1 0 k 字节秒到2 5 0 k 字节，秒，适用 于本无线通讯系统中的超小数据量的传输；成本低：因为z i 邸数据传输速率 低，协议简单，所以大大降低了成本，且z i g b e e 协议免收专利费；有效范围适 合室内通讯：有效覆盖范围1 0 7 5 米之间，适合在室内无线传输方案中使用。 在机器人所处的无线通讯局域网中无线通讯的距离不用很长，信号的衰减 也较少，而本系统采用的基于z i g b e e 技术的无线传感器网络属于短距离无线通 信网络，非常适合于这种环境，所以本系统采用了最简单的星形网络配置。 图26 机器人星型网络配置 移动机器人作为协调器节点( 主设备) ，室内的电源开关控制部分等作为终端设 备( 从设各) ，所有的终端设备都只与协调器通信。如果某个终端设备需要传输数 据到另一个终端设备，它会把数据发送给协调器，然后协调器依次将数据转发到 目标接收器终端设备。机器人星型网络配置如图26 所示。 在本文给出的无线网络中z i g b e e 节点硬件层包括以下四个单元：供电单元、 数据采集单元( 包括传感器及其驱动接口电路) 、数据处理单元( 包括存储嚣和微控 制器) 、无线通信单元阻及家电的驱动电路。微控制器对另外三个单元的工作进行 1 2 一种实现目标识别与跟踪的轮式移动机器人设计及实验 控制，系统中采用了m i c r o c h i p 公司的p i c l 8 f 4 6 2 0 单片机作为微控制器，运行 z i g b e e 协议栈。无线通信单元是一个射频集成电路模块( r f i c ) ，作为z i g b e e 无 线网络的物理层射频前端实现无线数据的收发，系统中选择了c h i p c o n 的c c 2 4 2 0 2 4 g h z 射频收发器作为系统的无线收发装置。 2 4 2 直流电机控制部分 d cm 0 的f 图2 7 直流电机驱动电路 机器人共有两个电机，差动控制。由上位机发出指令，输出相应信号至电机。 每个底板用一个8 位单片机s t c l 2 c 4 0 5 2 a d 作为控制器，这款单片机是宏晶科技 的一款基于5 1 架构的增强型单片机。内部带有8 路1 0 位a d c 转换器，4 通道 p w m 单元。直流电机驱动电路如图2 7 所示。 2 4 3g p r s 远程控制部分 机器人具有探测本地环境信息并利用g p r s 技术将信息传送到主人手机中的 功能。该功能可以实时采集室内环境的信息，如果出现环境信息超标，比如煤气 泄露等情况，机器人会通过g p r s 模块将该信息发送到预设的手机号码上，同时 通过无线局域网切断室内的电源。 第二章移动机器人设计方案 机器人系统中使用的g p rs 无线模块作为g p r s 终端的无线收发模块，把从 t c p i p 模块接收的t c p i p 包和从基站接收的g p r s 分组数据进行相应的协议处 理后再转发。g p rs 无线模块采用明基的m 3 2 a ，它支持数据、语音、短消息和 传真业务，它的优点是永久在线功能、快速数字接入和高速数据传输，通过选择 不同的编码方式，支持多种传输速率。在m 3 2 a 中插入s i m 卡，接上天线，就可 以利用g p r s 接入i n t e m e t 网。m 3 2 a 模块有两种工作模式，一个命令模式，个 连续( s 嘶a l n e t ) 模式，在命令模式下的通信需要用命令进行干预，而在s e r i a l n e t 模式下，直接进行t c p 或u d ps o c k e t 连接，本文设计的机器人采用的是命令模 式。机器人首先采集室内环境的各种信息，然后通过基于g p r s 的网络技术将信 息发送出去。该网络是由机器人系统、本地显示终端以及环境信息采集层实现的， 如图2 8 所示。 中心服务器 p 鬻理软 图2 8 基于g p r s 的信思传输不惹图 机器人安装有g p r s 传输终端与信息采集模块。环境信息数据由无线信息采 集系统通过r s 2 3 2 总线传到机器人，机器人中的信息处理系统再进行协议封装、 打包成t c p i p 包，再由g p r s 模块转换成g p r s 数据包后，发送到中国移动的 g p r s 数据网络，g p r s 网络数据交换中心( m d e c ) 剥离g p r s 数据包还原为 t c p i p 包，通过g p r s 网络网关将t c p i p 数据包传送到i n t e m e t 。数据管理中心 有l 台通信服务器与因特网相联，且使用静态i p 地址，服务器上运行有监控软件， 使用s o c k e t 套接字【1 2 】与因特网通信。服务器通过s o c k e t 套接字接收采集终端传 来的t c p i p 数据包，并将它还原成原始数据，管理中心客户端的m i s 管理软件 保存数据并进行各种处理。 本文在选取了明基m 3 2 ag p r s 模块之后，针对该模块设计了机器人g p r s 控制端外围接口电路，其中包括模块电源电路，模块数据采集电路等部分。电路 原理图以及实物图如图2 9 2 1 1 所示。 ( 1 ) 模块电源电路原理图 1 4 一种实现目标识别与跟踪的轮式移动机器人设计及实验 图2 9 模块电源电路原理图 ( 2 ) 模块数据采集电路原理图 t 粥】7 图2 1 0 模块数据采集电路原理图 ( 3 ) g p r s 电路部分电路实物图 珊a w 第二章移动机器人设计方案 2 44 传感器数据采集部分 图2 1 1 g p r s 电路部分电路实物图 传感器数据采集部分主要完成对室内空气指标的检测，主要包括c o 和甲醛两 种气体。该部分主要由底层控制板4 完成。选择m s 6 1 0 0 和m s l l o o 两种气体传 感器，分别测量c o 和甲醛在空气中的含量。温度传感器选用1 8 8 2 0 。两种气体 传感器用a d c 单元进行模数转换。转换后，控制器进行判断，如果气体浓度超 标将关闭室内电源。当主人通过短信请求时，机器人可以将室内的气体浓度信息 通过短信反馈回去。机器人系统中使用的传感器实物如图21 2 所示。 图2 1 2 传感器实物图 在供电单元的设计上，为充分实现环境信息采集系统低功耗特性，本系统尽 1 6 一种实现目标识别与跟踪的轮式移动机器人设计及实验 量采用低功耗器件，如采用具有纳瓦级功耗管理的单片机p i c l 8 f 4 6 2 0 ，支持自动 关断功能的串口电平转换芯片m a x 3 2 2 l ，高效电源转换芯片l p 2 9 8 1 ；同时，提 供高效节能的电源管理模式，当无传感器数据采集和数据收发时命令微控制器进 入“睡眠”状态并切断传感器的部分电源，从而大大降低了系统功耗。 2 5 1 主程序流程 2 5 软件部分设计方案 图2 1 3 主程序流程图 机器人具有避障、目标跟踪、环境信息检测等功能。机器人可以和用户进行 交互，交互方式有两种：一种是通过现有的手机通讯网络实现g p r s 远程交互， 第二章移动机器人设计方案 这种方式下用户可以控制机器人采集室内环境的气体浓度信息，并将采集到的信 息反馈到用户的手机上，同时用户还可以控制机器人执行关断室内电器电源等功 能；另一种方式是用户通过单独的无线模块选择机器人将要实现的功能，在这种 方式下，用户可以选择机器人的运行状态，也可以控制机器人移动到指定的位置 然后完成用户选择的功能。机器人在运行过程中会实时接收用户发送的控制命令， 如果检测到用户发送来的命令，机器人将会按照该命令更新自身的运行状态。机 器人系统的主程序流程图如图2 1 3 所示。 2 5 2 跟踪与避障相结合的程序流程 跟 踪 过 程 跟踪 与 避障 结合 图2 1 4 机器人跟踪目标与避障结合的总体流程 在本文设计的机器人系统中，将超声波传感器与视觉传感器结合起来，共同 完成人体目标的识别。超声波传感器实现两方面的功能：一是避障，即实时采集 机器人周围障碍物的信息，使机器人在运动过程中能够及时避开前方的障碍物； 1 8 一种实现目标识别与跟踪的轮式移动机器人设计及实验 二是配合摄像机实现跟踪，即超声波传感器实时采集前方运动人体的信息，并将 该信息与视频信息相结合，并剔除一些由于外界干扰所带来的视频检测错误。机 器人跟踪目标与避障的总体程序流程如图2 1 4 所示。 2 5 3g p r s 模块报警输出流程 该部分主要通过g p r s 模块向使用者发送室内的各种环境信息，并在室内环 境信息超标时关闭室内的家用电器，并完成相应的报警功能，流程图如图2 1 5 所 不。 开始 竺 上n o 蔓 y e s 广1 磊茗鬲 短信请求 ii 短信请求 获取环境信息fi 关断电器 确定短信接收号码 关断电器 开始 主人不在家l l 主人在家 是否超标 _ 一 j y e s 室内环境信息短信反馈 室内主人 请求查看环境信息 室内环境 信息语音反馈 图2 1 5g p r s 模块和报警输出流程图 图2 1 6 环境信息检测流程图 2 5 4 环境信息检测流程 该部分主要通过安装在机器人身体上的气体传感器，实时检测室内的气体指 标信息，如果发现c o 、甲醛等气体超标时，将及时通知主人并报警输出，检测 ，立一 第二章移动机器人设计方案 流程如图2 1 6 所示。 2 6 本章小结 1 9 本章给出了机器人的总体设计方案与机器人机械结构、硬件电路以及控制软 件这三部分详细的设计方案。在机械部分给出了原动与传动系统、材料选择、底 盘安装以及结构等方面的设计；在硬件电路部分给出了总体硬件结构、无线通讯、 直流电机控制、传感器数据采集以及g p r s 远程控制等方面的设计；在控制软件 部分给出了总体软件架构、避障以及环境信息检测等方面的设计。下一章将给出 机器人识别人体目标的方法及过程。 第三章移动机器人识别人体目标 第三章移动机器人识别人体目标 3 1 引言 2 1 机器人在跟踪人体目标之前，需要首先从视频序列中将人体目标准确识别出 来，然后再提取出识别的结果作为下一步跟踪的依据。 目前已经有很多目标识别的算法，有的是针对刚性物体的识别【1 3 】【1 4 】，有的是 针对非刚性物体的识别f 1 5 】【l6 】【1 7 】。对于刚性物体，由于这类物体的形状比较固定， 所以在识别过程中可以从视频序列中提取出物体的形状从而实现目标物体的识 别；而对于非刚性物体，例如人体，由于这类物体的形状信息不确定，单纯依靠 物体的形状进行识别是不可行的，此时取而代之的是根据运动模板【1 8 】【1 9 】进行识 别，运动模板根据目标的运动实时变化，从而将目标物体从视频序列中提取出来。 本章首先给出了机器人系统中采集视频信息以及对视频信息预处理的方法， 在这部分中本文给出了一种新的消除目标阴影的算法；然后给出了从预处理之后 的视频序列中提取出人体目标特征的方法，最后实现了人体目标的识别。 3 2 视频的采集 三 = 尺 妻 + 丁 c 3 ， r = r ( x ，口) r ( y ，) r ( z ，y ) ( 3 2 ) 2 2 种实现目标识别与跟踪的轮式移动机器人设计及实验 1 oo r ( x ，口) = loc o s 口一s i n 口i ( 3 3 ) io s i n 口 c o s 口l c o s o s i n i r ( 少，) = i o 1o l ( 3 4 ) 卜s i n lc o s l r c o s 7 一s i n o 月( z ，7 ) ：ls i n 7 c 。s y o l ( 3 - 5 ) l oo 1 j x ，：一厂三，y ：一厂上( 3 6 ) ( 3 ) 从理想图像坐标系( x ，y ) 到实际图像坐标系( x ；，爿) 的变换： x ；- 寿 ( 3 - 7 ) “2 赤 ( 3 8 ) r 2 = ( ) 2 + ( “) 2 ( 3 9 ) ( 4 ) 从实际图像坐标系( x ：，y i ) 到内存中像素坐标的变换： ，= 导+ c 1 ( 3 - 1 0 ) y ”= 孕+ c 2 ( 3 1 1 ) 式中4 、畋是水平和竖直方向像素间距，( c l ，q ) 是图像中心。 一副图像的x 和y 坐标以及幅度都是连续的，为了把它转换成数字形式，我 第三章移动机器人识别人体目标 样，则产生的数字图像有行和列，坐标0 ，y ) 的值变成离散量，原点的坐标 值是( x ，y ) = ( 啦0 ) ，沿着图像的下一个坐标值用( z ，力= ( 0 1 ) 来表示，则我们可啦写 出取样之后图像的矩阵： m ，y ) ：| 7 ，o )7 叩，( 1 ，? 一1 ) l ，( 吖一1 ，o ) ，( m 一1 ，1 ) ，( 盯一l ， ，一1 ) 0 ) 采集到的人体图片( b ) 计算机中的存储形式 图3l 采集到的图像阻及在计算机中的存储形式 33 视频图像预处理 旧一1 2 1 机器人实际采集 由于外界环境的不稳定性以及摄像机自身物理条件的限制，使得摄像机采集 到的视频图像含有大量的噪声，从而导致后续的识别算法不能很好地发挥作用。 所以，在进行目标识别之前，需要对视频图像做预处理操作。本文给出的图像预 处理操作分为两个部分：首先是对图像含有的噪声进行滤波，然后对图像进行消 除阴影操作。在实验中发现运动目标产生的阴影会对识别效果带来很大的影响， 于是本文提出了一种新的阴影去除算法。 33 l 滤波去噪声处理 滤波去除噪声的方法分为两类，一类是在频域( 经过正交变换得到的变换域1 里进行的，另一类是在空域( 图像域) 里进行的【2 “。 频域滤波是用正交变换把原图像f ( x ，y ) 变换到变化域中为f ( u ，v ) ，在变换域中 2 4 一种实现目标识别与跟踪的轮式移动机器人设计及实验 对f ( u ，v ) 进行各种处理，即用某函数h ( u ，v ) 与之相乘，再反变到空域得到增强的 图像g ( x ，y ) 。因为在变换域中低频相当于空间的大物体，而高频相当于细节和边 缘。因此要想使细节模糊而保持图像中的大物体，选用的h ( u ，v ) 应使低通分量通 过而抑制高频分量，如果要突出图像的边缘和细节，则选用的h ( u ，v ) 应使高频分 量通过而抑制低频分量。 空间域滤波是在图像空间中借助模板对图像进行领域操作，处理图像每一个 像素的取值都是根据模板对输入像素相应领域内的像素值进行计算得到的。空域 滤波基本上是让图像在频域空间内某个范围的分量受到抑制，同时保证其他分量 不变，从而改变输出图像的频率分布，达到增强图像的目的。空域滤波一般分为 线性滤波和菲线性滤波两类。线性滤波器的设计常基于对傅立叶变换的分析，非 线性空域滤波器则一般直接对邻域进行操作。各种空域滤波器根据功能主要分为 平滑滤波器和锐化滤波器。平滑可用低通来实现，平滑的目