（计算机应用技术专业论文）移动机器人视觉导航技术研究.pdf

摘要 摘要 长期以来，人们一直希望运输工具和机器自身能实现自主导航。从早期的科幻 小说到2 0 0 3 年6 月奔赴火星的“勇气号”，再到近来兴起的智能化高速交通系统， 自主移动智能机器人系统已成为智能技术的高端研究领域。现在的移动式机器人已 经发展成能在水下、空中、外太空中自主操纵。随着机械设计能力、传感器技术( 如 视觉) 、计算能力、图像处理能力、规划控制的智能算法的发展，使得人们有可能提 供真正的自主移动机器人。 本文介绍基于嵌入式a r m + l i n u x 的视觉导航移动机器人，首先讨论了该机器 人的系统结构，描述了系统各部分的详细设计。其次介绍了如何构建基于 a r m + l i n u x 的嵌入式开发平台，并在第4 章结尾给出了在此平台下的u d p 编程实 例。接下来本文专注于为此机器人设计的基于滚动栅格法的动态路径规划策略，此 策略的显著特征是仅用一个摄像头就可以完成机器人障碍物之间的距离测量，并借 此实现自主导航。最后，给出了系统的仿真结果，证明了此策略的有效性。 关键词：视觉导航；单目测距；动态路径规划；嵌入式a r m + l i n u x 奎三些奎兰三耋堡圭兰堡丝兰 a b s t r a c t p e o p l e h a v e l o n g d r e a m e da b o u tv e h i c l e sa n dm a c h i n e st h a td i r e c t t h e m s e l v e s f r o me a r l ys c i e n c e - f i c t i o nl i t e r a t u r et ot h em a r c h 2 0 0 3a m e r i c a n7 h e c o u r a g et or e c e n ti n i t i a t i v e ss u c ha st h ei n t e l l i g e n tv e h i c l eh i g h w a ys y s t e m ，t h e a u t o n o m o u s ，i n t e l l i g e n tm a c h i n e ( o rr o b o t i cs y s t e m ) h a sb e e no n eo ft h eh o l y g r a i l s o ft e c h n o l o g y m o b i l er o b o t sh a v eb e e nd e v e l o p e dt h a tc a no p e m t e a u t o n o m o u s l yi nu n d e r w a t e re n v i r o n m e n t sa sw e l l a si na i ra n do u t e rs p a c e t o d a y , a d v a n c e si nm e c h a n i c a ld e s i g nc a p a b i l i t i e s ，s e n s i n gt e c h n o l o g i e ss u c ha s v i s i o n ，c o m p u t i n gp o w e ra n di m a g ep r o c e s s ，a n di n t e l l i g e n ta l g o r i t h m sf o r p l a n n i n ga n dc o n t r o lh a v el e dt ot h ep o s s i b i l i t yo fr e a l i z i n g t r u ea u t o n o m o u s m o b i l er o b o t t h i sa r t i c l ed e s c r i b eav i s i o nn a v i g a t b na u t o n o m o u sm o b i l er o b o tb a s e do n e m b e d e da r m + l i n u xs y s t e m f i r s t l y t h ea r t i c l eb e g i n sb yd e s c r i b i n gt h e s t r u c t u r eo ft h es y s t e ma n dd i s c u s s i n gt h es y s t e md e s i g ni nd e t a i l s e c o n d l yi t i n t r o d u c e sh o wt os e tt h ea r m + l i n u xd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，a n dg i v e sa n e x a m p l ea b o u tu d p a tt h ee n do ft h ec h a p t e r4 t h e nw ef o c u so nad y n a m i cp a t h p l a n n i n gs t r a t e g yb a s e do nt h er o l l i n gg r i dt h a tw eh a v ed e v e l o p e df o rc o n t r o l l i n g t h er o b o t t h es t r a t e g yi sc h a r a c t e d z e db yas i n g l ec a m e r at h r o u g hw h i c ht h e r o b o tc a nc a l c u l a t et h ed i s t a n c eb e t w e e nt h er o b o ta n dt h eo b s t a c l e 。a n db yw h i c h t h er o b o tc a nn a v i g a t ei t s e l f t h ee f f e c t i v e n e s so ft h es t r a t e g yi sd e m o n s t r a t e db y a ne m u l a t i o n a lr e s u r k e yw o r d s ：n a v i g a t eb yv i s i o n ，m e a s u r i n gb ys i n g l ec a m e r a ，d y n a m i cp a t h p l a n n i n g ，e m b e d d e da r m + l i n u x 广东工业大学工学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所里交的论文是我个人在 导师的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 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作过的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字 论文作者签 字抹钦啤 ， j 0 3 月弓日 第一章绪论 1 1 嵌入式系统介绍 第一章绪论 1 1 1 嵌入式系统的含义、特点 嵌入式系统通常指专用计算机系统。目前国内对嵌入式系统定义为：以应用 为中心，以计算机技术为基础，软硬件可剪裁，满足应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。国际电气和电子工程师协会( i e e e ) 对嵌入式系统定义为：嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备 的装置”。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及应用程 序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系 统与通用计算机系统相比，具有以下几个重要特征： ( 1 ) 面向特定应用； ( 2 ) 硬伴和软件都必须高效设计； ( 3 ) 通常都采用实时操作系统； ( 4 ) 与具体应用相结合，其产品一旦进入市场，具有较长的生命周期； ( 5 ) 嵌入式系统中的软件一般都固化在芯片中； ( 6 ) 有专门的开发工具可供选用。1 1 本文设计的移动机器人所采用的嵌入式系统是基于a r m + l i n u x 系统。 1 1 2 嵌入式系统的历史、现状及发展趋势 1 9 6 9 年，日本的b u s i c o m 公司请i n t e l 为他们的每一种新式计算器分别设计 一种定制的集成电路，i n t e l 则给出了4 0 0 4 。i n t e l 没有为每一种计算机分别进行设 计，而是设计了一种可以用在所有型号上的通用处理器。这个通用处理器被设计 来读取存在外部存储芯片里的一系列指令( 软件) 。i n t e l 的想法是通过软件的设计 可以为每一种计算器提供各自不同的特性， 2 1 这就是嵌入式系统的最早历史。嵌 广东工业大学工学硕士学位论文 入式系统起源于微型计算机时代，然而，微型计算机的体积、价位、可靠性都无 法满足广大对象系统的嵌入式应用要求，因此，嵌入式系统走上了芯片化的独立 发展道路，将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机 时代。单片机诞生于2 0 世纪7 0 年代末，经历了s c m 、m c u 、s o c 三大阶段， 其中最著名的是i n t e l 的m c s - - 5 1 系列。这一阶段通常采用的是8 位或1 6 位微处 理器。 但是由于8 位或1 6 位微处理器系统的运行速度、寻址能力和功耗等方面的 不足，已较难满足很多相对较复杂的嵌入式系统的需要。后来出现了3 2 位的微处 理器，其中尤以a r m 公司的系列产品最为知名。a r m 公司自成立以来，在3 2 位r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p e e r ) c p u 开发领域不断取得突破，其架 构已经从v 3 发展到v 6 。由于a r m 公司自成立以来，一直以i p ( i n t e l l i g e n c e p r o p e r t y ) 提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权，而自己从不介入芯片 的生产销售，加上其设计的芯片核具有高性能、低功耗、低成本、小体积等显著 优点，在移动计算机和普适计算领域具有无可比拟的优势，因此得到众多半导体 厂家和整机厂商的大力支持，在3 2 位嵌入式应用领域获得了巨大成功，目前已经 占有7 5 以上的3 2 位r i s c 嵌入式产品市场份额，确立了市场领导地位。现在大 多数复杂嵌入式系统都采用3 2 位的a r m 处理器。 3 】 嵌入式系统的发展趋势主要体现在以下四个方面【4 】： ( 1 ) 联网成为必然趋势 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向2 1 世纪的嵌入式系统要求 配备一种或多种标准网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入式设备一般都配有 通信接口，相应需要t c p i p 协议簇软件支持；由于家用电器相互关联( 如防盗报 警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息) 及实验现场仪器的协调工作 等要求，新一代嵌入式设备还需具备i e e e l 3 9 4 、u s b 、c a n 、b l u e t o o t h 或i r d a 通信 接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。 ( 2 ) 小尺寸、微功耗和低成本 为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存 容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求。如：选用最 佳的编程模型和不断改进算法，采用j a v a 编程模式，优化编译器性能。因此，既 要软件人员有丰富经验，更需要发展先进嵌入式软件技术，如j a v a 、w e b 和w a p 等。 2 第一章绪论 ( 3 ) 提供精巧的多媒体人机界面 嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之间 的亲和力，自然的人机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习 惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。 ( 3 ) “无所不在的智能”( a m b i e n ti n t e l l i g e n c e ，a m i ) 无所不在的“智能”是嵌入式系统应用的高级境界，它是指一种嵌入了多种 感知和计算设备，并根据上下文识别人的身体姿态、手势、语音等，进而判断出 人的意图，并做出相应反映的具有适应性的数字环境，它通过智能的、用户定制 的内部互联系统和服务制造理想的氛围，完成理想的功能，从而有效提高人们的 工作和生活质量。a m i 的关键技术基础是“无所不在的计算( u b i q u i t o u s c o m p u t i n g ) ”，“无所不在的计算”指的就是，“无论何时何地，任何人需要， 就可以通过某种设备访问到所需的信息”。从计算技术的角度来看，可以认为存 在一个巨大的分布式网络，这个网络由围绕在用户周围的成千上万个嵌入式系统 互连而成，用来满足其在信息、通讯、出行和娱乐等方面的需求。 1 1 3 基于a r m + l i n u x 的嵌入式系统 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e 的缩写) 是a r mh o l d i n g sl t d 维护并推动的 处理器系列。与其他芯片制造商( 例如i b m 、m o t o r o l a 和i n t e l ) 不同的是，a r m h o l d i n g s 自己并不制造处理器，a r m 会依据a r m 核为客户设计c p u 核，同时收取 该设计的许可费，并交由不同的公司生产。但是有一点，所有基于a r m 核的c p u 都有一致的特性：所有的a r m 处理器共享相同的a r m 指令集，这让不同版本的a r m 处理器能够达到软件上的完全兼容。目前，基于a r m 核的c p u 的制造商包括i n t e l 、 m o t o r o l a 、t o s h i b a 、s a m s u n g 以及许多其他厂商，a r m 架构在许多应用中都非常 受欢迎，而且有上百家厂商为它提供产品与服务。 自从1 9 9 1 年首次公开发表以来，l i n u x 的应用范围就愈来愈广泛。其最初的 使用仅局限在i n t e r n e t 上的开发者和热衷者所构成的松散团队，而今却成为一个 稳固的类u n i x 操作系统，可以应用在工作站、服务器以及群集上。说也奇怪，l i n u x 原来与嵌入式系统毫无关系，而今却摇身一变，成为优选的操作系统。现在，在 我们的生活中，从移动电话到医疗设备，包括航空导航系统、自动柜员机、m p 3 、 m p 4 、打印机、汽车以及许多我们还不知道的其它设备，到处都能看到嵌入式系统。 广东工业大学工学硕士学位论文 业界已经证实，人们之所以想要在嵌入系统中使用l i n u x ，是因为它的灵活性、 健壮性、价格、有社群发展它，或是有众多厂商支持它，事实上有许多理由会让 人们想要用l i n u x 来构建嵌入式系统，而且有诸多方法可以完成这项工作。 1 9 9 7 年，当时在一家硬件工厂任职的k a r i my a g b m o u r ，首次提出在嵌入式 系统中使用l i n u x 时，回应他的不仅是惊讶，还有某些质疑。现在，在嵌入式系 统中使用l i n u x 不再是可笑的事情了，相反，有许多大公司以及政府机关在其嵌 入式软件的需求上逐渐开始依赖l i n u x 现在采用基于a r m + l i n u x 的系统正日益增多。例如爱立信( e r i c s s o n ) 公司 生产的“b l i p ”，b l i p 是b l u e t o o t hl o c a li n f o r m a t i o np o i n t ( 蓝牙娱乐信息存 取点) ，该产品运行u c l i n u x ( 一种裁减后的简化版l i n u x ，专用于嵌入式系统) 、 基于a r m 7 t d m i 的a t m e la t 9 1 f 4 0 8 1 6 中央处理器，运行频率2 2 5 m h z 、2 m b 的r a m 、 i m b 的系统闪存( s y s t e mf l a s h ) 、和i m b 的用户闪存( u s e rf l a s h ) 。别外例如 还有夏普公司生产的s h a r pz a u r u s ，运行l i n e o 公司的m b e d i x 嵌入式l i n u x 发 行套件，最初产品采用i n t e ls t r o n ga r m2 0 6 m h z 处理器，后来的产品采用 x s c a l e4 0 0 m h z 处理器。能完成常用的p d a 应用程序，如通讯簿、待办事项、日 程表、记事本、计算器、电子邮件等。唧 1 2 嵌入式a r m 微处理器 1 2 1 删简介 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e 的缩写) 是a r mh o l d i n g sl t d 维护并推动的 处理器系列，现在a r m 这个词既代表着a r mh o l d i n g sl t d 公司的名字，也表示对 一类微处理器的通称，另外还是对一种先进处理器技术的称呼。a r m h o l d i n g sl t d 于1 9 9 1 年在英国剑桥成立，主要出售芯片设计技术的授权，作为i p ( i n t e l l i g e n c e p r o p e r t y ) 供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产 各具特色的芯片。世界各大半导体生产商纷纷从a r m 公司购买其设计的a r m 微处 理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片并进入市场嘲。 如今，采用a r m 核的微处理器，早已遍及工业控制、消费类电子产品( 例如 4 第一章绪论 游戏机) 、通信系统( 例如手机和p d a ) 、网络系统、无线系统等各类产品市场， 基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额， 而且此份额还在上升，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。从a r m 的 网站上可知，有许多国际知名芯片公司获得了a r m 知识授权，例如：m o t o r o l a 、 s a m s u n g ，t o s h i b a ，t e x a si n s t r u m e n t s ，s t ，i n t c l ，a p l i x ， a t h e r o s ，b r o a d c o m ， c s r 、k a w a s a k i 、n e c 、s o c l e 、s o n ye r i c s s o n 、t h o m s o n 、p h l i p s 、z r r t 等。 更多的芯片生产厂商不再一一举例。 所有的a r m 微处理器都具有a r m 体系结构的共同特点，但是不同厂商基于a r m 核的微处理器又都具有各自不同的特色或者为针对特定的应用领域而配备不同的 外围电路。 a r m 处理器当前有多个产品系列：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 、a r m l l 和 s e c u r c o r e 、c o r t e x 等，其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 和a r m l l 为通用处理 器系列，不同系列提供不同的性能以满足各自对应领域的需求。其中s e c u r c o r e 系列为针对安全性要求较高的应用场合。2 0 0 6 年，a r m 发布了最新的c o r t e x r 4 处理器。据悉，今后两年，a r m 可能将目前全球最快的应用处理器c o r t e x a 8 ，应 用于笔记本电脑领域，从而令其拥有台式机一样的性能。1 7 1 2 2a r i v l 微处理器特性 基于r i s c 架构的a r m 微处理器具有如下特点： 1 、体积小、功耗低、成本低、性能好； 2 、大量使用寄存器，指令执行速度更快； 3 、在寄存器中完成大部分数据操作； 4 、寻址方式灵活简单，执行效率高； 5 、指令长度固定。 6 、支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，较好兼容8 位1 6 位器件； 1 2 3a r m 微处理器应用 到目前为止，a r m 微处理器的应用几乎已经深入到各行各业【| l ： 1 、机器人领域：自主移动机器人技术包含了多种技术，其中重要的一个就 是嵌入式技术。特别是在小型机器人上，由于其体积小、功耗低、功能强，嵌入 5 广东工业大学工学硕士掌位论文 式处理器同样得到了广泛的应用。 2 、工业控制领域：基于3 2 位r i s c 架构的a r m 核微控制器芯片已经稳稳占 据高端微控制器市场的大部分市场份额，并正在向低端微控制器应用领域扩展， a r m 微控制器具有的低功耗、高性价比，使传统的8 位1 6 位微控制器面临强劲的 挑战。 3 、无线通讯领域：每一秒钟，全球诞生5 0 多片拥有a r m 核的芯片。自从1 9 9 3 年全球通信芯片巨头t i ( 德卅i 仪器) 选择了a r m 的产品后( 这是a r m 首次进军全 球通讯芯片产业) ，在目前的全球通讯市场，近1 0 0 的c d m a 手机、8 5 以上的w c d m a 手机，都已采用a r m 核的微处理器。1 5 年过去了，a r m 基因相继渗透进通信等多 个领域，截至2 0 0 5 年，它已在通信领域确立绝对的统治地位。 4 、网络应用：目前，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获得竞争优势。经过 优化的a r m 核可用在语音、视频处理、网络加密项目上，在业界已经得到广泛支 持，这对对传统d s p 的领域提出了挑战。a r m 公司已经授权s t e p m i n d ，由其购买 a r m 9 4 6 e 微处理器内核，用于定制的网络加密项目。 5 、消费类电子产品：基于a r m 核的微处理器在数字音频播放器、数字机顶 盒和游戏机中得到广泛采用。 6 、成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技 术，手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。 除此以外，a r m 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得 更加广泛的应用。 1 3 视觉导航及路径规划技术现状 移动机器人常见的导航方式有磁导航、惯性导航、激光导航、视觉导航等多 种导航方式，这些导航方式各有其特点，适合不同的应用环境。 诸多研究表明：视觉导航方式具有信号探测范围宽、获取信息完整等优点， 将成为未来机器人导航的一个主要发展方向。在视觉导航方式中，目前国内外应 用最多的还是采用在机器人上安装车载摄像机的基于局部视觉的导航方式，如：d l b o l e y 等研制的移动机器人利用车载摄像机和较少的传感器通过识别路标进 行导航。比直接采用卡尔曼滤波器获得了更好的实时性，并有效抑制了噪声；a 6 第一章绪论 o h y a 等利用车载摄像机和超声波传感器研究了基于视觉导航系统中的避碰问题； c f e r m u l l e r 等的研究表明：利用车载摄像机将机器人的三维运动描述和景物 的形状描述用于解决机器人的导航问题具有较高的可靠性：p i c o r k e 等对由 车载摄像机构成的移动机器人视觉闭环系统的研究表明，这种控制方法对提高路 径跟踪精度有较好效果。州 视觉导航技术的发展得益于近年来图像技术，特别是计算机图像技术的长足 发展。“图像工程”这一概念的提出为图像技术研究中出现的新理论、新方法、新 算法提供了一个整体框架。根据抽象程度的不同可将图像工程分为3 个层次：图 像处理、图像分析和图像理解。图像处理着重强调在图像之间进行变换，泛指各 种图像技术。如：图像变换、图像增强、图像压缩编码等。图像分析主要是对图 像中感兴趣的目标进行检测和测量，建立对图像的描述，如：图像分割，边缘检 测，目标表达、描述、测量等。图像理解的重点是在图像分析的基础上得出对图 像内容含义的理解以及对原来客观场景的解释，从而指示和规划行动，如：图像 解释、推理等。 在移动机器人视觉导航中利用图像处理技术对图像进行加工，改善了图像的 视觉效果并为自动识别打下基础；对图像进行压缩编码，节省了存储空间和传输 时间，提高了导航系统的实时性。利用图像分析中的图像分割和边缘检测，可将 机器人所处的环境分成自由活动区和障碍区。经过对图像的分割和特征提取，形成 对机器人工作环境的描述，再对从该描述中抽象出来的符号进行运算，在机器人 所处环境中的自由活动区找出连通域，为机器人的高层决策路径规划打下基 础。 在实际应用中，可从图像中提取直线形式的道路边界，通过将探测到的道路 信息与机器人内部存储的地图相对照，修正偏差，实现室外导航；在室内环境中 从图像中提取墙壁等直线信息，通过对墙的跟踪实现跟踪行走，也可通过到多个 墙壁的距离的计算来实现自身的定位。 路径规划是移动机器人研究中的一个基本而又重要的问题。它的任务是在具 有障碍物的环境中，按照一定的评价标准，寻找一条从起始状态( 包括位置及姿态) 到达目标状态( 包括位置及姿态) 的无碰撞路径。 目前，移动机器人路径规划方法主要可以分为以下三种类型： 1 ) 基于事例的学习规划方法，该方法依靠过去的经验进行学习及问题求解， 7 广东工业大学工学硕士学位论文 一个新的事例可以通过修改事例库中与当前情况相似的旧的事例来获得。可以描 述为：首先，利用路径规划所用到的或已产生的信息建立一个事例库，库中任一 事例包含每一次规划时的环境信息和路径信息，这些事例可以通过特定的索引取 得；随后，将由当前规划任务和环境信息产生的事例与事例库中的事例进行匹配， 以寻找出一个最优匹配事例，然后对该事例进行修正，并以此作为最后的结果。 2 ) 基于环境模型的规划方法，该方法首先需要建立一个关于机器人运动环境 的环境模型。由于工作环境的不确定性，通常移动机器人无法建立全局环境模型， 但可根据传感器信息实时地建立局部环境模型。根据环境信息的完整程度又可分 为环境信息完全已知的全局路径规划和环境信息完全未知或部分未知的局部路径 规划。由于环境模型是已知的，全局路径规划的设计标准是尽量使规划的效果达 到最优，例如栅格法等。栅格法用网格描述机器人的工作环境，根据栅格的可信 度值可确定出障碍物的分布，此时通过避障规划就可得到无碰路径。 3 ) 基于行为的路径规划方法，该方法由b r o o k s 在他著名的包容式结构中建 立，它是一门从生物系统收到启发而产生的用来设计自主机器人的技术，它采用 类似动物进化的自底向上的原理体系，尝试从简单的智能体来建立一个复杂的系 统。 1 4 课题来源、意义和完成的主要工作 1 、4 、1 课题来源 “基于在线学习进化的未知环境行为自适应系统研究及应用( 广东省自然科学 基金n o 0 5 0 0 1 8 0 d ” 1 4 2 课题意义 采用上下位机的架构，在移动小车上用基于a r m 的嵌入式系统实现图像采集， 通过无线网卡把采集到的图像发送到高速主机上，由高速主机进行图像识别、路 径规划，再把结果返回给小车，由车载a r m 系统机构执行导航策略。采用改进方法 改善传统的视觉导航技术，使路径规划的速度和结果都有显著的提高。从而实现 移动机器人视觉导航的目的。视觉导航移动机器人可以实现在无人干预、无需对 8 第章绪论 环境做任何规定和改变的条件下，有目的地移动和完成相应任务，适合于在复杂的 非结构化环境中工作。这种具有高度自规划、视觉导航的移动机器人也将拥有更 加广泛的应用前景。在自主式移动机器人相关技术的研究中，视觉导航技术是研究 热点，也是移动机器人实现智能化及全自主的关键技术之一。【1 1 】 本课题主要研究基于a r m 处理器的嵌入式视觉导航系统，进行基于a r m + l i n u x 的智能小车执行机构的软硬件设计，对基于栅格法的滚动窗口动态路径规划 算法作了初步研究，此外本系统的构建为后续研究提供了开发平台。 1 4 3 完成的主要工作 根据课题要求，完成以下工作： 1 、嵌入式系统硬件开发平台搭建 参考s a m s u n g 公司$ 3 c 2 4 1 0 a 的芯片手册【1 2 】，根据课题要求对硬件进行规划， 设计基于s a m s u n g 公司a r m 9 系列的$ 3 c 2 4 1 0 a 嵌入式微处理器的自主移动视觉导 航小车，为其配置了6 4 m b y t e 的n a n d f l a s h 和3 2 m b y t e 的s d r a m ，加载了u s b 接 口摄像头、8 0 2 1 l b 无线网卡，配置了电机驱动接口等一系列的功能模块。 2 、对l i n u x 进行裁剪定制 针对该硬件平台，对l i n u x 的系统启动代码、烧写下载程序等进行修改，对 内核重新配置，增加所需的功能模块，卸载冗余模块，对内核进行交叉编译。 3 、深入研究基于l i n u x 系统的嵌入式系统应用和程序开发 深入研究l i n u x 在嵌入式系统中的交叉编译机制、系统启动机制、驱动程序 编写方法、中断控制机制，并编写了图像捕获和数据传输程序。 4 、障碍物的识别、动态路径规划算法的研究仿真 采用单目视觉测距的方法进行障碍物躲避，并进行基于栅格法的滚动窗口动 态路径规划算法的研究，针对算法做了仿真试验，给出了仿真结果。 9 广东工业大学工学硕士学位论文 2 1 需求分析 第二章系统总体架构 为了实现视觉导航，移动机器人配备了一片核心控制板，一台摄像机，两个 驱动轮，两个从动轮，其中两个驱动轮可单独控制以实现移动机器人转向，两个 从动轮仅起平衡作用。在整个系统中，最重要部分为核心控制板，也就是嵌入式 系统部分。图2 - 1 是实验采用的小车，顶部是摄像机，中间是核心控制板，底部 是两个驱动轮外加两个从动轮。 图2 - 1 嵌入式移动机器人小车系统 f i g u r e2 - 1e m b e d d e dm o b i l er o b o ts y s t e m 接下来主要介绍核心控制板部分的功能需求。核心控制板实际上是一个嵌入 式系统，其构架由四个部分组成：c p u 、m e m o r y 、i o 和s o f t w a r e 。 第一：处理器( c p u ) 选型 嵌入式处理器在嵌入式系统居于核心地位。目前嵌入式处理器多达上千个品 种，不同的处理器各有其不同的功能和优势。常用的嵌入式处理器类型有a r m 、 s t r o n ga r m 、x s c a l e 、p o w e r p c 、x 8 6 、m i p s 、m s 5 1 系列系列等。本系统采用了s a m s u n g 公司基于a r m 核的$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器。 1 0 第二系统总体架构 第二、存储器( m e m o r y ) 选型 任何一个系统都需要有用于数据保存的存储器，嵌入式系统也不例外。通常 应根据所选用处理器的不同，配备不同的存储器，一般的选择标准是：容量大、 性能稳定、方便升级。在嵌入式系统中一般选用非易失性f l a s h 做为首选存储设备， 如果存储数据量较大，现在也有选用如微硬盘或2 5 寸笔记本硬盘做为存储载体 的。在选用f l a s h 时，要考虑f l a s h 的擦除软件操作是否方便，是否能在线升级软 件等。本系统采用6 4 m b y t ef l a s h 和3 2 m b y t e 的s d r a m 。 第三、外围设备及操作系统选型【l ，】 一般情况下，要根据实际需求和处理器的功能，确定系统外围设备，为了提 高系统的可靠性，去掉了不用的设备接口，只留下必需的功能接口。 作为一个完备的嵌入式系统，经过分析取舍，本系统提供了如下接口： u s b 接口 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 适用于u s b ) b 围设备连接到主机上， 通过p c i 总线与p c 内部的系统总线连接，实现数据的传送。同时u s b 又是一种通信 协议，支持主系统与其外设之间的高速数据传送。u s b 接口以其方便、传输速率高 等优点已经成为计算机行业的外设标准接口。我们选用u s b 接口主要是用来外接 u s b 摄像头和u s b 无线网卡。通过u s b 摄像头采集到图像信息，经过u s b 无线网卡传 送到上位机进行图像识别，以找出可能的障碍物，进而进行路径规划。 无线收发模块 本系统通过u s b 无线网卡来完成下位机( 即车载a r m 系统) 与上位机( 即高性 能p c ) 间的所有通信，并采用w e b 数据加密的方式实现抗干扰。 通用i o 接口( g e n e r a lp o r tn g p n ) 当上位机识别出障碍物并做出路径规划后，通过u s b 无线网卡把动作指令发给 小车，小车接收到控制信号后，经分析，通过g p n 输出，放大后用来驱动直流步进 电机，以完成移动机器人的各种机械动作，完成移动任务。 r s - - 2 3 2 串行接口 r s 一2 3 2 作为p c 机与通信工业中广泛应用的一种串行接口，定义为一种在低速 率下的串行通信，以增加通信距离的单端标准。在本系统中通过串口下载程序和 进行串行通信。 按键、喇叭和发光二极管 广东工业大学工学硕士学位论文 本系统中配备少数必要的按键，主要是用来做现场调试，实际产品中此功能 可屏蔽。另外还提供了必要的喇叭和发光二极管，用简单的交互和报警方式，指 示系统的工作状态和电源指示。 嵌入式操作系统选型 本系统把可移植性、支持多任务、实时性、开发工具的支持程度、是否开 放源代码、版权许可等方面作为选择嵌入式操作系统的依据。经过分析对比， 我们采用了l i n u x 2 4 1 8 内核( 可升级到2 6 版内核) 。 2 2 功能划分 从上述的需求出发，综合考虑成本、开发的难易程度等因素，本系统采用基 于a r m 9 2 0 t 内核，e h s a m s u n g 公司生产的$ 3 c 2 4 1 0 a 嵌入式处理器。系统的功能结构 框图如图2 2 所示： 图2 - 2 系统结构框图 f i g u r e2 - 2s y s t e mf r a m e 各模块功能如下： 1 系统采用i m x1 6 b i tn o rf l a s h + 6 4 m b y t en a n df l a s h ，用于存放所有的指 令代码和掉电需要保存的变量；采用3 2 m b y t e 的s d r a m ( 同步动态数据存储器) ，用于 第二系统总体架构 存放数据和程序执行； 2 保留u s b 模块，用于连接8 0 2 1 l b 无线网卡和u s b 摄像头； 3 扩展r s 2 3 2 口，用于调试程序下载； 4 扩展键盘和l e d 显示，用于调试和现场显示操作； 5 扩展电机接口，以驱动电机，另外还有复位电路( r e s e t ) ，实时时钟( c l o c k ) 模块等； 6 复位电路用于系统上电复位、用户人工按键复位； 7 电源部分：为5 v 转3 3 v 和5 v 转2 5 v 的d c - d c 转换器，为了提供高质量的电 源，我们采用了专用的电源变换芯片l m l l 7 s 一1 8 和h 1 6 a 一3 1 1 b j ； 8 采用2 0 m h z ( 也可选择1 0 m h z ) 有源晶振作为外部时钟，通过片内时钟生成 器进行p l l 倍频为2 0 3 m h z 作为微处理器的工作时钟；通过跳线选择2 o v 电压，微处理器频率更可达2 6 6 姗z 。 9 j t a g 接口用于对芯片内部的部件进行访问，通过该接口可对系统进行调 试、编程等。 2 3 注意事项 在进行具体硬件设计时，为获得最佳的设计效果，应该遵循如几点： 一、选用技术成熟、功能完善的芯片组 技术成熟、功能完善的芯片可提高系统的精度和可靠性，同时简化系统的电 路设计，也为以后的升级留下余地。 二、以软代硬，软硬结合 在条件许可的情况下，尽量用软件完成所需的功能，一方面可以节约成本， 另外也提高了系统的可修改性和可靠性。这一点，与现今流行的系统设计原则是 符合的，正如在c p u 设计中，现在已经大量采用微程序逻辑代替硬布线逻辑。 三、冗余设计，以便扩展和修改 通常情况下，系统的软件修改较之硬件改动要方便得多。例如，通过修改软 件算法程序，就可以大幅度地提高系统的功能，而仅需要增加一部分内存空间。 因此，本系统在做硬件设计时做了更多考虑。例如在f l a s h ，s d r a m 等芯片的选取 上，考虑当前的实际要求和价格因素，我们选取了6 4 m b y t e 的n a n d f l a s h 和3 2 h t b y t e 广东工业大学工学硕士学位论文 的s d r a m ，并增加t s d 卡( s e c u r e dd i g i t a l “c a r d ) 做为后备存储器，方便以后 增添数据。考虑到提高系统运行速度的需要，我们采用了双频设计的原则，通过 跳线选择1 8 v 或2 o v 电压，可以让处理器分别工作在2 0 0 m h z 和2 6 6 m h z 的频率上。 n 帕 2 4 小结 本章对移动机器人视觉导航系统硬件部分的总体结构进行规划，给出系统各 模块的功能划分和定义，提出系统设计中应该注意的事项 1 4 第三章系统硬件详细设计 3 1 硬件选型 第三章系统硬件详细设计 3 1 1a r m 微处理器选型 a r m 公司自身并不生产处理器，市场上出售的a r m 微处理器是a r m 公司 把各种不同的a r m 核以i p ( 知识产权) 授权给芯片生产厂商，再由芯片厂商加 上各自独特的功能，生产出性能各异的微处理器。近百个芯片生产厂家，以及千 变万化的内部功能配置组合，以适应不同的应用领域。根据上述功能分析，本系 统选用了s a m s u n g 公司的s 3 c 2 4 1 0 a 芯片，这是一款基于a r m 9 2 0 t 核的微处理 器，可加载w i n c e 或l i n u x 等操作系统以缩短软件开发时间。 a r m 9 系列处理器是低功耗的3 2 位r i s c 处理器，此产品设计为供手持设备 和要求在小尺寸的模组上提供低成本、低功耗、高性能的通用微处理器，适合用 于对价位和功耗要求较高的消费类应用，主要应用领域为：工业控制、i n t e r n e t 设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多媒体和嵌入式应用。$ 3 c 2 4 1 0 a 微 处理器支持1 6 位的t h u m b 指令集，使用t h u m b 指令集可以1 6 位的系统开销但 却取得3 2 位的系统性能。通过提供一组完整的共用系统外围设备，s 3 c 2 4 1 0 a 使 整个系统的成本达到最小化而不必再去配置额外的组件。其片上集成功能如下： 1 8 v 2 0 v 核电压，3 3 v 内存电压，3 3 v 外部i o ，1 6 k b 指令高速 缓存和1 6 k b 数据高速缓存，m m u 的微处理器 外部存储器控制器( s d r a m 控制器和片选逻辑) l c d 控制器( 支持4 k 色彩色s t n 和2 5 6 k 色彩色t f t ) ，附有1 通 道l c d 专用d m a 带外部请求的4 通道d m a 3 通道u a r t 2 通道s p i 1 通道多用途i i c - - b u s i 通道i i s - - b u s 控制器 广东工业大学工学硕士学位论文 1 0 版s d 主机接口兼容2 1 l 版m m c 协议 2 个u s b 主机接口和一个u s b 设备接口( 1 1 版) 4 通道p w m 定时器和l 通道内部时钟 看门狗定时器 1 1 7 位通用i o 口，2 4 个外部中断源 功耗控制：正常、低速、空闲、关机四各模式 8 通道1 0 位模数转换器和触摸屏接口 带日历功能的实时钟 a r m 9 微处理器系列具有如下特点： 内置a m b a ( 高性能微处理器总线架构) ，带m m u ，支持w i n c e 、 l i n u x 、e p o c 3 2 1 6 k b 指令高速缓存和1 6 k b 数据高速缓存的6 4 路指令关联高速缓存 每条流水线8 字长，含一有效位和8 无效位 兼容1 6 位的t h u m b 指令集 主频最高可达2 6 6 m h z ，胜任绝大多数的复杂应用 具有嵌入式i c e - - r t 逻辑，调试开发方便。 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如手持设备。 3 1 2f l a s h 选型 f l a s h 存储器，包括n o rf l a s h ( 例如c f if l a s h 芯片) n a n df l a s h ( 例如d o c ) 两种，是一种可在系统编程，非易失性存储器。它具有低功耗、大容量、擦写速 度快、可整片或分扇区在系统编程等特点，还可由内部嵌入的算法完成对芯片的 操作，广泛应用于各种嵌入式系统。 与磁盘存储设备不同，通常无法任意读写这些设备。f l a s h 的工作原理：f l a s h 设备通常会被划分成基于“抹除块”。最初会有一个所有位全被设为l 的空白块。 对这些块进行写入操作是将位清为0 。一旦块中所有位全被清除( 设为o ) ，抹除此 块的惟一可能方式，就是将它的“所有”位同时设为1 。以n o rf