重庆大学本科范文

重庆大学本科范文重庆大学本科范文 重庆大学本科学生毕业设计 论文 探测机器人视觉随动系统的软 件设计学生xx学号xx指导教师xx专业xx重庆大学自动化学院二OO八 年六月Graduation Design Thesis of Chongqing University TheSoftware Designof DynamicSystem ofDetection RobotUndergraduate Xia XiaodongSupervisor Assit Prof Xie ZhaoliMajor Automation Collegeof AutomationChongqingUniversityJunexx 精品 千教万教教人求真 千学万学学做真人 藜羹麦饭冷不尝 要足平生五车书 摘要目 前机器人越来越多的应用于非制造业 与制造业相比 其主要特点 是工作环境的非结构化和不确定性 这对机器人提出了更高的要求 需要机器人具备行走功能 对外感知能力以及局部的自主规划能 力等 因此 对探测移动机器人的研究正成为一个重要的热点 探测移动机器人能够按照存储在其内部的地图信息 或根据外部环 境所提供的一些引导信号 即通过对环境的实时探测所获得的信息 规划出一条路径 在没有人工干预的情况下完成目标任务 针对以上特点 本文设计了探测机器人的视觉随动机构 并基于DSP 对视觉随动系统进行了软件设计 前期工作中 主要进行器件选型 分析 选购工作 包括CCD传感器 DSP U形架和伺服马达 以此为基础 设计出探测机器人的视觉随动机构 CCD器件的灵敏度很高 光谱敏感波段也很宽 把光学图像转换成电信 号输出 经图象采集卡处理得到数字视频信号 DSP控制器对其进行 运算 处理 产生相应PWM波 对伺服马达进行控制 带动视觉机构 的旋转 通过软件设计 实现视觉系统的随动控制 最后 通过系统调试 改进了一系列的问题 实现了对视觉传感器 的很好的随动控制 若以探测机器人来代替人工作业 不但能提高安全性 降低劳动强 度 而且能提高经济效益 给人类社会带来极大的方便 此外 若 探测机器人能够获得全方位的视野 将会极大地提高作业的效率 1 2国内外研究现状探测机器人作为机器人学中的一个重要分支 早 在60年代 工程界就开始了探测机器人的研究 其发展经历了一个 较长的历程 1962年 美国 英国 日本的一些实验室等研究机构进入这一领域 八十年代 国外掀起了智能机器人研究热潮 而且发展迅速 不 少研究机构取得了很多有意义的研究成果 其中较为著名的有美国 标准与技术研究院 卡内基 梅隆大学 日本的Tsugawa 1 九十年代 主要研究热点是将各种控制方法应用到智能移动探测机 器人的控制 典型的机器人有美国JPL研发的Athena 微型火星车Nanorover 卡 内基 梅隆研发的Nomad移动机器人 我国政府非常重视机器人技术 从国家863计划实施之初到现在一直 将机器人技术列为重点支持方向 十五 期间 国家863计划机器人技术主题重点支持了数控 工程 机械 盾构 生产线 水下载人潜器 危险作业机器人 医疗机器 人和仿人仿生机器人等 较为全面对路径规划 视觉导航 信息融 合 自动驾驶等一些基本的智能机器人技术做了探索 几十年来世界机器人的研究发展相当迅速 取得了相当多的成果值 2 1997年 卡内基 梅隆大学机器人研究所在智利阿特卡马沙漠上的 测试了他们研究的 流浪者 nomad 号机器人 阿特卡马沙漠的环境类似于月球和火星的表面 测试行程220km 在 其行程中既有自主控制又有几千千米以外的人工遥控 测试中还包 括车体在复杂地形上的行驶能力测试 其驱动结构 通信 传感器的设计都比较有创意 可以为设计月球 车提供参考 xx年7月 日本东京大学和三井造船公司公开了新研制的海底探测机 器人 这种机器人的潜水深度可达4000米 其搭载的探测装置能够准确把 握周围状况 前方若出现障碍物 它搭载的计算机会准确作出判断 操纵机器人自动绕开 到达指定目的地之后 航行误差仅为约30 米 新型海底探测机器人靠传感器检 精品 千教万教教人求真 千学 万学学做真人 藜羹麦饭冷不尝 要足平生五车书 测水温 水中 的浑浊度等 并能自主地收集数据 可用于探测喷涌热水的海底火 山 沉船 海底矿产资源和生物等 xx年5月它被用于探测到地球上最深的海沟 马里亚纳海沟 今年3月 首期投资100万 由甘肃长城水下高技术有奶公司研发的三 位智能机器人在甘肃兰州宣告诞生 三兄弟分别是 水下综合探测 机器人 水下清刷机器人 和代号为GNOM的小型机器人 这三位机器人的诞生使我国告别了没有同类机器人的空白 其中水 下综合探测机器人和水下清刷机器人在国内外都是 独生子 而 小型机器人则是引进国外技术合作的结晶 他们集 声成像 等高尖端技术于一身 在水下各具其能 能够完 成人所无法完成的水下作业 且不受天气和环境影响 具有工作效 率高 费用成本低的明显优势 1 3课题的目的和意义在当代工业生产中 存在着大量环境复杂的高 危工种 如煤矿 管道 排爆等 对工作人员的生命安全构成了严重的威胁 移动探测机器人的研究为恶劣环境下的人工作业带来了希望 提高 了安全性 同时降低了劳动强度 3 随着现代计算机技术 传感器技术以及信息处理技术的发展 探测 机器人的应用范围已不仅仅局限于危险区域 农业 医疗 空间探测等 也大量出现了探测机器人的身影 探测机器人要实现在和不确定环境下运行 必须具备自动导航和避 障功能 4 视觉随动系统是探测机器人的关键部分 它通过对环境的感知 自 动探测搜索目标 并且能成功的避开障碍物 快速准确平稳的到达 目的地 作出相应的决策 本课题研究目的是一 设计探索机器人视觉随动系统 二 控制机 器人主动感知环境 寻找目标和障碍物 为决策提供数据基础 1 4课题的研究内容本课题的任务是设计视觉随动机构并通过软件设 计对视觉传感器进行随动控制 由于视觉随动机构对系统影响很大 因此要求它紧凑 可靠 稳定 性高 另外用软件算法控制伺服马达达到对视觉传感器的控制 为了设计机器人视觉随动机构 首先要选购伺服马达 确定伺服马 达参数 机器人机电控制系统中 伺服马达控制效果是性能的重要影响因素 伺服马达可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构 其 简单的控制和输出使得DSP控制器系统非常容易与之接口 基于伺服马达 可以设计一个视觉随动机械结构 包括一个可靠性 高 稳定的摄像头支架 精品 千教万教教人求真 千学万学学做真人 藜羹麦饭冷不尝 要足平生五车书 1 5本章小结探测机器人作为智能机器人的一个 分支 在现代人类社会的生产中的作用越来越大 已经渗透到了很 多重要的领域 是目前国内外机器人研究的一个重点和热点 几十年来其发展非常迅速 取得相当多有意义的成果 本章详细介绍了国内外探测机器人的研究现状 并举出了一些具有 代表性的成果 如卡内基 梅隆大学机器人研究所研究的 流浪者 nomad 号机器人 本章重点介绍了本课题的研究目的 意义及研究内容 众所周知 在诸如地下矿井 管道和排爆等高危场所进行人工作业 随时都可能给施工人员带来生命威胁 因此 用机器人代替人类在这些环境里工作 将给人类带来希望 机器人要在这些非结构化的环境里工作 必须具备自动导航和避障 功能 视觉随动系统是其中的关键部分 本课题研究内容就是设计探索机器人视觉随动机构 并设计软件算 法对视觉传感器进行随动控制 精品 千教万教教人求真 千学万学学做真人 藜羹麦饭冷不尝 要足平生五车书 2视觉随动系统简介2 1视觉机构2 1 1摄像机摄 像机是产生图象信号的部件 也是探测机器人视觉系统的重要组成 部分 摄像机由光学镜头 摄像元件 视频放大及同步扫描电路 光强控 制等部件组成 5 前方景物经光学镜头生成光学图像 摄像元件的感光表面能按照光学 像上各点照度的不同产生相应数量的电荷 同步扫描电路则按一定顺 序把这些电荷取出成为电信号 视频信号 经视频放大器放大并加入规定的同步信号后输出 下面我们详细分析摄像机的组成部件 光学镜头的作用是产生景物的光学像 并把它投射在摄像器件的感光 表面上 光学镜头可分为定焦镜头与变焦镜头 在变焦镜头中又有连续变焦与不连续变焦之分 后者实际是几个焦距 不同的定焦镜头的组合 其某些光学零件相互共用 变焦镜头的最长焦距与最短焦距之比 叫做变焦比或变倍比 一般在4 至12之间 光学镜头的重要技术参数是焦距和相对孔径 对于一定尺寸的摄像元件而言 光学镜头的焦距决定了电视摄像机的 视场大小 摄像镜头的另一个重要参数是入瞳直径D与焦距f之比D f 叫做相对孔径 而F D通常叫做F数 它对靶面上像的照度有重要影响 摄像器件的作用是把光学图像转换成电信号输出 CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器 两者都是利 用感光二极管 photodiode 进行光电转换 将图像转换为数字数据 CMOS工艺是超大规模集成电路的主流工艺 6 集成度高 可以根据 需要将多种功能集成在一块芯片上 CMOS图像传感器包括图像阵列逻辑寄存器 存储器 定时脉冲发生 器和转换器在内的全部系统 70年代出现了电荷耦合器件 CCD器件 它是一种半导体固体成像器 件 这种器件的感光表面是用半导体材料做成的许多敏感单元组成的阵 列 当光学像投射到感光表面时 对应于像上各点的不同照度在阵列 的各敏感单元中产生不同数量的电荷 载流子 然后外电路按一定时 间顺序从阵列边缘取出各敏感单元的电荷 就得到对应于光学图像的 视频信号 摄像器件的几个主要参数是响应度 信噪比 惰性 分辨力 响应度又叫做灵敏度 是输出的光电流与输入的光通量之比 单位是 微安 流明 信噪比 S N 是图像信号的峰值电平Usp与杂波有效值Un之比 单位用 分贝 DB 惰性又叫做滞后 是指当光照停止后光电流并不立即消失的现象 在看电视时有时看到在一个移动的亮物体图像后面拖着一个亮 尾 巴 就是这种惰性的反映 惰性的大小用光照停止后第三 精品 千教万教教人求真 千学万 学学做真人 藜羹麦饭冷不尝 要足平生五车书 电视 场剩余信 号电流与光照停止前的信号电流之比值表示 而分辨力是摄像器件分解图像细节的能力 CCD与CMOS二者主要差异是数字数据传送的方式不同 因此在效能与 应用上也有诸多差异 在灵敏度 成本 分辨率 噪声控制等方面 CCD传感器都优于CMOS 传感器 而且CCD器件光谱敏感波段也很宽 可达近红外波段 特别是体积小 耐冲击振动 已逐渐占据了市场 本课题选用了CCD传感器 光强控制部件的作用是使由光学镜头产生的光学像的照度保持在摄 像器件正常工作所需的范围内 自然景物所受的光照变化是很大的 正午时地面照度可达到100000 勒克斯 而太阳刚刚落下地平线时约为100 勒克斯 摄像器件要在适当照度的光学像下工作才能正确反映景物亮暗层次 输出满意的图像信号 改变像的照度可以从两方面入手 一是改变光学镜头的相对孔径 D f 即入瞳直径D与焦距f之比 二是改变透光率 2 1 2视频输入处理器SAA7111摄像机输出的是模拟视频信号 所以 必须对它进行分析和处理 随着计算机多媒体应用领域日益广阔 技术日新月异 各种软件和 硬件层出不穷 而作为图象多媒体不可或缺的重要组成部分 视频输入处理变得异 常重要 各半导体芯片生产厂家不断创新 改进 力求通过简单的操作达到 完美的效果 使视频输入处理功能不断完善 给图象多媒体的后期 操作带来更多的方便 著名的半导体公司Phillps提供的基于PC机作为平台的可编程视频输 入处理芯片SAA7l11 正是为满足这一需要而出现的 它采用CMOS工艺 通过简单的I2C总线与PC机接口 内部包含两路模拟处理通道 能实现视频源的选择 抗混叠 去假 频 滤波 模数变换 自动嵌位 自动增益控制 时钟产生 多制式 PAL BGHI PALM PALN NTSCM和NTS 解码及亮度 对比度和饱和度控制 可为视频桌面系统 图象多媒体 数字电视 图象处理 视频电话 等的应用提供极大方便 SAA7111是以PC机作为平台的 其所有的可编程功能是通过I2C总线 对内部的32个寄存器相应的控制位置相应的数值来完成的 有以下主要特点 1 可编程选择四路视频输入中的一路或两路组成不同的工作模式 在其内部有两路模拟视频信号处理通道 可进行静态增益控制或 自动增益控制两路8位的模数转换 2 可对芯片编程进行白电平控制 抗混叠滤波 梳状滤波 3 能实现行场同步信号的自动检测和分离 并且行同步信号的起 始位置与结束位置均可根据需要进行编程控制 片内产生的时钟通 过数字PLL锁定行同步 4 场频50Hz或60Hz自动检测 并自动在PAL和NTSC之间自动切换 并能对不 精品 千教万教教人求真 千学万学学做真人 藜羹 麦饭冷不尝 要足平生五车书 同输入制式的亮度信号和色度信号 进行处理 并实现亮度 色度和饱和度的片内控制 5 可方便使用不同的数字图象数据输出格式 7 SAA7111的功能方框图如图2 1所示 8 SAA7111有四条视频信号输入引脚AI 11 AI 12 AI 21 AI22 当视频信号从某一引脚进入之后 首先进行模拟处理 然后通过缓 冲器输出一路到AOUT端用于监视 另路经A D后产生数字色度信号和 亮度信号分别对其进行处理 经过处理后的亮度信号一路送到色度信号处理电路经过综合处理后 产生Y u V信号 再经过格式化后从16位的VPO输出 另一路进入 同步分离电路 并经数字PLL产生行 场同步信号HS和VS 同时PLL 驱动时钟发生电路以产生与HS锁定的时钟信号LLC和LLC2 色度信号处理电路的工作过程通常是从A D出来的8位数字色度信号 被送入平方解码器 在此利用了两个副载波信号 其中副载波信号 的相位与解码器成0o或90o的关系 频率由当前所输入视频信号的色 彩制式所决定 从平方解码器出来的色差信号经过一个低通滤波器后便可获得所需 带宽的色差信号 而后色差信号再被送入亮度 对比度和饱和度控制电路以完成如下 功能 1 AGC 2 色度信号幅度匹配 3 亮度 对比度 饱和度控制 4 将YUV限制在1 244范围内 Y信号也被送到色度信号处理器 经过延时补偿与梳状滤波后的uV信 号一起进入RGB变换矩阵以产生RGB信号 然后通过格式选择器由VPO 输出 该信号有多种输出格式可供选择 亮度信号处理电路的工作过程是这样的8位亮度信号 CVBS S VHS HI8格式 送到一个可切换的预滤波器进行高频成分的损失补偿 然后再送到中心频率为F 4 43MHz或3 58MHz的色度信号陷波器中 以最大程度地减弱色载波信号 对S一VHS HI8格式 它必须是旁 通的 最后再经可变带宽滤波和匹配放大后进行叠加以产生Y信号 供上面的色度信号处理使用 精品 千教万教教人求真 千学万学学做真人 藜羹麦饭冷不尝 要足平生五车书 图2 1SAA7111的功能方框图初始化主要通过I2C 总线接口来完成 9 I2C总线由串行数据线 SDA 和串行时钟线 SCL 组成 通信时 所有 具备I2C总线接口的器件都连接到这两根线上 而且既可以发送数据 也可以接收数据 但任意时刻只能有一个主控器件进行I2C总线的控 制 其他器件都为被控器件 它们分时占用总线 I2C总线的数据传送由主器件控制 首先由主器件发出开始信号S 表示开始启动数据传输 当SCL为高电平时 如果出现SDA的电平由高变低则视为S信号 然后 主器件发送从器件的7位地址和读位R W 接着主器件将接收从器件 的应答信号 如果收到正确的ACK 则进行数据的传送 数据传送的方向由读写位R W的值确定 而且数据传送为8位 高位 在前 低位在后 不管是发送数据还是接收数据 在传送完8位数据后 必须由接收数 据的器件在SDA上发一个应答信号 最后当全部数据传送完后 由主器件产生停止信号P 表示总线传送 结束 SCL线为高 SDA线由低电平变高电平时 视为停止信号P 由上可知 I2C总线数据传输采用了应答式的工作方式即发送方发送 数据后由接收方发送是否正确接收的应答信号 发送方以此作为是 否继续进行数据传送的判断依据 I2C总线的数据传输主要是由主控器件控制 在SCL的控制下 按位 传送数据 也就是说 要想完成对I2C总线的虚拟主要是完成主控器 件I2C的实现 精品 千教万教教人求真 千学万学学做真人 藜羹麦饭冷不尝 要足平生五车书 2 2随动机构为了使摄像头自动跟踪目标及扩大 感知范围 要求视觉系统一定要有随动性 即要实现视觉传感器的 水平和俯仰运动 本课题中我们基于伺服马达设计了随动机构 在此基础上对视觉系 统实现随动控制 下图2 2是随动机构结构示意图图2 2随动机构结构示意图伺服马达 是一种位置 角度 伺服的驱动器 适用于那些需要角度不断变化 并可以保持的控制系统 10 高档玩具如航模 包括飞机模型 潜艇模型 遥控机器人中已经使 用得比较普遍 舵机是一种俗称 其实是一种伺服马达 标准的微型伺服马达有三条控制线 分别为电源 地及控制 电源线与地线用于提供内部的直流马达及控制线路所需的能源 电 压通常介于4V 6V之间 该电源应尽可能与处理系统的电源隔离 因为伺服马达会 产生噪音 它的内部包括了一个小型直流马达 一组变速齿轮组 一个反馈可 调电位器 及一块电子控制板 其中 高速转动的直流马达提供了原始动力 带动变速 减速 齿 轮组 使之产生高扭力的输出 齿轮组的变速比愈大 伺服马达的 输出扭力也愈大 也就是说越能承受更大的重量 但转动的速度也 愈低 减速齿轮组由马达驱动 其终端 输出端 带动一个线性的比例电 位器作位置检测 该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控 制线路板 控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较 产生纠正 脉冲 并驱动马达正向或反向地转动 使齿轮组的输出位置与期望 值相符 令纠正脉冲趋于为0 从而达到使伺服马达精确定位的目的 下面是一个微型伺服马达的实物图 精品 千教万教教人求真 千 学万学学做真人 藜羹麦饭冷不尝 要足平生五车书 图2 3微型伺 服马达的实物图伺服马达 舵机 的基本工作原理是将接收机的遥 控脉冲信号 经过驱动电路驱动马达的旋转 从而转换成机械动作 马达根据脉冲信号决定转动的方向和动作量来驱动齿轮组 最终 获得要求的动作 它又分为数字伺服器和模拟伺服器 传统的模拟伺服器 有专有的逻辑芯片和定时装置 以及标准的30 芯导线 数字舵机 有以石英晶体控制的微处理器 FET放大器 场效应管 和能承受更大功率的50芯导线 其实在微处理器以外二者并没有什么分别 它们有着相同的马达 齿轮和外壳 同样的反馈电位器 看起来极其相似 所谓的数字伺服器和常规伺服器的最大差别是在驱动电路板上 数字伺服器是先将接收机输出的模拟脉冲信号转换成数字信号 在 把控制信号传送给马达放大电路时 还得将数字信号再转换成模拟 脉冲信号 由该模拟脉冲信号控制末级电流的导通 驱动马达旋转 唯一有不同的地方是在输出电流中叠加了数字脉冲 以增加扭力 数字伺服器比传统的模拟伺服器 即使是使用无线圈马达的模拟伺 服器 在工作方式上也有很多优点第一 因为微处理器的关系 数 码舵机可以在将动力脉冲发送到舵机马达之前 对输入的信号 根 据设定的参数进行处理 这意味着动力脉冲的宽度 就是说激励马达的动力 可以根据微处 理器的程序运算而调整 以适应不同的功能要求 并优化舵机的性 能 第二 数码伺服器以高得多的频率向马达发送动力脉冲 就是说 相对与传统的50脉冲 秒 现在是300脉冲 秒 虽然 以为频率高的关系 每个动力脉冲的宽度被减小了 但马达 在同一时间里收到更多的激励信号 并转动得更快 这 精品 千教万教教人求真 千学万学学做真人 藜羹麦饭冷不 尝 要足平生五车书 也意味着不仅仅舵机马达以更高的频率响应 发射机的信号 而且 无反应区 变小 反应变得更快 加速和减 速时也更迅速 更柔和 数码伺服器提供更高的精度和更好的固定 力量 2 3DSP简介目前探索机器人视觉控制系统主要以单片机或DSP作主控 制器 11 单片机又称单片微控制器 它不是完成某一个逻辑功能的芯片 而是 把一个计算机系统集成到一个芯片上 概括的讲一块芯片就成了一台计算机 它的体积小 质量轻 价格便宜 为学习 应用和开发提供了便利 条件 DSP芯片 也称数字信号处理器 12 它是一种独特的微处理器 有自己的完整指令系统 是以数字信号 来处理大量信息的器件 一个数字信号处理器在一块不大的芯片内包括有控制单元 运算单 元 各种寄存器以及一定数量的存储单元等等 在其外围还可以连 接若干存储器 并可以与一定数量的外部设备互相通信 有软 硬 件的全面功能 本身就是一个微型计算机 DSP采用的是哈佛设计 即数据总线和地址总线分开 使程序和数据 分别存储在两个分开的空间 允许取指令和执行指令完全重叠 也就是说在执行上一条指令的同时就可取出下一条指令 并进行译 码 这大大的提高了微处理器的速度 另外还允许在程序空间和数据空间之间进行传输 因为增加了器件 的灵活性 其工作原理是接收模拟信号 转换为0或1的数字信号 再对数字信 号进行修改 删除 强化 并在其他系统芯片中把数字数据解译回 模拟数据或实际环境格式 它不仅具有可编程性 而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复 杂指令程序 远远超过通用微处理器 是数字化电子世界中日益重 要的电脑芯片 它的强大数据处理能力和高运行速度 是最值得称道的两大特色 由于它运算能力很强 速度很快 体积很小 而且采用软件编程具 有高度的灵活性 因此为从事各种复杂的应用提供了一条有效途径 根据数字信号处理的要求 DSP芯片一般具有如下主要特点 1 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法 2 程序和数据空间分开 可以同时访问指令和数据 3 片内具有快速RAM 通常可通过独立的数据总线在两块中同时 访问 4 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持 5 快速的中断处理和硬件I O支持 6 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器 7 可以并行执行多个操作 8 支持流水线操作 使取指 译码和执行等操作可以重叠执行 本课题中我们采用DSP芯片TMS320F2812作为控制核心 TMS320F2812芯 精品 千教万教教人求真 千学万学学做真人 藜 羹麦饭冷不尝 要足平生五车书 片是基于C C 高效32位DSP内核 该芯片具有高速的处理能力 并且片内有丰富的外设资源 不但 能保证控制的精确性和实时性 还能简化控制电路 降低成本 并且提供浮点数学函数库 从而可以在定点处理器上进行浮点运算 是电机等数字化产品控制的最佳选择 其主要功能外设如下 1 事件管理器EVA和EVB 包括定时器 比较器 捕捉单元 PWM逻 辑电路 正交编码电路 和中断逻辑电路等 2 模数转换模块 可以将外部的模拟信号转换为数字信号 3 同步串行通信接口SPI和异步串行通信接口SCI 4 CAN总线通信模块 最高的通信速率可以达到1Mbps 5 控制DSP内核的工作频率PLL时钟模块和用来检测软件硬件运行状 态的看门狗电路 6 通用目的数字量I O 多通道缓冲串口 外部中断接口等 相比单片机 DSP器件具有较高的集成度 更快的CPU 使DSP器件具 有高速的数据运算能力 DSP比16位单片机单指令执行时间快8 10 倍 此外 更大容量的存储器 内置有波特率发生器和FIFO缓冲器 提 供高速 同步串口和标准异步串口 片内还集成了A D和采样 保持 电路 可提供PWM输出 数字信号处理能力较强 适合进行电动机的 控制 近年来 随着DSP芯片产品价格的不断下滑 使DSP能够从以往的军 用领域迅速拓展到民用领域 例如应用于计算机 网络 移动电话 调制解调器和磁盘驱动器以及众多的消费电子产品 DSP的重要应用领域之一是声音处理 DSP已经在音效应用中得到广泛采用 而且大部分应用于音效产品的 技术 例如应用于多媒体音效卡 硬盘驱动器使用DSP 能大大提高数据存取速度 缩小体积 促进PC 进一步缩小体积 减轻重量 可应用于掌上电脑 由于DSP速度高 数据传送快 还可以代替微控制器用于激光打印机 激光扫描及光盘只读存储器等计算机外设 DSP应用于语音识别领域 大有用武之地 语音识别技术获得许多DS P供应商的支持 随着DSP技术的迅速推进以及应用领域的不断拓展 导致DSP的功能 越来越多样未来10年 全球DSP产品将向着高性能 低功耗 加强融 合和拓展多种应用的趋势发展 DSP芯片将越来越多地渗透到各种电 子产品当中 成为各种电子产品尤其是通信类电子产品的技术核心 将会越来越受到业界的青睐 2 4本章小节机器人视觉随动系统是机器人领域重要的研究方向之一 通过视觉随动控制 精品 千教万教教人求真 千学万学学做 真人 藜羹麦饭冷不尝 要足平生五车书 机器人可实现对动态 不确定的场合操作 它的研究对于开发手眼协调的机器人在工业生产 航空航天等方面 的应用有着极其重要的意义 13 本章主要阐述了机器人视觉随动系统的控制机构 包括视觉机构和 随动机构两大块 机器视觉机构主要由两大部分组成摄像机和视频解码器SAA7111共同 完成对被摄物体图像的采集与数字化 图像信号处理器处理图像信 号 它相当于人的大脑 是机器视觉系统的核心 完成对图像进行处 理和运算 即算法的实现 随动机构对于实现摄像头自动跟踪目标障碍物及扩大视觉系统的感 测环境的范围很关键 本课题用伺服马达设计了随动机构 本章分析介绍了伺服马达的应用 结构和工作原理 对于目前出现 的数字伺服器做了分析 可以明显的看出其相比与模拟伺服器的优 势 本课题的开发平台是DSP DSP芯片它是一种独特的微处理器 有自己的完整指令系统 是以数 字信号来处理大量信息的器件 本章介绍了其特点及应用 本课题中我们选用DSP芯片TMS320F2812作为控制核心 对于该款芯 片的主要功能外设 上面章节也有概述 精品 千教万教教人求真 千学万学学做真人 藜羹麦饭冷不尝 要足平生五车书 3视觉随动系统的软件设计3 1编译环境CCS2000 本课题软件编译的环境采用CCS2000代码调试器 是一种集成的开发 环境 CCS2000将TI的编译器 汇编器 连接工具都集成在它开发环 境中 用户可以从菜单栏中选用TI的工具 并可以看到直接流水输出到窗 口的编译结果 同时 出错信息加亮显示 双击出错信息可以打开源文件 光标停 在出错地方 基于DOS的TI的工具是多任务的 而在Windows环境中 用户可以很方便的同时 调试 编译源程序 代码编译器可以跟踪一个项目中所有的文件及相关内容 用户可以选择编译单个文件 或将所有文件建到一个项目中 或是 逐步建项目 在编译器 汇编器 连接器选项中有容易使用的对话框 CCS2000的可视化窗口使用户能够容易理解复杂的结构 只要将光标 放在相关的变量处并按ENTER键 诸如数组 结构 指针的变量就可 以递归的增加或减少 另外 添加到可视窗口的变量也可以通过双击该变量来 C表达式和GEL函数也可以添加到可视窗口 将GEL函数添加到可视窗口 就可以在每个断点处执行 由GEL函数 可以执行更复杂的任务 将结果输出到窗口 CCS2000具有以下特点图3 1编译环境CCS2000界面 精品 千教万教 教人求真 千学万学学做真人 藜羹麦饭冷不尝 要足平生五车书 1 TI编译器的完全集成环境 所有的调试和分析能力集成在一个 Windows环境中 2 对C和DSP汇编文件的目标管理 目标器保持对所有文件及相关内容的跟踪 3 高集成的器调整C和DSP汇编代码 4 和调试时的后台 用户在使用器和汇编其时没有必要退出系统 到DSO环境中 因为CCS2000会自动将这些工具装载在它的环境中 5 技术状态观察窗口 它的可视化窗口允许用户键入C表达式及 相关的变量 结构 数组 指针都嗯那横简单的递归扩展和减少 以便进入复杂 结构 且环境中集成图形分析功能 6 代数分解窗口 允许用户选择察看写成代数表达式的C格式 从而容易读懂操作码 且支持在线帮助 3 2伺服马达控制原理在本课题的探测机器人中 使用了两个垂直放 置的伺服马达来实现视觉系统的随动控制 一个微型伺服马达是一个典型闭环反馈系统 其原理可由下图3 2表 示图3 2伺服马达原理图齿轮组由马达驱动 其终端 输出端 带动 一个线性的比例电位器作位置检测 该电位器把转角坐标转换为一 比例电压反馈给控制线路板 控制线路板将其与输入的控制脉冲信 号比较 产生纠正脉冲 并驱动马达正向或反向地转动 使齿轮组的 输出位置与期望值相符 令纠正脉冲趋于为0 从而达到使伺服马达 精确定位的目的 伺服马达的瞬时运动速度是由其内部的直流马达和变速齿轮组的配 合决定的 在恒定的电压驱动下 其数值唯一 但其平均运动速度可通过分段停顿的控制方式来改变 例如 我们 可把动作幅度为90 的转动细分为128个停顿点 通过控制每个停顿 点的时间长短来实现0 90 变化的平均速度 对于多数伺服马达来 精品 千教万教教人求真 千学万学学做真 人 藜羹麦饭冷不尝 要足平生五车书 说 速度的单位由 度数 秒 来决定 标准的微型伺服马达有三条控制线 分别为电源 地及控制 电源线与地线用于提供内部的直流马达及控制线路所需的能源 电 压通常介于4V 6V之间 该电源应尽可能与处理系统的电源隔离 因为伺服马达会 产生噪音 甚至小伺服马达在重负载时也会拉低放大器的电压 所以整个系统 的电源供应的比例必须合理 输入一个周期性的正向脉冲信号 这个周期性脉冲信号的高电平时 间通常在1ms 2ms之间 而低电平时间应在5ms到20ms之间 并不很严格 下表表 示出一个典型的20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服马达的输 出臂位置的关系 14 表3 1正脉冲宽度与微型伺服马达的输出臂位置 的关系使用伺服马达有些需要注意的事项 1 除非你使用的是数码式的伺服马达 否则以上的伺服马达输出臂 位置只是一个不准确的大约数 2 普通的模拟微型伺服马达不是一个精确的定位器件 即使是使用 同一品牌型号的微型伺服马达产品 他们之间的差别也是非常大的 在同一脉冲驱动时 不同的伺服马达存在 10 的偏差也是正常的 3 正因上述的原因 不推荐使用小于1ms及大于2ms的脉冲作为驱动 信号 精品 千教万教教人求真 千学万学学做真人 藜羹麦饭 冷不尝 要足平生五车书 实际上 伺服马达的最初设计表也只是 在 45 的范围 而且 超出此范围时 脉冲宽度转动角度之间的线性关系也会变差 4 要特别注意 绝不可加载让伺服马达输出位置超过 90 的脉冲 信号 否则会损坏伺服马达的输出限位机构或齿轮组等机械部件 5 由于伺服马达的输出位置角度与控制信号脉冲宽度没有明显统一 的标准 而且其行程的总量对于不同的厂家来说也有很大差别 所 以控制软件必须具备有依据不同伺服马达进行单独设置的功能 3 3视觉随动系统控制原理机器人视觉随动系统是由视觉传感器向控 制器提供机器人工作环境的外部信息 从而使机器人能够实时地调 整其位姿 实现精确的跟踪或定位 完成相应的工作 其研究内容涉及图像处理 机器视觉 控制理论 机器人学 运动 学 动力学等多个学科领域 目前机器人视觉随动研究的主要内容为视觉随动控制系统结构 快 速准确的图像处理算法 视觉随动控制器的设计 包括软件 硬件的 设计 等 15 本课题中 视觉传感器是机器人系统中最重要的 感官 之一 它 的引入改变了机器人对操作对象及环境必须精确建模的要求 16 依靠视觉信息的反馈 实现机器人在运动学及动力学等方面的闭环 控制 视觉传感器CCD获取环境信息 输出模拟视频信号 经可编程视频解 码芯片SAA7111转换成数字视频信号 包括色度信号和亮度信号 本 课题的开发平台是DSP 该控制器对数字视频信号进行运算 处理 产生相应PWM波 对伺服马达进行控制 带动视觉机构的旋转 实现 视觉系统的随动控制 图3 3是视觉随动控制系统的控制流程图图3 3视觉随动控制系统的 控制流程图