东南大学第七届视觉制导机器人论文

机电一体化与机器人技术 机电动力试验平台第七届视觉制导机器人竞赛论 文姓名： 师慧 学号： 22008405 专业： 仪器科学与工程学院 竞赛组： 17 同组成员： 杨定一 石向辉 完成日期： 2010年6月8日 目录一. 硬件平台综述31.1 机电一体化1.2小车整体组成二. 方案论证62.1 比赛要求2.2方案的制定与论证三. 方案实现7四. 完成情况8五. 总结95.1不足的或者可以改进的地方 5.2 个人的心得与体会六. 附录10决赛代码一. 硬件平台综述1.1 机电一体化机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合，并综合应用到实际中去的综合技术。它着重以电子硬件、电脑程式或软件，对机械进行控制，有别于以往机械工程专科较少触及电子方面。现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化的设备。当中较为人熟悉的机电一体化成品为机器人，其技术亦会应用到工业生产中所使用的机械臂及生产线自动化上。不单在工业生产上，在一般我们常接触的，如小至体内微血管手术机械臂，大至航天飞机、空间站都有应该其技术。现时不少固有的产品亦开始加入自动化控制的元件，如汽车及铁路。机电一体化系统一般由五大要素组成，分别是结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、职能组成要素五大组成要素有机结合而成。机械本体（结构组成要素）是系统的所有功能要素的机械支持结构，一般包括有机身、框架、支撑、联接等。动力驱动部分（动力组成要素）依据系统控制要求，为系统提供能量和动力以使系统正常运行。测试传感部分（感知组成要素）对系统的运行所需要的本身和外部环境的各种参数和状态进行检测，并变成可识别的信号，传输给信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。控制及信息处理部分（职能组成要素）将来之测试传感部分的信息及外部直接输入的指令进行集中、存储、分析、加工处理后，按照信息处理结果和规定的程序与节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的的运行。执行机构（运动组成要素）根据控制及信息处理部分发出的指令，完成规定的动作和功能。构成机电一体化系统的五大组成要素其内部及相互之间都必须遵循结构耦合、运动传递、信息控制与能量转换四大原则。接口耦合：两个需要进行信息交换和传递的环节之间，由于信息模式不同（数字量与模拟量，串行码与并行码，连续脉冲与序列脉冲等）无法直接传递和交换，必须通过接口耦合来实现。而两个信号强弱相差悬殊的环节之间，也必须通过接口耦合后，才能匹配。变换放大后的信号要在两个环节之间可靠、快速、准确的交换、传递，必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑规范才行，因此接口耦合时就必须具有保证信息的逻辑控制功能，使信息按规定的模式进行交换与传递。能量转换：两个需要进行传输和交换的环节之间，由于模式不同而无法直接进行能量的转换和交流，必须进行能量的转换，能量的转换包括执行器，驱动器和他们的不同类型能量的最优转换方法及原理。信息控制：在系统中，所谓智能组成要素的系统控制单元，在软、硬件的保证下，完成信息的采集、传输、储存、分析、运算、判断、决策，以达到信息控制的目的。对于智能化程度高的信息控制系统还包含了知识获得、推理机制以及自学习功能等知识驱动功能。运动传递：运动传递使构成机电一体化系统各组成要素之间，不同类型运动的变换与传输以及以运动控制为目的的优化。而所谓机电一体化产品，是以单片机为核心的控制系统，部分是电；还有伺服电机这样执行机构，二者统一于一定的机械结构下，并能完成特定的任务，构成机电一体化产品。1.2 小车整体组成视觉制导竞赛中的小车基本组成部分是：1. 单片机及时钟复位电路 P89V51RD22. 电源电路 LM7805，LM2940（电源指示灯）3. 串口通信及ISP接口4. 蓝牙接口5. 外电源接口，开关6. 排针（电机接口），面包板硬件标识图1.2.1 单片机电路板单片机P89V51RD具有IAP（在应用中编程）功能，用户通过在应用程序中调用IAP子程序，可实现有选择的对FLASH块进行擦除和编程。我们可在Keil uVision2下用C语言和汇编语言混编的办法实现IAP调用的方法。最后通过flash magic 就可将程序烧入单片机中，实现相应的控制功能。1.2.2 电机视觉制导竞赛中小车采用的电机型号：Parallax Continuous Servo电机技术规格：1. 重量: 45g2. 扭力: 3.4Kg-cm3. 最大电压：6V4. 平均速度：60 rpm5. 运动角度：360度6. 尺寸: 40.5x 20 x 38mm7. 特性：侧边有一个可微调中立点(stop point)的可变电阻，可控制不输出扭矩电机的控制：1. 下图显示信号是发送到与P1_1连接的伺服电机的校准信号，称为零点标定信号。伺服电机调节好之后，这个信号就可以指示电机保持静止。这个信号是由时间间隔为20 ms 的脉宽为1.5 ms的一系列脉冲组成。实现的程序为： while(1) P1_1=1; delay_nus(1500);P1_1=1;delay_nms(20);2. 当更改脉冲的宽度是可以实现电机的顺时针和逆时针旋转：比如：使电机全速顺时针旋转的程序： while(1) P1_1=1; delay_nus(1300);P1_1=1;delay_nms(20);使电机全速逆时针旋转的程序： while(1) P1_1=1; delay_nus(1700);P1_1=1;delay_nms(20);当脉冲宽度在13001500之间时，电机可以顺时针旋转，当脉冲宽度在15001700之间时，可以实现电机逆时针旋转。实际情况可能稍有偏差，在上述值左右浮动。1.2.3 红外传感器红外发光二极管与普通发光二极管的不同，红外发光二极管是由红外辐射效率高的材制成的PN结，再外加正向偏压向PN结注入电流，从而激发出红外光。光谱功率分布为中心波长830nm - 950nm。为了增加红外线的控制距离，红外发光二极管工作于脉冲状态，因为脉动光（调制光）的有效传送距离与脉冲的峰值电流成正比，只需尽量提高峰值Ip，就能增加红外光的发射距离。IR（红外线）检测器有内置的光滤波器，除了需要我们用它的内部的光敏二极管传感器检测的980 nm红外线，它几乎不允许其它光通过。红外检测器也有一个电子滤波器，它只允许大约 38.5 kHz 的信号通过。换句话说，检测器只寻找每秒闪烁 38,500次的红外光。这就防止了普通光源像太阳光和室内光对IR的干涉。太阳光是直流干涉（0Hz），室内光依赖于所在区域的主电源，闪烁频率接近100或120 Hz。由于120 Hz在电子滤波器的 38.5 kHz通带频率之外，它完全被IR探测器忽略。红外传感器发射电路图则如下图所示：实现红外探测的原理：让每个IR LED 探测器组工作的关键是发送1 ms 频率为38.5 kHz的红外信号，然后，立刻将IR探测器的输出存储到一个位变量irDetectLeft中。 二. 方案论证全部电路原理图2.1 比赛要求：1竞赛要求采用组委会确定的由单片机控制的机器人小车结构件和零部件，除电机不可改变外，其他均可重新设计加工。通过红外、光敏、CCD、巨磁电阻、光电编码器、颜色传感器等采集轨迹位置数据，控制机器人小车循着不同赛道上的黑色轨迹运动，在一定的误差范围内，以运动时间决出比赛名次。2. 决赛要求：小车沿跑道顺利跑完全程，在途中遇到十字路口右转，遇到挡板时左转。决赛跑道状况：决赛跑道先是一段较长的直道，然后是一系列弯曲方向不同的弯道，紧接着是一个挡板，两个十字路口，再一个挡板，最后有时一系列弯曲程度不同的程度。3竞赛跑到的难点：主要集中在小车遇到挡板左转以及遇到十字线右转。关键是小车能否顺利的检测到十字线和以及挡板，并能顺利的转过90角。2.2 方案的制定与论证根据赛道的情况，我们决定：1 用三对红外传感器实现小车沿赛道跑完一圈。其中两对红外固定在小车的车身正前方的两侧，红外发射器向地面发射，用来探测赛道。第三对红外固定小车车身的正前方，红外发射器向正前方发射，用来探测挡板。2 程序方面：在小车行进过程中，当小车右边的红外探测到黑线时，小车右转，即左轮正转，右轮静止或者反转，使小车重新回到轨道。当小车左边的红外探测到黑线是，小车左转，即右轮正转，左轮静止或者反转，使小车重新回到轨道。当小车左右两边边的红外同时探测到黑线时，小车遇到十字线，此时小车右转，但需要左右轮正反转，实现小车旋转90。当小车正前方的红外探测到黑线是，小车左转，左轮停止，右轮正转，或者左右轮同时正反转，实现小车旋转90。论证：转弯时保持一轮静止，小车运行平稳，但速度不够，有时旋转角度也不够。采用正反转时，速度增大，但稳定性降低，意外情况增多。具体选择那种方案，是具体情况而定。3 硬件方面：（1）轮子：因为是障碍循迹，轮子不需要太大的摩擦力，因此轮子要轻便，材料选择为展板。原则上电机一定是，轮子越大，速度越快。但轮子越大，小车行进的稳定性则会下降。初步决定轮子直径为13cm，以后是具体情况再做相应的改动。（2）红外固定问题：由于红外连线较多，决定将红外部分的独立的搭建在一个新的电路板，并通过铁丝之类的固定红外，保证红外角度的正确性。（3）后支撑物以及负重：由于小车前方多了一块电路板，导致小车的重心前倾，因此必须加适当的配重加以平衡。后支撑物要保证小车整个车身的水平，或者可以稍微后倾。论证：加了配重以后，必定会导致摩擦力增大，小车速度减慢，因此轮子必须轻便，减小电机的负载，加快小车行进的速度。因此决定小车轮子只须一层展板厚度就够了，即可保证强度，又能减小摩擦力，减轻重量。配重选择方形铁块，固定在车尾。后支撑轮应能够旋转，减小小车行进过程中的摩擦力。三. 方案实现初赛决赛前后加起来，我们一共花了大约三周的时间调试车子。1. 车轮制作车轮的制作影响比较深刻，我们做了一大堆的轮子，直径包括13cm，15cm，16cm，17cm，18cm。（1）最初的测试轮 先拿原宝贝车的原装轮进行试验，很快成功，效果比较好，但速度很慢。（2）初赛使用轮初赛使用轮是直径13cm的大轮子，由于先后两次轮子直径变化比较大，因此导致了红外探测角度距离不能满足要求，导致了红外部分重新搭建，费时费力，不过最终还是赶上了初赛，小车速度有了较大的提高。（3）决赛使用轮在调试好程序和红外满足决赛要求之后，我们再次考虑到轮子的大小问题，以及轮子的重量问题。我们的电机速度本来就很慢。大轮子会给我们带来一些优势，决赛前，我们做了很多的轮子，材料选择是展板，厚度仅为一层，为了减轻摩擦力以及重量，并在边缘缠上了黑色电胶布。通过一系列的调试，我们选择了直径17cm的车轮。效果明显，小车跑完一圈速度提到35s左右。关于车轮的总结：车轮并不是越大越好，太大了，会导致稳定性下降，突发状况增多。这次决赛的失利也有这方面的原因。2后支撑轮及添加轮后支撑轮没花太多的心思，保证车身水平以及尽量避免不必要的摩擦。效果还是比较好的。3红外红外是比较令人头疼的方面。视觉制导竞赛大部分时间都花在红外角度的调整上。红外的固定也是一个置关重要的方面。我们经过一个通宵，终于想出了一个比较理想的方案，通过笔杆固定红外的发射端。接收端与发射端成直角时，接受效果较为理想。当问题圆满解决时，我们觉得我们的付出还是值得的。一个团队团结在一起，任何困难都可以克服，再苦再累，只要大家在一起也没什么了。 4调试 调试是一个需要耐心的活，特别是红外的角度调试。不光红外角度的调试，程序的参数也要不断地调整。而且小车在行进过程中，会有很多的意外的情况出现。比如正反转时，过挡板或左右摇摆不定，这是一个令我们很头疼的问题，这里会浪费很多的时间，最后将左轮置为静止时，比较理想的度过了挡板。四. 完成情况 在预赛时候，我们的小车由于外在因素影响导致红外受损没有按规则完成初赛，不过后来排除外因后，以比较稳定的状态进入了决赛，小车各项性能比较稳定，也完全完成了竞赛要求的规则任务。在决赛前一天全部修改调试完毕，小车可以以稳速跑完赛道n 圈。可是在决赛时候，我们的小车经过6分钟调试都没有跑完赛道，总的说来我们小车运行的还不是非常稳定，特别是红外比较脆弱，受外界影响实在太大，环境少许改变就可能导致各种问题。在决赛时没有跑完一圈，比较的令人遗憾！ 退一步讲，我们把车子做好了，而且在比赛前也能顺利的跑完整个赛道，心里也挺开心的，因为这也算是一种成功吧，这也就足够了。不过通过这次视觉制导竞赛所获得的知识的积累是这次很大的收获了，意外总是会发生的，对于无法无期的意外，我们只能以一种淡然的心态来面对。给我们的教训和总结也是有的：以后在做实验要搭建硬件平台，并且要求比较高的时候，一定要在开初尽量了解各种可能性，做到外在干扰因素的最大限度排除，而且在调试时候要选取各种环境都进行调试，避免出现由于环境轻微变化，小车各项性能就不稳定以及功能就不能实现的情况。知己知彼，百战不殆啊，凡是预则立，不预则废。五. 总结5.1不足的或者可以改进的地方1. 车轮不能太大，小轮比较稳定。2要考虑比赛环境因素的影响。3. 红外应该固定的更好，不能稍微受一点冲击，就不能准确探测。4：我们的小车在硬件比较稳定的情况下是还可以提速的，因为我们的电机电压是有4.9v，调节到6v，还有很大的上升空间。5.2 个人的心得与体会 对于一个已经进入大二下学期的工科电类学生来说，机电一体化的机器人小车设计竞赛不得不说是增强工科实践能力以及培养专业兴趣的一个很好的平台。和很多工科的女生一样，我经历了一段与工科很长的磨合期。当初是先选的大学，再选的专业，在没有任何专业兴趣的前提下选择了东大较强的工科，或许潜意识当中跟随强势主流的方向，或许简单喜欢工程技术的严谨、工科思维的缜密、技术人员的真纯品质，总之，成为了一名工科生。如今，大二了，面对今后读研方向问题，经历大一之后对于工科秉性又有些摇摆的我，可以想象两年后要将面临的又会是一次怎样的艰难选择。为了更加了解自己的实际实践能力，或者也为了更加锻炼自己，为了更加培养自己与工科专业的感情，在课业负担不是很轻松，学生工作也已经压得我喘不过气来的情况下，经过每天轮守电脑登录选课，终于选上了“视觉制导机器人”的公选课，参加了大学以来的第一个机电一体化竞赛。虽然这次竞赛一路坎坷，虽然最后的结果和预期相去甚远，不过这次的经历所带来的，却是那样让人印象深刻，或许，这叫做成长，而这种成长不仅在于专业知识的提升，更多的应该是一种潜在的心灵成长和心理的成熟吧。这次竞赛从公选课算起，历时有14周时间。公选课和起初的验收实验基本上是一个理论知识的积累过程，我们小组基本是轮流上公选课，一起研究验收实验。团队一起经历了对于专业知识的懵懂困惑以及共同解决问题阶段，良好的合作基础是在这个时候培养起来了。比起其他组直接参加比赛，从知识收获角度来讲，我们比他们得到的更多。接下来便是正式进入竞赛状态，从预赛到决赛，感慨良深。一：几次团队意见分歧：互相学习，团队合作团队管理有一句话说，没有问题才是最大的问题。合作，意见分歧在所难免，关键在于面临选择时候的选择。在考虑轮子直径大小的时候，红外调节的主要负责组长坚持觉得轮子是不要太大的，因为轮子大会带来电机的负担，同时红外要重新安放位置，程序里面的相应参数也是要改的，换一种轮子改一次调节N次，实在是很大的工作量，但是在我们这俩的坚持下，最终轮子直径改到了17cm，实现了在决赛前调试达到走一圈比起初提高4秒的成绩。另一次大的分歧在于：要不要在决赛前两天重新搭试电路，加上LM317，把我们的电机电压从4.9V提高到6V，让小车提速，当然这个有很大的风险，一是工作量大，二是小车很可能会不稳定，甚至调节不到当初低速稳定的成绩。一时执不同意见双方都固执己见，企图说服对方，最后在综合考虑风险、收益以及团队应对消耗之后决定还是不要加LM317的片子，尽量保证小车的稳定保守成绩。这两种分歧都得到了协调，而协调的共同起点在于我们要让小车和自己都达到一种稳定平衡状态，因为无论做什么，首先是以人为本，而就我们这一次的实践来看，这句话是如此正确，恰如那句：实践检验真理。同时我们更加深刻认识到，如何通过局部优化来把团队利益最大化，一种团队氛围的营造以及一种一起努力的精神状态是多么重要。二：预赛失利，成熟成长，学会尊重规则，尊重客观规律，同时学会在自己可以努力范围内争取自己的公平预赛时候，我们是第二大组的第一队，预赛前我们的小车是完全可以跑完全程的，可是由于在上场前我们的红外被意外碰到，导致了上场时候在规定时间内我们两次没有调试成功，而组长直接弃车而去。意外在任何时候都是会发生的，而当此意外的发生不是由自身造成，当时的不甘以及坚持让我们觉得我们应该自己去争取我们的公平。规则的制定是为了目标更好得实现，可是当规则严重影响了目标实现的公正性，这个规则就有规则外修正的必要。检查结果是我们的红外焊接处已经完全脱离，在短时间内也没有使小车各项机能恢复原状的可能。记得以前看过的一本书上写的关于成熟的定义中的一句话：成熟最重要的在于要学会尊重客观规律，尊重规则。我们这次算是逆规则而行了，不过这何尝又不是一种成熟呢？在自己可以努力的范围内捍卫自己的公平公正，因为改变历史的通常是勇于自己制定规则的人。这一刻所有的语言是一种附加，真实深入人心的应该是一种成长。三：决赛失利，接受不可改变，学会在失败后自我总结，自我成长，自我提升这次在整体准备竞赛的过程中，得到最多的应该是对自我的认识，更加了解自己。在上公选课学习理论基础知识的时候看到了自己基础知识的不足，在做轮子的时候发现自己遇事急躁，在帮别组缝固定轮子的线的时候发现自己的针线活还真是赖啊，在调节红外的时候发现自己的受挫能力欠缺以及缺乏重头再来的勇气。这次竞赛在无形中给着我们感动和知识，考验着我们的心理承受能力，锻炼着我们的解决问题能力，更多的是给了我们很多自我发现的机会。 这14周只是14周而已，可是作为一次生命经历落在我们记忆中的，对于每个人来说都有太多太多了。 其实这一切又有多么重要呢？未来是未来的，我们谁也不知道，此刻真实的，是彼此付出的真诚，就像大家在合影时候的笑靥如花，饱含着生命的感动，去看待每一个到来的结果，坦然接受不可改变的一切事物，何管是劫是缘呢？同时带着觉察感受当下，满怀希望去拥抱每一个即将到来的明天，去争取，去努力，去提高。亲爱的一起努力过的大家，tomorrow is another day.六. 附录决赛程序：#include#include#includesbit P2_2=P22;sbit P2_3=P23;sbit P3_5=P35;sbit P3_6=P36;#define LeftIR P1_2 /左边红外接收连接到P1_2#define RightIR P3_5 /右边红外接收连接到P3_5#define MiddleIR P2_2 /中间红外接受连接到P2_2#define LeftLaunch P1_3 /左边红外发射连接到P1_3#define RightLaunch P3_6 /右边红外发射连接到P3_6#define MiddleLaunch P2_3 /中间红外发射连接到P2_3void IRLaunch(unsigned char IR) int counter; if(IR=L)/左边发射 for(counter=0;counter38;counter+) LeftLaunch=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); LeftLaunch=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); if(IR=R)/右边发射 for(counter=0;counter38;counter+) RightLaunch=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); RightLaunch=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); if(IR=M)/中间发射 for(counter=0;counter38;counter+) MiddleLaunch=1; _n