874381011基于视觉导航的轮式移动机器人毕业设计

1、本科毕业设计（论文）基于视觉导航的轮式移动机器人设计摘 要本设计的研究内容是视觉导航轮式移动机器人的底层控制，其核心内容是应用单片机控制步进电机实现机器人的左转弯、右转弯、前进和停止等动作。论文内容包括四个部分：简要介绍了移动机器人研究现状、对所设计移动机器人系统进行了描述、视觉导航轮式移动机器人底层硬件设计和视觉轮式移动移动机器人的底层控制。论文详细地介绍了移动机器人底层硬件系统元件的选型和原理电路图的设计。我们选用pic16f877单片机作为下位机接收上位机传来的命令和产生驱动信号。步进电机的驱动电路采用两个步进电机驱动器-l298，驱动程序写入pic16f877单片机，通过程序控制步进电

2、机的转速和转向。采用propel设计了底层控制系统的原理图和pcb版图，采用proteus进行程序和硬件系统的仿真。仿真结果表明：步进电机运行稳定、可靠性高，实现了对步进电机的预期控制。关键词：移动机器人，运动控制，底层控制，pic16f877，步进电机27vision-guided wheeled mobile robot（bottom control）abstractthe final year project focus on the bottom control for the vision-guided wheeled mobile robot. the core content i

3、s to achieve such actions as turning left, turning right, running forward and stopping by using single-chip microcomputer to control stepper motors.the thesis includes four parts: a brief introduction of the-state-of-the-art on mobile robot researches, the framework of the mobile robot system design

4、ed in this project, the hardware design and bottom control of vision-guided wheeled mobile robot.component selection and the principle of circuit design are described in detail for the underlying hardware system of the mobile robot. we choose the pic16f877 mcu as the slave computer to receive the co

5、mmand from the host computer and to generate the control signals for stepper motors. stepper motor drive circuits use two stepper motor drivers l298.the driver program is written into pic16f877 microcontroller to control the rotating speed and direction of the stepper motor. protel, software for cir

6、cuit and pcb design, is used to design schematic diagram and pcb layout of the bottom control system, and proteus is used to conduct the simulation experiments for programs and hardware systems testing. the simulation results show that stepper motor can run with stability, high reliability, and the

7、expected motion controls of stepper motor are achieved.key words: mobile robot, motion control, bottom control, pic16f877; stepper motor目录前言3第一章移动机器人41.1 移动机器人的研究历史41.2 移动机器人的国际现状51.3 移动机器人研究的国内现状7第2章 视觉导航的轮式移动机器人综述92.1 视觉导航的轮式移动机器人92.2 视觉导航系统构成及工作过程92.2.1 视觉导航的图像预处理102.2.2 视觉导航机器人的运动控制10第3章 视觉导航轮式移

8、动机器人底层硬件设计133.1 电子元件的选型133.1.1 开关电压调节器 lm7805133.1.2 步进电机驱动芯片 l298133.1.3 单片机 pic16f877143.1.4 步进电机163.2 电路的设计173.2.1 方案论证与比较173.2.2 电路图的设计18第4章 视觉轮式移动移动机器人的底层控制234.1 步进电机控制原理234.2 移动机器人的运动模型244.3 控制器的软件设计26结论29参考文献30致谢32附录33前言单片机诞生于20世纪70年代末，经历了scm、mcu、soc三大阶段。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导

9、弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能ic卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。而单片机驱动步进电机是非常常见的。目前国内部分中高档轿车，如一汽红旗世纪星，塞欧，安徽奇瑞，长安世纪星等均配备使用了步进电机式汽车仪表，仪表中的步进电机是用mb90428ga（富士通公司专门为汽车电子仪表及步进马达的工业控制开发的

10、一款十六位单片机 ）驱动的。一种医用自动输液器，该输液器以ti的mso430系列单片机为控制芯片，配有显示模块、输液泵驱动模块和键控模块等。该设计方案整机结构新颖，体积小，耗电少，操作方便，使用安全可靠。其自动输液器就是单片机驱动步进电机完成的。在首届机器人舞蹈比赛中,中国科技大学用一个单片机控制多个步进电机指挥跳舞机器人的双肩、双肘和双脚伴着音乐做出各种协调舒缓充满感情的动作,荣获一等奖。因此，我们选用单片机驱动步进电机实现视觉导航的轮式移动机器人的底层运动控制第一章移动机器人1.1 移动机器人的研究历史机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能，如感知能力、规

11、划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器)。1962年，美国unimation公司的第一台机器人unimate。在美国通用汽车公司(gm)投入使用，标志着第一代机器人的诞生。智能移动机器人更加强调了机器人具有的移动能力，从而面临比固定式机器人更为复杂的不确定性环境，也增加了智能系统的设计复杂度。1968年到1972年间，美国斯坦福国际研究所(stanford research institute, sri)研制了移动式机器人shaky,这是首台采用了人工智能学的移动机器人。shaky具备一定人工智能，能够自主进行感知、环境建模、行为规划并执行任务(如寻找木箱并将其推到指定目

12、的位置)。它装备了电视摄像机、三角法测距仪、碰撞传感器、驱动电机以及编码器，并通过无线通讯系统由二台计算机控制。当时计算机的体积庞大，但运算速度缓慢，导致shaky往往需要数小时的时间来分析环境并规划行动路径。1970年前苏联月球17号探测器把世界第一个无人驾驶的月球车送七月球，月球车行驶0.5公里，考察了8万平方米的月面。后来的月球车行驶37公里，向地球发回88幅月面全景图。在同一时代，美国喷气推进实验室也研制了月球车(lunar rover),应用于行星探测的研究。采用了摄像机，激光测距仪以及触觉传感器。机器人能够把环境区分为可通行、不可通行以及未知等类型区域。1973年到1979年，斯坦

13、福大学人工智能实验室研制了cart移动机器人，cart可以自主地在办公室环境运行。cart每移动1米，就停下来通过摄像机的图片对环境进行分析，规划下一步的运行路径。由于当时计算机性能的限制，cart每一次规划都需要耗时约15分钟。cmu rover由卡耐基梅隆大学机器人学研究所在1981年开始研制，它具有12个微处理器来处理实时任务，一个大型的远程计算机通过遥控方式来进行复杂规划与环境分析。它通过声纳传感器与视觉传感器来探测环境中的障碍。由于计算机的运行速度、传感器感知能力的限制，这些移动机器人的实时控制性能不佳。每自主前进一步都需要停下来花费大量的时间进行计算，因此在实际应用中通常采取遥控的

14、方式。进入20世纪90年代，随着计算机技术的飞速发展，机器人的感知、决策能力也获得了长足的进步。到了1994年，卡耐基梅隆大学机器人学研究所开发了dante ii，这是一个8足的移动机器人fill。在1994年4月，该机器人通过卫星通讯与internet相连，通过网络由nasa的研究组、卡耐基梅隆大学以及阿拉斯加火山观测所的科研人员控制dante进行阿拉斯加火山口观测，并收集了火山口喷出的气体样本。早在1971年，前苏联就曾向火星发射了两辆火星车，其中一辆撞毁了，另一辆发送一幅尚不完整的图片就失去了联系。1.2 移动机器人的国际现状索杰纳的成功应用，成为移动机器人技术发展的一个崭新的里程碑，向

15、人们展现了移动机器人代替人们从事肮脏(dirty)，危险(dangerous)，枯燥(dull)工作的应用潜力激发了人们对于移动机器人技术研究的极大热情。世界各国或国际机构都加大了相关研究的力度。欧盟在20002004年启动的信息社会技术计划中开展了探测火山环境的机器人、用来评估地振危险性的爬行机器人(robosense)、借助机器人的交互式博物馆临场感(tourbot)等项目研究。在火山爆发的发作阶段观测和测量火山活动的相关变量最有意义，但对研究人员也是最危险的时刻。在1993年的一次火山口考察中，8名火山研究人员遇难。robovolc将开发和测试一个自动化机器人系统，在火山环境下进行探测与

16、测量，可以帮助科学家远离危险环境进行分析研究。robosense将开发一台能够携带探伤仪器的移动机器人，对地振造成的建筑物结构性损害进行检测。tourbot的目标是发一个交互式导游机器人，通过因特网实现个性化的临场感，同时tourbot能够在现场引导参观游客。此外欧盟还开展了移动机器人应用于人道主义排雷等研究。法国国家科学研究中心)于2001年中期，提出了一项有关机器人技术的大型国家计划，称作“机器人与人工体”。这项跨学科的计划涵盖了机器人学中信息科学与技术方面的主要研究领域。robe计划对“感知器执行器”与认知功能进行跨学科的研究。实现这些功能在智能系统内的集成，能够在开放的、变化的环境中自

17、主完成各种任务，实现智能机器人与人交互、通过学习改进其行为的功能。具体开展了移动式操作手，移动机器人视觉定位，行星机器人1以及多移动机器人协作等研究。前苏联曾经在移动机器人技术方面居于世界领先的地位，lunokhod-1是最早登上月球的遥控式移动机器人。俄罗斯作为前苏联的继承者，在机器人技术领域依然具有当雄厚的技术基础，rover科技有限公(rover science & technology joint-stock company ltd., rcl)把在开发空间机器人中获得的经验应用于开发地面机器人系统，如极坐标平面移动车、爬行移动机器人、球形机器人、工作伙伴平台以及rosa-2移动车等。

18、日本经济产业省(ministry of economy, trade and industry, m eti)1998年开始启动了人形机器人技术研究计划(hrp)。在这一年，日本本田(honda)公司展出了人形移动机器人的一个主要目标就是开发一个开放体系结构的人形机器人平台(简称open hrp)，用来探索人形机器人的各种应用.meti从2002年又启动了一项国家项目一一“21世纪机器人挑战”,其中一个三年的子项目是开发应用于机器人开放式结构的中间件)。中间件能够对市场上销售的各种机器人零件实现标准化，并且能够更加容易地对这些零件进行系统集成。更长远的预期在于到2009年，实现机器人商品化(c

19、ommercialize),将机器人的应用领域扩展到家庭(home)，医疗服务(medical care)、灾害救助(disaster relief)。日本科技署(japan science and technology agency, jst)于2002年10月启动了一项5年期限的项目，用于开发人道主义排雷的机器人技术，日本产业界已开发出能实际应用的排雷机器人，并送往柬埔寨进行现场试验。此外，日本也一直进行着有关月球探测的研究，计划于2015-2020年在月球上建立一个小型基地，与该计划相应的行星漫游车研究也很活跃。韩国科学技术部(ministry of science and techno

20、logy，most)于1999年启动的“21世纪尖端研究发展计划”(21century frontier r&d program)，包括了服务机器人、恶劣环境中的机器人、微型机器人以及排雷机器人项目韩国信息与通讯部(ministry of information and communication , mic)发布了旨在促进it增长的9个优先发展领域(top 9 it growth sectors)，其中智能化的服务机器人被列为首位。美国在行星移动机器人以及军用移动机器人的研究与应用方面投入了大量资金与科研力量。如:美国nasa支持的火星探测计划、美国国防部支持的无人战车研究计划ugv(unm

21、anned ground vehicle)美国能源部的核废料等危险品搜集、搬运自主车研究计划等项目，吸收jpl, mit ai lab. cmu robotics institute、georgia tech mobile robot lab, naval warfare systems center of san diego以stanford robotics institute等许多知名大学与研究所的科研人员参与。最近的突出成果是2003年发射的火星漫游机器人“勇气”号与“机遇”号，它们的顶部装有全景照相机及具有红外探测能力的微型热辐射分光计，携带多种分析仪器对火星岩石纹理及其成分进行探测

22、。“勇气”与“机遇”号的探测使命预计为90个火星日，但在2004年成功着陆后，目前己经远远超过了预期的工作寿命。1.3 移动机器人研究的国内现状国内有关移动机器人研究的起步较晚，“八五”期间研制了atb-1，即军用智能机器人平台，由浙江大学、国防科技大学、清华大学、北京理工大学、南京理工大学联合研制。“九五”期间又研制了军用“智能机器人平台2号，道路自主驾驶的最高速度为74km/h。在国家“十五”863计划中，展开了一系列的有关智能机器人方面的研究。在危险环境下作业移动机器人、基于复合结构的非结构环境应用的移动机器人、高机动性越障机器人、多足仿生机器人、仿人形机器人等研究项目取得了众多的成果。

23、国防科技大学、哈尔滨工业大学、清华大学、中国科技大学、中科院自动化研究所、沈阳自动化研究所等正在开展有关月球探测自主机器人的相关研究。在863专项支持下，清华大学开发了多功能室外智能移动机器人实验平台、上海交通大学研制了移动机构试验平台以及frontier-itm等。211a mctb采用了关节轮式移动结构，具有较强的越障能力。frontier-itm自主移动机器人作为中国大学的参赛队首次参加了robocop中型组比赛。casia-1是中科院自动化所研制的集多种传感器、视觉、语音识别与会话功能于一体的智能移动机器人。沈阳自动化所研制的自行输送小车已投入生产现场，此外还研制了“多功能排险防暴机器

24、人”和“蛇形机器人”。2003年国防科技大学贺汉根教授主持研制的无人驾驶车采用了四层递阶控制体系结构以及机器学习等智能控制算法，在高速公路上达到了130km/h的稳定时速，最高时速170km/h，而且具备了自主超车功能，这些技术指标均处于世界领先的地位。这一系列的成就推动了我国移动机器人技术的发展，缩短了与国外先进水平的差距，而且在某些领域也取得了国际领先的成果，己经成为我国机器人应用的一个突出领域。第2章 视觉导航的轮式移动机器人综述2.1 视觉导航的轮式移动机器人现代机器人技术在人工智能、计算机技术和传感器技术的推动下获得了飞速发展，其中移动机器人因具有可移动性和自治能力，能适应环境变化被

25、广泛用于物流、探测、服务等领域。移动机器人的核心技术之一是导航技术，特别是自主导航技术。由于环境的动态变化和不可预测性、机器人感知手段的不完备等原因，使得移动机器人的导航难度较大，一直是人们研究的重点。目前常用的一种导航方式是“跟随路径导引”，即机器人通过对能感知到某些外部的连续路径参考信息做出相应的反应来导航。如在机器人运动路径上敷设金属导线或磁钉，通过检测金属导线或磁钉的特征信息来确定机器人的位置。从导航的角度看，这种方法的优点是可靠性较高，但功能单一，如不能在行进的同时对目标进行识别、避障，对环境的适应能力较弱、灵活性较差、维护成本较高，因此限制了其在移动机器人中的应用。随着计算机技术、

26、数字图像处理技术及图像处理硬件的发展，基于计算机视觉的导航方式在机器人导航中得到广泛关注。在实际应用中，只需要在路面上画出路径引导线，如同在公共交通道路上画的引导线一样，机器人就可以通过视觉进行自主导航。相对于敷设金属导线、磁钉等方法，这种方法增强了系统的灵活性，降低了维护成本。视觉信息中包含有大量的数据，要从中提取有用的信息，需要复杂的算法及耗时的计算。如何保证视觉导航系统在正确理解路径信息的前提下仍具有较好的实时性和鲁棒性，是该方法要解决的核心问题。2.2 视觉导航系统构成及工作过程基于计算机视觉的移动机器人导航实验系统的硬件部分由计算机、摄像头、机器人地盘组成。软件分为两部分，即图像处理

27、和机器人运动控制。基于视觉导航的原始输入图像是连续的数字视频图像。系统工作时，图像预处理模块首先对原始的输入图像进行缩小、边缘检测、等预处理。其次利用计算机计算并提取出对机器人有用的路径信息。最后，运动控制模块根据识别的路径信息，调用直行或转弯功能模块使机器人做相应的移动。图2-1 移动机器人控制系统的流程图2.2.1 视觉导航的图像预处理由机器人导航的特点和机器视觉处理的特殊性，我们认为机器人导航视觉系统要达到以下技术要求:（1)根据系统要求准确地分辨目标物（调色板），尽量降低误判，漏判的机率，并有一定的抗干扰能力。（2)能对目标物定位，为机器人的运动控制提供参照物、障碍物的位置信息，并能满

28、足精度要求。（3)满足系统实时性的要求。机器人摄像机每秒钟要从比赛场地上摄取30帧图像数据，如果视觉子系统达不到实时的要求，则系统所处理的前后两帧图像数据差异太大，不仅影响识别跟踪的顺利完成，而且也使动作表现为反应迟钝，所以视觉子系统的实时性越好，则系统反应越快。（4)鲁棒性与自适应性。由于目标物在室外，由于多方面的原因，致使调试过程中环境的光亮度会发生变化。更甚的是在同一帧视频图像中，场地的不同区域。光亮度也有可能不一致，有高亮度区域，也有阴暗区域（如楼房的阴影，或其它物体反射到场地中的光使场地局部变亮等等)。光照条件的变化及光亮度不均匀，将会降低系统识别的精度，甚至会导致目标识别失败。因此

29、，很有必要研究对光亮度变化不敏感的彩色识别算法，来增强视觉子系统的鲁棒性与自适应性。2.2.2 视觉导航机器人的运动控制机器人底层结构图如图2-2所示。图2-2 机器人底层结构图(1) 图2-1为机器人底层结构图，移动机器人底盘是一个菱形，具有四个轮子，其中前轮和后轮为支撑舵轮，起到支撑和导向的作用。中间的两个轮子是驱动轮，由步进电机驱动。可以通过调节中间的两个轮子的转速来控制移动机器人的运行速度和转动角度。步进电机与左、右轮构成一个系统。步进电机由单片机实现控制驱动，通过改变单片机输出脉冲波的占空比来改变步进电机的速度和转向，从而完成机器人的转弯，运动和停止。(2) 上层控制系统传给下层系统

30、机器人与跟踪物体的距离l和运动的角度a。通过分析距离l，我们可以判断机器人的运动状态。当距离l不变时，则机器人处于停止状态，当距离l改变机器人处于运动状态。(3) 当距离l改变时，我们判断移动机器人的转动角度a，当a=0时，机器人的运动如图2-3，当l0时，移动机器人前进。当l0时，移动机器人前进转弯。当l0时，移动机器人右转弯。 a0时，移动机器人前进。当l0”的命令时，则移动机器人从x1-y1坐标系运动到x2-y2坐标系。图4-3 移动机器人右转示意图移动机器人先完成转弯在进行前进。在转弯时，从图可知左轮为正转，右轮为反转。轮子移动的距离为：s=ar（4-4）则轮子移动的角度为：（4-5）

31、则驱动步进电机的脉冲数为：（4-6）转弯完成后，移动机器人为直线运动。左轮为正转，右轮为正转。公式参考4-3.移动机器人前进左转和后退转弯时，我们可以参照前进右转时计算。对本类移动机器人的控制就是通过控制算法求出轮子的步速，通过改变单片机输出的脉冲波，完成对移动机器人的底层控制。4.3 控制器的软件设计在归纳了移动机器人各种运动行为的基础上，我们定义了如下的电机的控制指令:1.启动指令:两个电机启动。2正常停机指令:两个电机停止。3.加速指令:两个电机同时在现有速度基础上增加一个数量级，实现加速。4.减速指令:两个电机同时在现有速度基础上减小一个数量级，实现减速。5.转弯指令:改变一个步进电机

32、的转向，完成转弯后作直线运动。6.直线运动指令:两个步进电机以相同的速度和转向运动。这些指令覆盖了差动轮式移动系统的所有基本动作，通过一系列电机控制指令的组合就可以灵活地控制机器人完成它所能够做到的任何动作。当移动机器人需要做出某种动作时，车载机只须将期望动作翻译为一个电机指令序列，发布给运动控制器，运动控制器就可以按部就班地控制机器人予以完成。控制器的工作是接收控制指令，并根据指令改变电机驱动器的输入脉冲频率。对pic16f877微控制器而言，输出脉冲频率的改变是通过不断改变通道寄存器增量值来实现。脉冲频率寄与通道存器设定值之间的关系式为:.其中f为当前的脉冲频率，a为定时器计数频率，x为当

33、前的脉冲宽度（当前频率下通道寄存器设定值的增量)。调速时通道寄存器增量的计算公式为:。其中，为脉冲频率的增减量，y为要获得的脉冲宽度(期望频率下通道寄存器设置值的增量)。实现这一功能的脉宽计算子程序流程图如下图。单片机程序由主程序、中断子程序和一些功能子程序组成，其中中断子程序是核心，主要工作都在中断子程序中完成。主程序首先完成ram区、各个端口、各个功能寄存器的初始化工作，然后打开定时器1的溢出中断，进入中断等待，并维护看门狗电路。通讯中断子程序在有串口数据到来时被触发，对接受到的指令做初步分析，分类放入指定的命令存储区，等待处理。定时中断子程序是整个电机控制的中枢神经，它的流程图如图4-1

34、。中断子程序首先对命令存储区的数据进行判断，当有新的指令时，调用命令解释子程序，对命令存储区的数据进行解释和处理。在命令解释子程序中，当命令为增/减速指令时调用脉宽计算子程序计算该输出比较通道的增量值，写入数据区(通道寄存器增量值的存放区)，并判断当前电机状态，写入电机状态标志字;当不是增减速指令时，因期望状态都无法一步到达(如启动、停机、速度设置等)，程序会根据电机状态标志字先判断当前电机状态，根据命令区数据生成期望状态，对比两状态差异。决定通道中断的状态，然后若通道中断为开启状态，程序将调用脉宽计算子程序计算下一步的增量值，写入数据区，根据该指令为各个电机的状态标志字置位，最后返回。下面以启动为例对该流程予以说明:当前处于停机状态，接收命令为启动，命令解释程序会产生运行期望，将对应的通道中断打开，为该通道的数据区成初值，置为状态标志字的启动位，然后返回。溢出中断子程序中将通道中断打开后，便标志着移动机器人开始处于运动状态，通道中断子程序便在每一次中断中将代表脉冲宽度的增量值加到通道寄存器中，从而产生一定频率的脉冲。通道中断子程序流程图，进入中断子程序后，程序首先判断电机状态字，若现在处于某种设定状态(如上面设定的启动状态等)，则程序