毕业论文-基于PXA270的机器人控制系统的设计与实现.doc

基于PXA270的机器人控制系统的设计与实现毕业设计报告课题： 基于PXA270的机器人控制系统的设计与实现系 部： 机电工程学院专 业： 电气自动化班 级： 自动化姓 名： 学 号： 指导老师： 2016.143目录摘要3第一章 绪论41.1 研究背景41.2选题的背景41.3竞赛细则61.4本文研究的主要内容7第二章 武术擂台机器人设计方案82.1 机器人总体设计方案82.2 机械模块设计82.3控制系统模块102.4 电源电路设计112.5驱动模块设计122.6通信模块的选用142.7采集模块设计142.8驱动模块设计182.9通信模块192.10本章小结22第三章 控制系统的软件设计243.1软件总体策略设计243.2寻找柱子策略设计253.3寻找铜锣策略设计263.4红外检测策略设计273.5旋转策略设计293.6灰度策略设计303.7本章小结30第四章调试与在线监控324.1开发环境324.2程序模块设计的实现324.3调试流程404.4监控流程444.5本章小结46第五章 总结和展望485.1总结485.2展望48结 束 语49谢 辞50参考文献51附录53摘 要 由于现代科学技术的飞速发展，机器人技术已被广泛应用在社会的各个领域。工业机器人，它诞生于制造业，是新一代的生产工具，这是新一代动力机械和电脑控制后，人的体力和智力的发展。机器人技术的应用是一个国家工业自动化水平发展的一个重要标志。近年来，我国的许多高校和企业已经在不同的领域开发的机器人。本课题为机器人武术挑战赛为基础的规则行动，实现擂台赛机器人控制系统的任务，开放的平台有详细的研究和设计。武术擂台赛是中国机器人大赛暨RoboCup公开赛中的一个对抗性的比赛，在比赛中的机器人通过摄像头，马达，齿轮和各种传感器来感知环境信息和位置，然后用相应的执行机构来完成相关的任务。本文以高性能的处理器Marvell的XScale PXA270处理器作为控制系统的核心设计，其目的在于提供一个可靠的，开放的控制系统。以满足机器人武术擂台赛的要求。同时，本文研究了机器人的运动控制方法，以及控制系统能够满足实时性，高速和高精度要求。在本文中，武术擂台竞赛机器人控制系统分为四个模块：机械模块，主控制模块，驱动模块和数据采集模块。机械模块为基本模块的安装和功能实现机器人的载体。接着，主控制模块选择高性能的Xscale PXA270的，适用于电动机控制。该驱动模块是整个机器人的动力机制。信息取得模块负责环境信息的感知，并且信息被发送给主控制系统。其次，控制系统的硬件电路设计和实现，主要包括电源电路、舵机控制电路、摄像头及音频电路、网络接口等。在实现硬件平台的基础上对控制系统的软件部分进行了模块化的设计，通过系统调试和测试的硬件和软件是质在系统的要求作为一个整体来满足设计要求。 关键词：机器人；MultiFlex；创意设计；模块化设计。第一章 绪论1.1 研究背景1920年，捷克的作家恰佩克卡雷尔在一部科幻剧本，第一次提出了机器人的概念，那时候人们把机器人作为新科技的一个专用名词。1950年，美国作家阿西莫夫首先提出Robotics，即机器人学，同时提出了的“机器人三原则”的理论，是公认的机器人的研究和发展的基本准则。1954年，美国的乔治德沃尔创造了第一个可编程的机器人，机器人逐渐向现实转变，为现代机器人的发展奠定了基础。现代科技的发展给了机器人技术无限的创新能量。目前，在国内外各种机器人和机械手成为研究的热点，研究现状和趋势如下： 1.机械结构模块化开发。例如，将具有减速器的马达模块，检测系统，伺服马达等独立的模块整合，以达到减少体积，精确控制的目的；关节模块和连杆模块用于构建所述机器人在重组，这是方便的机器人的组件的形式。2. 采用PC机控制系统控制机器人，这是标准化和网络管理的发展趋势;3.设备的模块化开发，一体化持续改进的。这使得系统的可靠性、操作性、可维护性有了很大的提高。4.传感器使用在机器人的设计中越来越重要。一次性使用系统的位置和速度不能满足现代机器人的需要。目前的视觉传感器、力传感器成为用于组装和焊接机器人中不可缺少的传感器。多传感器融合技术也是近年来一个新的研究领域，多传感器融合技术有助于遥控机器人实现了决策控制。智能机器人的关键技术是配置技术的融合。在一般情况下，机器人的发展是大致如下两个方向：一种是智能机器人，使用多传感器、多控制器、先进的控制算法、复杂的机械和电气控制的系统；第二个是方向性，机器人的研究和应用是密切相关的，例如，对于工业机器人的研究，其要求研究对象和生产加工的需求有着密切的联系，为特定任务来完成特定设定，在同一时间，以满足工作的要求。1.2选题的背景近年来，为了实现科学技术振兴国家的战略，中国举行了各类机器人大赛，这为学生提供了一个平台来展示自己的想象力和创造力。在武术擂台赛技术挑战中，场地图示如下：图1-1武术擂台1比赛擂台（即场地，如图1所示）尺寸为长，宽分别为2400毫米，高150毫正方形平台，工作台表面即擂台场。从外面看，以四色的中心角呈黑色到灰色白色渐变。两个斜坡的位于的场地的两个角，从机器人的起始区域的开始，沿着倾斜上升。该场地是围绕着一个方形的黑色栅栏，距离平台700毫米高500毫米。比赛开始后，栅栏的区域中不得出现任何障碍物或人。2起始区域和斜坡涂敷有正蓝色和黄色的标志。起步区的平板尺寸为300x400毫米。3斜坡长度400毫米，宽400毫米，斜坡和平台齐平，即150毫米为顶部的高度。4擂台场地的材料是木，地表面的最大承载能力可达50千克。表面材料为亚光PVC膜，各种颜色和所使用的线条是由电脑彩色印刷的形式生产。5技术挑战赛，对于使用圆柱尺寸：直径为100毫米，高300毫米，重量0。5千克左右，白色的表面（技术挑战赛，两个圆柱，分别是白色和绿色）塑料电工胶带。它的重心位于几何中心。图1-2比赛专用圆柱6现场的照明：该部位的区域的赛场，照明的照度在600Lux到1200Lux，应柔软，均匀，区域照明差不超过300Lux。实际场地四角将安装两个20W的节能灯，色温40006000K，光源高度为2和2.5米之间。1.3竞赛细则 1.比赛中的所有内容必须由机器人自主完成。2.竞赛内容：机器人自主地从黄色出发区走到平台上，找到麦克风的位置，由扬声器为主体进行自我介绍;然后找到放置绣球的圆柱台，拿起球自主扔进了台（不能将圆柱弄倒），然后找到铜锣，用手或脚击打铜锣。完成以上动作后，回到场地中央，自行表演一段传统武术动作，最后向观众语音致谢，并自主地走下擂台。（实际无白色引导轨迹）。整个内容的最大时间限制是 3 分钟。 各尺寸规格如下：1) 放置绣球和麦克风的圆柱体为 PVC 材质，； 2) 正绿色和正黄色圆形图案直径为 500mm；材质为 PVC 亚光膜；其位置大约在擂台中心与对应角 连线的中点。注意：为鼓励实时非特定物体识别技术的应用，实际开赛前，各道具的位置摆放可能有 100200mm 的尺寸偏差。但一旦开始比赛后将沿用第一次摆放的位置。3) 绣球采用纺布，软表面，直径120毫米左右，重量约为0。3千克，绕了一个4-5条200300毫米丝带。照片示于图6：图1-3比赛专用绣球4) 放置绣球的柱子为白色，放置麦克风的柱子为绿色，砂袋的架子为黄色； 5) 铜锣为黄铜材质，喷涂黄色（颜色接近与黄色圆形图案和出发区）直径约 200毫米，中心高约 300400毫米，重约 3千克；1.4本文研究的主要内容研究机器人是一个很好的学习平台，通过机器人的装配，可以让我们了解单片机的输入和输出接口特性以及传感器的作用。同时，通过机器人的编程，可以提高我们C语言的运用能力，通过不同编程语言实现一些动作能够让我们从中掌握和理解分析问题和解决问题的根本方法。本文主要研究武术擂台机器人的整体结构。在理论上和实际应用上尽可能的使机器人实现高灵活的运动状态。根据比赛规则和以往的经验。提出结构设计方案，设计武术擂台机器人的结构。机器人各部分设计包括控制部分、驱动部分、检测部分。三部分对机器人设计都是至关重要的。对机器人进行结构设计，确定了机器人的整体布局。本文设计了机器人的主要活动部件、外壳、电机和轮子。针对距离、位置等的测试。选择了红外传感器。选择由博创科技公司提供的各种零件。对机器人进行搭建。并且对机器人运动状态进行测试和分析。以及为了达到更好的状态。对机器人测试中的不足之处进行改进。第二章 武术擂台机器人设计方案2.1 机器人总体设计方案基于中国机器人大赛暨RoboCup公开赛，机器人设计以模拟人形为基础，底盘采用强度大的DB材质，并以花键和螺母加以紧固。使用四个防滑轮胎行走，手臂与腰身采用舵机控制，至于感知方面，我们使用了大量传感器和摄像头，包括灰度、红外、测距传感器等。机器人以完成指定动作为设计目的。图2-1机器人总体方案图2-2机器人总体方案2.2 机械模块设计图2-3机器人底部设计2.2.1运动系统底盘采用四个Faulhaber大功率减速电机，以提供大的输出扭矩。底盘使用双DB材质板，四个减速电机分布在底板的左右两侧，四个电机安置在底盘的菱角处，这样有利于齿轮的精确输出。并且在底板安置了四个灰度传感器和一个红外传感器进行检测，然后反馈给控制系统。图2-4机器人腰部设计腰部采用四个CDS5516数字舵机控制机器人进行一定动作，比如在抱柱子处需要机器人稍后仰，在靠近绿色柱子的地方稍前倾，在武术擂台的中央表演区域，需要机器人前倾后仰等。图2-5机器人手臂设计机器人以模拟人形为基础，两侧手臂各采用三个CDS5516数字舵机控制机器人抱柱子、绣球、击锣等相关动作。2.2.2感知系统图2-6传感器正面设计正面使用五个红外传感器，用来检测和精确对齐包括柱子、铜锣等一些主要目标的距离。右侧使用一个红外传感器，用来退后检测白色柱子，使机器人旋转正对柱子。底部采用四个灰度传感器，分别收集不同区域的阈值，确定机器人的位置和移动方向，从而反馈给控制系统，及时自我调正。机器人胸部的测距传感器，用来不断检测与目标的直线距离，使机器人及时作出相应动作。2.3控制系统模块表1 MultiFLEX2-PXA270控制器的电气规范项目数据说明电池电压6.58.4VDC使用2节锂聚合物电池，标称电压7.4V，使用过程电压范围为6.5V8.4V充电电压控制器内置智能充电器，充电过程会自动调节电压。外接电源12V外接直流稳压电源，电压 12V，正常使用电流05A保护反接保护过流保护长时间电源反接仍可能损坏控制器。过流保护生效后，需要重新上电才能工作。静态功耗1.5W无外接设备下的静态功耗。保护电流68A超过此电流后，自动切断。约10秒后才能再次工作。I/O电平低电平 VCC 1.5V数字量输入/输出12个GND/VCC/SIG三线制（SIG可以设为输入或者输出，在NorthSTAR软件中配置或通过协议配置）。模拟量输入8个GND/VCC/SIG三线制，10位精度机器人舵机接口6个1M速率的半双工异步串行总线，理论可接255个机器人舵机，由于供电能力限制，建议同时使用时不超过30个。舵机工作电压等于控制器工作电压。R/C舵机接口8个GND/VCC/SIG 三线制（SIG为信号输出），工作电压5VUSB接口4个USB2.0在接口板上有两个对外USB接口，一个USB接口固化为无线网卡专用端口，一个USB接口固化为调试接口。以太网接口1个100M自适应以太网接口音频接口1输入1输出无线通讯支持54M无线以太网卡（选配部件） 图2-7 PXA270控制器控制系统采用MultiFLEX2-PXA270控制器，数字舵机0到7号，AD接口0到11号，IO接口0到11号。使用网线与PC机进行数据通信，使用USB口与摄像头连接。2.4 电源电路设计MultiFLEX2-PXA270控制器内置一组7.4V的锂离子电池。（PXA270与外围电路连接）电源模块提供了最小系统的核心电路板上的电源以及伺服驱动电路。图2-8 PXA270内部电路图2-9 控制器及舵机电源根据电路的需要，电源为8.4V，AD和IO传感器，USB等，需要5V电源供电，基于此基础上，为电路接入8.4V电源或直接连接电池，使用LM25576电源稳压芯片使8.4V电源转换到5V电源。2.5驱动模块设计 图2-10舵机实物图图2-11 驱动电路大扭矩：16Kgfcm的输出转矩的连续旋转，大于为20kgfcm位置以保持扭矩; 高速：最高0.16s/60的输出速度;位置伺服控制模式下转动范围0300;在速度控制模式下可连续旋转，速度控制;6.8V14V的电源电压范围宽;总线连接，理论上可以串联连接254单位;0.32位分辨率;波特率高达1M;两个端子输出轴，适合安装在机器人的关节;0.25KHz的伺服更新率;高精密金属齿轮组，双滚珠轴承;有位置，温度，电压，速度反馈;结O型密封圈，防尘防水溅。图2-12 舵机电路这里将Robotis UART直接连接到舵机的信号线，以及该网络的另一端两个74HCl26缓冲器被连接到主控制芯片的TXD0和RXD0，然后通过主控制核心。芯片的两个IO端口，用来确定数据发送或接收数据。当PA0高TXD0为低，PA1已经实现自主控制，如图上图中，U1B，TXD0信号传导，数据可以被发送到转向舵机。相反，当PA1是高和PA0低，TXD0失去了控制，而RXD0已经实现的自主控制，主控制卡可以接收舵机返回的数据。2.6通信模块的选用机器人控制系统，其设计在本文中主要使用两种通信方法：USB实现串行端口、网线实现串行端口。即全双工串行通信和半双工串行通信。RS422 接口采用 RJ11 接口插座，对应的 RJ11 插头如图 2-13 所示，线序定义如表所示：图2-13传输网线（CJ-45）表2网线内部线序表水晶头线序定义颜色1、VCC白2、GND黑3、422_A红4、422_B绿5、422_Y黄6、422_Z蓝由于控制器模块已集成串行端口，所以我们使用网线接入，实现数据下载反馈。2.7采集模块设计2.7.1传感器选型及其原理1红外接近传感器原理：它被用于检测光束的遮挡或反射，由同步电路选择，从而检测对象。光电开关在发射机将输入电流转换成光信号，接收器可以根据接收的光的强度检测目标对象。工作原理如下图所示图2-13红外接近传感器工作原理表3光电开关分类表漫反射式光电开关是一组有发射器和接收器中的一个传感器，当检测到对象，该对象将被发送到光电开关到足够的光量反射到接收器。这个光电开关的开关量信号。当检测物体的表面光亮或它的反射率极高的上，漫反射型光电开关是首选的检测模式。反射镜反射式光电开关它在一个设置发射器和接收器，由光电开关发射机发射的光被反射回接收器，对象被检测到并且完全阻断光，这个光电开关就会产生一个检测开关信号时。检测方法都反应比较快、高解析、精度度高、灵敏度高易散热、无铅，使用寿命比较长，符合RoHS标准，是新一代的绿色环保能源，而且可测参数多，它的结构也比较简单，形式灵活多样对射式光电开关它包括发射器和接收器，发射机在结构和光轴的位置相对于的接收机。当对象是不透明的，对射式光电开关是最可靠的检测装置。插槽型光电开关它通常采用标准的U型结构，它的发射器和接收器都位于U形槽的两侧，合成一个光轴，当对象是由U形槽检测并阻止光轴的形成，光电开关形成开关信号。这个光电开关是适合对象高速运动的检测，并且它可以在透明和半透明的对象中分辨，使用安全和可靠。光纤式光电开关它使用塑料或玻璃光纤传感器来引导光，可以对距离远的被检测对象进行检测。光纤式光电开关精度高，反应速度快，安装环境可多样选择。由于比赛环境的复杂以及比赛场地的光亮等一些不可避免的问题，我们采用漫反射式光电开关。创意之星机器人套件有许多个漫反射光电开关，50cm左右的有效距离。通过漫反射型光电开关所发出的光被反射回接收器，以使对象的表面反射率可以通过接收器的表面反射率来确定。粗糙表面的光强度小于所述光滑表面的光强度，并且该材料的反射率是影响光电开关的有效距离的重要参数。常见的材料的反射率示于下表中表4常用材料的反射率材料反射率材料反射率白画纸90%不透明黑色塑料14%报纸55%黑色橡胶4%餐巾纸47%黑色布料3%包装箱硬纸板68%未抛光白色金属表面130%洁净松木70%光泽浅色金属表面150%干净粗木板20%不锈钢200%透明塑料杯40%木塞35%半透明塑料瓶62%啤酒泡沫70%不透明白色塑料87%人手掌心75%红外线开关又称红外线光电开关，利用红外光束的的遮光或反射红外光束的特性，并通过检测到同时同步电路，选择对应检测对象。优点该对象不限定于金属，所有能反射的物体都可以作为被检测的对象。现有的光电传感器在近红外光的波长为780nm，3um，并且具有产品相对稳定的整合，以及数字电路也很简单。所以我们使用这个传感器用途：如图所示，所用的“创意之星”机器人的红外光电开关的型号为E18-B0，数据是：VCC：5V。工作电流：小于100mA。输出方式：NPN晶体管OC输出。封装类型：工程塑料。图2-14 红外接近传感器红外接近传感器是开关传感器，任何接口的IO0IO11可以由NorthSTAR读取和编程。因为输出是开关量，只能判断距离中的障碍物，不能给出障碍物的实际距离。但具有灵敏度调节旋钮的传感器，可以调整感测触发的距离。创意之星套件触发距离已被设置为50cm左右。2.红外测距传感器原理：用于测量对象的前部，传感器探头之间的距离的。优点是传感器的体积小，重量轻（小于10克的重量）及接口简单，而且它是用于微型机器人的理想选择。GP2D12主要由红外线发射器，PSD（位置敏感检测器）以及相关的处理电路，红外线发射器发射的红外线光束，红外线被反射回来，并投影到中心位置。优点是和障碍物的反射角度不太相关，误差的输出值是非常小的。不同的反射率材料。但能保持一定范围内。下图使用创意之星GP2D12红外测距传感器，和普通GP2D12不同的是，我们设计类似于贝壳头的机器人，可以方便地安装到创意之星的一部分。红外线范围传感器，用于将模拟传感器，那么任何接口的AD0AD7可以由NorthSTAR进行编程。传感器规格如下：检测范围：10-80cm工作电压：4-5。5V标准电流消耗：33-50mA输出：非比例相关的模拟输出，输出电压和检测范围MultiFLEX2-AVR控制器和MultiFLEX2-PXA270控制器的AD精度为10位，测量电压范围 05V，对应输出值 01023。您如果要得到真实的距离值需要做 2 次换算，假设您从NorthSTAR读取的AD值为491，换算为真实电压值为5*(491/1023)=2.4V，从2-15的对照图可以知道当前传感器探头到障碍物的距离是50cm。 图2-15 红外测距传感器3. 灰度传感器灰度传感器是由自身明亮的白色LED照明，以检测对象，并且检测对象的反射的LED。由于不同颜色的白色光的反射能力，最高的同种材料的白色反射，最低的黑色反射。灰度级传感器的前端有一个光敏电阻，优点是它可以被用于检测的反射光，这可以从所检测的对象的灰度值来推断的强度。图2.16的灰度传感器输出的模拟信号的创意之星，那么任何接口的AD0AD7可以由NorthSTAR读取和编程。在武术赛场上比赛的机器人或机器人足球比赛中，使用多个灰度传感器阵列可以判断出颜色渐变的场地。在机器人的情况下，可以作为一个传感器来区分与周围白线上。图2-16 灰度传感器4.视觉模块视觉传感器，可被用作机器人的眼睛。 MultiFLEXTM2-PXA270控制器可以访问常用的USB摄像头，并且具有图像搜索引擎，可以识别各种颜色，有绿色和白色两种圆柱和黄铜锣，使用摄像头可以让机器人更清楚地认识圆柱颜色外观的区别。272采集信息处理模拟信号：时间和价值是连续物理量称为模拟量，如电压，电流，声音，速度，压力，温度等，我们将显示该信号的物理量作为模拟信号，其中将工作在电子电路的模拟信号作为模拟信号，并且把传感器输出信号称为模拟传感器的模拟信号。开关信号：该计算机的数据结构是由0和1，所以0和1数据的两个状态是最容易处理。在数字信号，最简单的信号是仅0和1的高低的水平。只有0和1的数字信号是被称为切换信号，同样可以是在传感器只有高或低的电路水平被称为开关传感器输出。从传感器网络的数据以收集来自外部数据的数据转换成模拟和开关量信息的两个不同的信息需要不同的接口和处理方法。可以被发送到主控制芯片识别，开关的量也比较简单，只有相应的接口电路，用于开关的量无需处理。2.8驱动模块设计舵机控制有以下几种方法：1）通过使用所述软件的PWM信号波形，将GPIO端口的输出由软件进行控制;2）使用的串行端口（机器人现在使用）和数字伺服通信，来实现转向器的控制;3)通过定时器输出PWM波，控制舵机运动；- 45 -图2-17舵机调式图2-18舵机连接CDS5516有专用的调试环境RobotServo Terminal，在这个环境下，您可以设置舵机ID、波特率、工作模式、速度限制、角度限制、电压限制等等。CDS5516采用总线式通讯, 需要注意的是：每个CDS5516需要使用不同ID；每串CDS5516的数量不能太多，最好是6个以下。正常工作下单个CDS5516的电流可能达到500mA1A，堵转电流可达到2.5A，单组6个CDS5516的工作电流可能达到3-8A。这样的电流会让舵机线发热，并产生比较大的电压降，最后一个 CDS5516可能因为沿途舵机线的分压而导致工作电压过低，CDS5516在电压过低时会出现复位、数据通讯不正常等等状况。2.9通信模块2.9.1网络下载接口模块UP-调试多功能调试器集成USB到RS-232，半双工异步串行总线，AVRISP下载三个功能，在“创意之星”套件里，我们可以用它来进行程序下载、串口通讯和CDS5516调试。本节主要介绍如何用调试器进行控制器的程序烧录和串口通讯。如图2.77所示为调试器的配线：图2-19调试器配线 图2-20 UP-Debugger 下载调试器配线一端是10针IDC头，另一端是3针和5针杜邦头，杜邦头有“”的为GND。给控制器的ATmega128和ATmega8下载程序1、 将调试器设为AVRISP模式。2、 控制板上有M128_ISP和M8_ISP，分别是ATmega128和ATmega8的程序下载接口。3、 把调试器的USB线接到PC机上，将5针杜邦头接到控制器左侧的M128_ISP或M8_ISP插针上，杜邦头有“”号的为GND针脚，注意线的GND针脚和控制板的GND针脚对应（第二版控制器的插针位置和第一版控制器不同，但线序相同）。图2-21 下载和调试接口2.9.2网络通信接口模块图2-22适配器属性适配器位于本地连接处，将IP地址修改为192.168.0.12。并默认网关192.168.0.1这样才能通过PC机与各类传感器相连接，以便方面查询相应的阈值。2.9.3摄像头接口电路设计图2-23摄像头成像原理图像的二值化的基本原理就是将图像上的点的灰度置为0或255，也就是将整个图像呈现出明显的黑白效果。即将256个亮度等级的灰度图像通过适当的阈值选取而获得仍然可以反映图像整体和局部特征的二值化图像。在数字图像处理中，二值图像占有非常重要的地位，特别是在实用的图像处理中，以二值图像处理实现而构成的系统是很多的，要进行二值图像的处理与分析，首先要把灰度图像二值化，得到二值化图像，这样子有利于在对图像做进一步处理时，图像的集合性质只与像素值为0或255的点的位置有关，不再涉及像素的多级值，使处理变得简单，而且数据的处理和压缩量小.视觉模块位于外挂设备，主要应用于控制器实现有颜色的物体的识别。二值化主要通过标定目标颜色阈值，并将背景中相近的颜色去除掉，实现目标物的识别。利用控制器上的USB接口，通过以太网将PC机和控制器连接，调正H、S、I的设定范围。这就是二值化。2.10本章小结 这章节武术擂台赛机器人方案的分析和设计，包括机械，传动，控制和信息获取的四个部分。这四个部分是机器人的整体设计的体系结构，在此基础上，为硬件电路设计。表5为模块系统结构系统名称型号功能描述数量控制决策系统MultiFLEXTM2-PXA270控制机器人的核心控制单元 1感知系统灰度传感器确定机器人的位置和移动方向 2红外测距传感器 安装在控制器上 调整机器人和柱子的精确距离5红外测距传感器 安装在底盘上近距离检测柱子，是机器人正对柱子1运动系统Faulhaber大功率减速电机机器人底盘驱动，驱动机器人运动4CDS5516数字舵机（舵机模式）机器人机械臂，驱动机器人手臂运动6CDS5516数字舵机（舵机模式）机器人腰部，驱动机器人躯干运动4机械结构创意之星及手工制作的部件搭建竞赛机器人主体结构/工作电源一组7.2V2.6Ah机器人系统电源1第三章 控制系统的软件设计硬件是机器人控制系统的基础，但只有硬件是不够的。软件是系统的灵魂。软件只能根据硬件和游戏的实际要求写入。机器人完成既定任务和功能。3.1软件总体策略设计图3-1 软件总体策略本次项目的程序主要通过Nor-star图形化编程环境来编写和下载，主要逻辑和流程如下图所示：首先，按从起始区域自主上台，自主发现在起步区右侧的绿色圆柱体的前面。这需要精确的设定时间为机器人前进，右转，为了确保机器人在最短的时间可以检测绿色圆筒。通过灰度传感器探测的平台优势，向前一定距离，机器人切换到状态，然后打开摄像头找到绿色柱子从而达到机器人的定位精度，采用红外距离传感器和红外接近传感器靠近绿色缸即可。在该机器人达到绿色柱子，并通过麦克风的自我介绍，考虑到摄像头上的白色校正受外部环境因素是大的，麦克风的位置和放置的白色圆柱距离更近的，所以机器人后退和左转，利用红外接近传感器来检测绣球放在白色的圆柱。为了确保成功捡起球和机器人手臂由下移动首先，要满足绣球的圆柱体，手臂加力，绣球从白色圆筒脱离，走到抛绣球的边缘地方，后退左转180度前进，通过左边的红外接近传感器和摄像头检测白色柱子停下左转，两只手护住白色柱子，将柱子推至边缘，先后退右在后退，前进走到柱子旁边，用左手将柱子打下台。下一步是找到铜锣，先使机器人前进一段距离，通过红外测距传感器检测到铜锣，然后右转，通过摄像头找到绿色的柱子，前进当左侧检测到停止前进，用左手击打，锣响起。最后，机器人返回到平台中央上，武术表演，感谢下台，演出结束。3.2寻找柱子策略设计寻找柱子图3-2 寻找柱子逻辑机器人寻找柱子主要应用于上台后寻找绿色柱子进行自我介绍、后退寻找柱子进行抱绣球、前进寻找柱子并成功推下台等三个方面。一般通过开启各种传感器进行定位，并将计算结果反馈给控制系统。首先先通过红外对齐目标，获得相应的坐标，并前进至靠近目标一定距离的位置，停止进行下一轮判断。此时将进行红外识别物体策略。3.3寻找铜锣策略设计图3-3 寻找铜锣逻辑机器人进行寻找铜锣主要应用于击锣和通过铜锣后退定位武术擂台表演的位置信息等方面。一般通过开启各种传感器进行定位，并将计算结果反馈给控制系统。首先先通过红外对齐目标，获得相应的坐标，并前进至靠近目标一定距离的位置，停止进行下一轮判断。此时将进行红外识别物体策略。3.4红外检测策略设计图3-4通过红外检测逻辑红外传感器检测物体应用于寻找柱子、铜锣等方面，当1号传感器检测到目标，此时已经偏离目标，原地左旋转60度，使其正对目标。当1、2号传感器检测到目标，此时已经偏离目标，原地左旋转45度，使其正对目标。当2号传感器检测到目标，此时已经稍偏离目标，原地左旋转30度，使其正对目标。当2、3号传感器检测到目标，此时已经微偏离目标，原地左旋转15度，使其正对目标。当3号传感器检测到目标，此时正对目标，直行到目标出进行下一步操作。当3、4号传感器检测到目标，此时已经微偏离目标，原地右旋转15度，使其正对目标。当4号传感器检测到目标，此时已经稍偏离目标，原地右旋转30度，使其正对目标。当4、5号传感器检测到目标，此时已经偏离目标，原地右旋转45度，使其正对目标。当5号传感器检测到目标，此时已经偏离目标，原地右旋转60度，使其正对目标。另外机器人右侧与底部都放置一个红外传感器，当机器人在进行后退作业，此时，这两个传感器就负责检测到物体来达到定位的效果。至于旋转方面，不同地方旋转方法不同。3.5旋转策略设计图3-5 左右旋转逻辑不同地方旋转的方法与方向都不同，当机器人位于上台后进行第一次旋转，此时将进行前侧两轮向右转，后侧两轮向左转。当机器人位于抱绣球处，因为扔完绣球后，机器人背面比赛擂台，此时就要原地左转，前侧两轮向左转，后侧两轮向右转。而且需要旋转一周，由于旋转过快无法及时反馈信息，所以将一周旋转分成两次90度的直角旋转。至于左侧两轮旋转和右侧两轮旋转，一般用在寻找柱子和铜锣。因为接近目标，所以需要效率高的旋转使机器人更容易寻找目标。至于擂台四周的行走，我们使用灰度传感器来进行正确定位。3.6灰度策略设计图3-6 通过灰度检测逻辑机器人在整个任务过程中，很多次需要接近边缘进行作业。比如扔绣球、推柱子下台以及最后下台都需要接近边缘。扔绣球、推柱子下台都使用前置和后置灰度传感器进行检测。最后下台需要使用底盘四个灰度进行检测。37本章小结这一章主要阐述各种策略检测，这为机器人控制提供了理论基础的研究。1）机器人的整体性能的研究内容包括：自主机芯，自动测距，智能判断，智能决策和执行。2）其中，我们为了准确寻找柱子并对准柱子中央，充分的运用了红外接近传感器、红外测距传感器和摄像头，我们采用摄像头寻找和识别颜色代替机器人的“眼睛”，来找到并确认柱子的准确位置，在靠近柱子过程中为了不把柱子撞倒，我们采用红外测距传感器来和柱子保持距离，为了保证机器人能够准确的对准柱子中央，我们通过5个红外接近传感器来进行纠偏，这样让机器人可以正对柱子中央，达到相对应的位置技术挑战赛。3）危险状态：为了保证的机器人需要确定其危险的状态，这主要是由两方面决定的正常操作：首先，要设置机器人巡航的危险半径，并确定危险半径;其次，边缘是由红外接近传感器来确定。4）执行步骤：在一般情况下，机器人一般是通过设置延迟执行的动作，这种方法简单，但也有因为这种编程思想的明显缺陷，系统执行是一个单一的线程状态，即，所述系统，当系统已满资源延迟系统，这种情况会出现在系统延迟处理，即使系统无法应对。为了解决这个问题，它是需要划分任务分成多个步骤。多线程处理的实施不会使某个进程占用的系统资源，保证了机器人的稳定性和安全性。5）优先级设置：在主程序功能模块的优先级设置是实现功能模块和实施策略，实现的逻辑顺序是保证重要保障系统中的每个策略的系统安全运行必须要检查其优先顺序，优先级应该是第一个实现，如机器人的危险状态的检测，以确保顺利完成任务。特别是在多模块执行时，确定的优先级是非常重要的。第四章调试与在线监控4.1开发环境本文中的机器人是一个独立的控制系统，因此调试工具操作方便。考虑到方方面面的因素，本文选取的Visual C +微软。Visual C +微软（C + MSVC，视觉，VC +或VC）是Microsoft公司推出的Win32环境程序，面向对象的可视化集成编程系统的开发。它不仅具有自动生成程序框架，灵活，方便的管理，代码编写和界面设计的优点，并可以开发出多种方案，还可以通过简单的设置方案框架，支持数据库接口，OLE2，的WinSock网络，3D控制接口。图4-1编写窗口图4-2编译窗口图4-3编译窗口4.2程序模块设计的实现4.2.1 IO端口分配表表1为IO端口分配表IO端口对应硬件AD端口对应硬件USB接口0前方左边接近传器0后方灰度传感器摄像头1前方左中接近传器11、2号舵机2前方中间接近传器23、4号舵机3前方右中接近传器35、6、7号舵机4前方右边接近传器47、8、9号舵机5后方左边接近传器510、11号舵机6左边接近传感器7后方右边接近传器4.2.2寻找柱子策略通过红外传感器对准柱子，首先定义一个函数，不断循环选择不同位置的的红外进行检测和反馈数值，当红外传感器检测到靠近目标时，此时进入不同选择项。当1号传感器检测到目标，此时已经偏离目标，原地左旋转60度，使其正对目标。当1、2号传感器检测到目标，此时已经偏离目标，原地左旋转45度，使其正对目标。当2号传感器检测到目标，此时已经稍偏离目标，原地左旋转30度，使其正对目标。当2、3号传感器检测到目标，此时已经微偏离目标，原地左旋转15度，使其正对目标。当3号传感器检测到目标，此时正对目标，直行到目标出进行下一步操作。当3、4号传感器检测到目标，此时已经微偏离目标，原地右旋转15度，使其正对目标。当4号传感器检测到目标，此时已经稍偏离目标，原地右旋转30度，使其正对目标。当4、5号传感器检测到目标，此时已经偏离目标，原地右旋转45度，使其正对目标。当5号传感器检测到目标，此时已经偏离目标，原地右旋转60度。详细程序设计见附录53页。4.2.3寻找铜锣策略寻找铜锣前期利用红外传感器进行精确定位，当1号传感器检测到目标，此时已经偏离目标，原地左旋转60度，使其正对目标。当1、2号传感器检测到目标，此时已经偏离目标，原地左旋转45度，使其正对目标。当2号传感器检测到目标，此时已经稍偏离目标，原地左旋转30度，使其正对目标。当2、3号传感器检测到目标，此时已经微偏离目标，原地左旋转15度，使其正对目标。当3号传感器检测到目标，此时正对目标，直行到目标出进行下一步操作。当3、4号传感器检测到目标，此时已经微偏离目标，原地右旋转15度，使其正对目标。当4号传感器检测到目标，此时已经稍偏离目标，原地右旋转30度，使其正对目标。当4、5号传感器检测到目标，此时已经偏离目标，原地右旋转45度，使其正对目标。当5号传感器检测到目标，此时已经偏离目标，原地右旋转60度。完成上述步骤，靠近铜锣时，启用摄像头并且使用打开摄像头的二值化，铜锣的阈值是207,112，99,29。寻找到合适的击锣位置，然后右手臂抬起，不断来回击打。完成既定任务。详细程序设计见附录57页。4.2.4寻找边缘策略机器人在位于扔绣球和推下柱子时，都使用灰度传感器不断检测是否已经到达擂台边缘。不断获取灰度信息，当前置灰度传感器检测到阈值过大，超过既定范围，此时，机器人向后退行，同样，当后置灰度传感器检测到超出范围，机器人前进。左右灰度传感器一般用在直角边，配合前后灰度传感器使用，详细程序设计见附录55页。擂台的灰度呈圆形分布。如下图所示，这样才能不断反馈信息给控制系统，使机器人不掉下擂台。图4-4擂台赛场地图4.3调试流程NorthSTAR具有调试和在线监控功能，可以实时查询传感器的值、舵机位置，或者设置舵机速度和位置。NorthSTAR中的调试功能分为两种：模块调试和流程图调试。模块调试有“IO Input”模块，“AD Input”模块和“Servo” 模块调试三种。当控制器选择为MultiFlex2-PXA270时，打开“IO Input”模块属性，如图4-11所示。用网线连接上位机和控制器，点击“Connect”按钮，稍等片刻建立连接后，“Query”启用，此时选择要查询的通道，点击“Query”即可进行查询。如果控制器为MultiFlex2-AVR，模块属性如图4-5所示。把调试器接到控制器上，将模式设置为AVRISP模式，点击“Start service”启动服务，开始下载服务程序。服务程序下载完成之后，将调试器设置为RS-232模式，打开串口，此时“Query”启用，点击即可查询当前中通道的IO值。图4-5“IO Input”模块调试MutliFlex2-PXA270 “AD Input”模块和“IO Input”模块的调试功能用法相同。如图4-5，“Servo”模块的调试和“IO Input”调试模块相似。如图4-6所示。当控制器为MultiFLEX2-PXA270控制器时，先和控制器建立网络连接，然后就可以查询舵机位置、保存舵机位置、调试舵机、卸载舵机。图4-6“Servo”模块调试MutliFlex2-PXA270 舵机模式此外可以通过“Query IO/AD”功能查询当前IO或者AD通道的值，如图4-6所示。还可以通过“Test Servo”功能单独调试舵机，如图4-7所示。具体操作和模块调试类似。图4-7 IOMultiFLEX2-PXA270控制器图4-8“Test Servo”MultiFLEX2-PXA270控制器流程图调试时，从菜单ToolsDebug调出“Debug”对话框，如图4-8为调试窗口。调试有两种模式：单步（Step）和连续（Continue）。点击开始，在“Step”模式下，可以不断点击“Next”按钮，软件就会按照流程图的逻辑从“start”模块一直执行到“end”模块后停止；在“Continue”模式下，“Next”按钮处于禁用状态，软件会自动从“start”模块执行到“end”模块。在“Continue”模式下，可以点击“Pause”来暂时停止调试，然后可以点击“Resume”恢复调试。点击“Stop”可以终止调试。流程图中当前执行的模块会处于选中状态。在“Step”模式下，可以在点击“Next”之前修改任意模块的属性，然后点击“Next”，将按照修改后的属性执行；“Continue”模式下，流程图不可编辑，只有停止调试后才可以编辑。 调试前，需要先和控制器建立连接：MultiFlex2-PXA270需要建立网络连接，。图4-9 调试流程图表2 调式记录离柱子距离42444648505256586062646668从出发稳定运行的平均时间20.119.818.921.420.120.519.218.418.216.915.413.112.5危险次数0000000011101其他异常情况无忽然转向无无无忽然转向无忽然转向无忽然转向无无无电量0.80.80.711111111114.4监控流程图4-10 各传感器调试情况机器人通过网线与PC机连接，设置IP地址为192.168.0.111。灰度传感器和距离传感器为AD数据，红外传感器为IO数据。不同传感器具有不同作用。图4-11摄像头二值化使用机器人通过捕捉图像信息来对齐柱子和铜锣，利用图中的二值化，采用不同的RGB值，不断调正个色值的大小，使其完全覆盖被检测物体。实现精确定位，完成既定目标。4.5本章小结在机器人控制，最基本的要求是保证机器人不能有脱落的部位，以便确保机器人可以正常位置调整的领域中，防止机器人在任务摔下平台，机器人边缘检测是非常重要的。机器人的边缘检测主要依赖于在底部的灰度传感器，并在底盘的前部加有红外接近传感器。首先，红外线传感器是开关传感器，它主要由一对红外信号发射器和接收器二极管，利用红外线反射原理到障碍物的距离的检测;灰度传感器是一种模拟传感器，主要由一个发光二极管和一个发光二极管的两个光。主要使用于不同颜色的表面的内置光敏电阻反射光检测。首先，利用红外范围内传感器的检测是否移动到原点的边缘，当没有检测到边缘，它可以被认为是机器人在安全范围内。此时，机器人可以继续保持其巡航状态，使用灰度感器来计算其位置和空间状态，使用该结果来调整机器人的运动状态。其次，当红外线距离测量到的边缘，有几种情况：1机器人已达到场边缘;2红外测距传感器失效;3红外传感器检测到黑或吸收平面红外线。在这种情况下，需要使用灰度传感器验证的底盘。如果灰度级传感器在安全范围内发现，就可以判断所述红外线传感器可以是第二或第三例。当灰度级传感器返回值的异常，该机器人具有到达场边缘的趋势