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n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y m a y 2 0 0 8 e l l i g e n t f o r 册03 妻堇2z 4m 8iiii唧y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 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诚挚 的谢意。 学位论文作者签名： 移葱 签字日期：伊g ，箩t o 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口 学位论文作 签字日期： f p 东北大学硕士学位论文摘要 轮式移动机器人视觉导航系统研究 摘要 随着控制技术的发展，智能机器人已经成为自动控制领域内的一个研究热点。本文 将机器人的视觉导航和控制问题作为研究对象，对控制系统搭建、目标道路信息的获取 以及处理和识别过程进行了研究，并在此基础上运用有效的控制算法对机器人进行控 制，使机器人能够准确快速地对道路进行跟踪。 本文以3 2 位s t m 3 2 f 1 0 3 为核心，采用c c d 摄像机，在对机器人功能分析的基础 上，通过对核心电路、电源模块、串口模块、测速模块、循线模块以及电机驱动模块等 的设计，完成了硬件系统的搭建。 研究了利用g c o s i i 操作系统搭建嵌入式系统。通过实时多任务的调度管理，解决 了在传统单任务系统中存在的实时性差的问题，增强了机器人系统工作的可靠性。结合 实际任务，叙述了i t c o s i i 在s t m 3 2 f 1 0 3 上移植，及在g c o s i i 下各任务的具体调度 过程。 研究了机器人视觉导航的算法，提出了一种非均匀采集和坐标变换的方法，实现了 摄像机的标定，适用于特定的环境和稀少的计算资源。本文采用了一种渐进式动态阈值 计算方法进行路径识别，经实验证明该方法的有效性，对环境中不均匀光线具有良好的 适应能力。 提出了机器人系统控制策略，建立了基于后轮差速、速度与舵机转角的运动模型， 并对系统模型特性进行了分析。研究了基于p i d 控制和模糊控制的舵机控制方法，系统 通过速度传感器获取当前速度信息，实现对后轮驱动电机的控制。实验结果证明了文中 提出方案的有效性和先进性。 关键词：机器人；视觉导航；摄像机标定；嵌入式；p i d ；模糊控制 - i i - 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho fv i s i o nn a v i g a t i o ns y s t e mf o rw h e e l e dm o b i l er o b o t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o n t r o lt e c h n o l o g y , i n t e l l i g e n tr o b o th a sb e c o m eah o t s p o ti n t h ef i e l do fa u t o m a t i cc o n t r 0 1 t a k i n gt h er o b o tv i s u a ln a v i g a t i o na n dc o n t r o li s s u e sa st h e s u b j e c t ，ar e s e a r c ho nt h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e m ，i n f o r m a t i o na c c e s s i n g ，p r o c e s s i n ga n d i d e n t i f i c a t i o no fo b j e c t i v er o a di sa d d r e s s e di nt h i st h e s i s a n db a s e do nt h e s e ，e f f e c t i v e c o n t r o la l g o r i t h m sa r eu s e dt oc o n t r o lt h er o b o ts ot h a tt h er o b o tc a nt r a c kt h er o a da c c u r a t e l y j a n dq u i c k l y t a k i n gt h e3 2s t m 3 2 f 1 0 3a st h ec o r ea n da d o p t i n gac c dc a m e r a , t h eh a r d w a r es y s t e m i sc o n s t r u c t e db a s e do nt h ef u n c t i o n a la n a l y s i so ft h er o b o t f u r t h e r m o r e ，t h ed e s i g no ft h e c o r ec i r c u i t ，p o w e rm o d u l e ，s e r i a lm o d u l e ，s p e e dc h e c km o d u l e ，l i n em o d u l ea n dm o t o rd r i v e m o d u l ei sa c c o m p l i s h e di nt h et h e s i s i nt h et h e s i st h ee m b e d d e ds y s t e mi ss e tu po nt h eb a s i so f t c o s i io p e r a t i n gs y s t e m ， w h i c hr e s o l v e st h er e a l - t i m ep r o b l e m si nt h et r a d i t i o n a ls i n g l e - m a n d a t es y s t e m ，a n de n h a n c e s t h er e l i a b i l i t yo ft h er o b o ts y s t e mt h r o u g hr e a l - t i m em u l t i - t a s ks c h e d u l i n gm a n a g e m e n t w i m t h ea c t u a lm i s s i o n ，t h ei _ t c o s i it r a n s p l a n ti ns t m 3 2 f 1 0 3 ，a n dt h es p e c i f i cm a n d a t eo ft h e s c h e d u l i n gp r o c e s su n d e rr t c o s i ia r e d e s c r i b e d a f t e rr e s e a r c h i n gt h er o b o tv i s i o nn a v i g a t i o na l g o r i t h m s ，an o n - u n i f o r mc o l l e c t i o na n d c o o r d i n a t e st r a n s f o r m a t i o nm e t h o di sp r o p o s e dt oa c h i e v et h ec a m e r ac a l i b r a t i o n ，w h i c hi s a p p l i c a b l et ot h es p e c i f i ce n v i r o n m e n ta n ds c a r c ec o m p u t i n gr e s o u r c e s f u r t h e r m o r e ，a p r o g r e s s i v ed y n a m i ct h r e s h o l dc a l c u l a t i o ni sa d o p t e dt oi d e n t i f yt h ep a t h t h ee x p e r i m e n t r e s u l t sp r o v et h a ti ti se f f e c t i v ea n dh a sg o o da d a p t a b i l i t yi nu n e v e nl i g h te n v i r o n m e n t ac o n t r o ls t r a t e g yo fr o b o ts y s t e mi sp r o p o s e da n dam o t i o nm o d e li se s t a b l i s h e db a s e d o ns p e e dd i f f e r e n c e ，s p e e da n dt u m i n ga n g l eo ft h es t e e r i n gg e a ri nt h er e a rw h e e l m o r e o v e r , t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e mm o d e la r ea n a l y z e d as t e e r i n gg e a rc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do n c l a s s i cp i da l g o r i t h m sa n df u z z yc o n t r o la l g o r i t h m si si n v e s t i g a t e di nt h et h e s i s ，a n dt h e r e a r - w h e e l d r i v em o t o ri sc o n t r o l l e da c c o r d i n gt ot h es p e e di n f o r m a t i o no b t a i n e dt h r o u g h s p e e ds e n s o r m o r e o v e rt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h a tt h ep r o p o s e dm e t h o di s e f f e c t i v e i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t a n da d v a n c e d k e yw o r d s ：r o b o t ；v i s i o nn a v i g a t i o n ；c a m e r ac a l i b r a t i o n ；e m b e d d e d ；p i d ；吻c o n t r o l 7 k 目录 摘要。i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景1 1 2 课题研究的目的与意义2 1 3 本文相关技术研究现状2 1 3 1 移动机器人导航与定位研究概况2 1 3 2 机器人视觉研究概况4 1 4 论文研究内容与章节安排6 第2 章机器人控制系统硬件设计7 2 1 机器人系统的总体结构7 2 2s t m 3 2 f 1 0 3 微控制器9 2 3 模块设计1o 2 3 1 核心电路设计1 0 2 3 2 电源模块设计1 0 2 3 3 串口模块设计1 2 2 3 4 测速模块设计1 3 2 3 5 循线模块设计1 4 2 3 6 电机驱动模块设计1 6 2 4 本章小结17 第3 章p c o s - i i 实时操作系统移植1 9 3 1i t c o s i i 操作系统概述1 9 3 2 基于p c o s i i 的软件结构设计2 l 3 3 系统启动代码的设计2 2 3 4i | t c o s i i 操作系统的移植2 5 v 东北大学硕士学位论文目录 3 5 系统任务划分和优先级分配2 7 3 6 本章小结2 8 第4 章机器人视觉导航设计与实现2 9 4 1 机器人视觉导航基本原理2 9 4 2 摄像机的标定3 0 4 3 视频信号采集3 5 4 3 1 视频信号采集方法3 5 ， 4 3 2 视频信号采集时序分析3 6 4 3 3 中断功能设计3 8 4 4 图像分割方法研究3 8 4 4 1 基于边缘检测的图像分割3 9 4 4 2 基于区域的图像分割4 0 4 5 路径识别4 1 4 5 1 二值化算法4 l z ：! 4 3 4 5 4 7 4 9 4 9 4 9 ! ；：! 5 6 ! ；9 ! ；9 6 ( ) 6 ：； 6 ：； 6 7 查北大学硕士学位垒查 目录 5 5 本苹小结6 7 第6 章总结与展望6 9 6 0 ! 总结6 9 6 2 展望6 9 参考文献7 1 致谢7 6 作者简介7 7 v i i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 课题研究的背景 第l 章绪论 本文研究来源于国家级实验教学示范中心创新性实验项目基于综合导航的小型智 能移动机器人，目的在于研制结构化环境下，能够以视觉获取环境信息，沿导航线和 特征点行进的小型智能移动机器人；本文主要研究导航控制系统的硬件实现、嵌入式系 统移植与应用、运动控制策略等。 自2 0 世纪5 0 年代世界上第一台机器人诞生以来，机器人技术经历了一个长期缓慢 的发展过程。在2 0 世纪八、九十年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的 快速发展，机器人技术也得到了突飞猛进的发展，机器人的应用从制造领域向非制造领 域延伸【l _ 3 j 。 在机器人的众多应用领域中，有一类机器人的功能和结构相对简单，但是在工厂、 医院、商场、图书馆、自动化仓库等场所发挥了很大的作用，具有很大的发展前景。如 在工厂车间、自动化仓库、物流中心等场所进行物品运输的具有智能特性的自动导航机 器人( a u t o m a t e dg u i d e dv e h i c l e ，简称a g v ) ；在图书馆内进行图书搬运的智能机器人； 商场内的保安巡逻机器人；医院里的“护士助手”机器人，“护士助手 可以完成运送 医疗器材和药品，为病人送饭、送病历、信件，在医院内部送邮件及包裹等等功能。 这类机器人的共同特点可概括为：( 1 ) 工作环境为室内；( 2 ) 装配有电磁或光学等 自动引导装置；( 3 ) 能够沿规定的路径行驶；( 4 ) 具有一定的移载功能。本文针对此类 功能和结构都相对简单的移动机器人开展研究工作，并把此类移动机器人统称为智能机 器人系统，运用智能移动机器人的相关技术对智能机器人系统开展研究工作【“】。 机器人可以说是一种无人驾驶的汽车电子技术以及机器人导航控制方法的缩影。现 阶段无人驾驶汽车中最有可能大量应用的是固定线路的车种，这种车一般在行进道路上 都有导引线，这种车现在在有些公园及工厂有所应用，主要用于固定线路的人员或货物 的运输。正确的跟踪导引线，并且能够做到一定程度上的离线回归是目前无人导引车研 究的热门。现在的微控制器都已经做到高度的集成化，有比较大的程序及数据存储空间， 这使得能够用微控制器这种相对廉价的硬件平台来开发和验证一些导航算法。本文中对 视觉导航系统及其实现的设计及讨论，正是出于这样的一个目的。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 课题研究的目的与意义 机器人路径跟踪技术是智能控制领域内一个重要的分支，它融合了嵌入式系统应 用、计算机实时控制、图像处理与目标识别、自动控制和电力传动等多种技术，其研究 成果可以应用到各类民用领域中，例如拥有路径跟踪功能的自动引导机器人广泛应用于 自动仓库、柔性加工生产线、柔性转配线等，在一些恶劣的地面工作环境中，需要在两 地进行运输作业的可以通过铺设道路，利用机器人的路径跟踪功能来完成任务，在一些 地表探测工作中，运用机器人的路径跟踪功能可以在大范围内快速地进行工作，另外机， 器人的路径跟踪技术也广泛应用于电子行业。 基于视觉的机器人路径跟踪控制系统能够更全面地获取道路信息，利用各种有效的 图像处理算法对路径进行识别，提高了路径识别的准确性，并拓宽机器人的视野，能对 更远的路径提前做好判断，提高了路径跟踪的平均速度。 作为能够自动进行路径跟踪的机器人，车身与控制器本身就是一个自动控制系统， 有些控制理论与策略早已非常成熟，且在实际应用中效果非常好，一些新的控制算法在 灵活性上也有很大的提高，因此对各种控制算法的灵活运用能够提高机器人路径跟踪系 统的整体性能。 1 3 本文相关技术研究现状 1 3 1 移动机器人导航与定位研究概况 1 ) 导航概况 移动机器人的导航方式可分为：基于环境信息的地图模型匹配导航；基于路标的导 航；基于视觉的导航和基于其他各种传感器的导航等。 路标导航是事先将环境中的一些特殊景物作为路标路标导航；机器人在已知这些路 标在环境中的坐标、形状等特征的前提下，通过对路标的探测来确定自身的位置，同时， 将全局路线分解为路标与路标间的片断，不断地对路标进行探测来完成导航。在基于路 标的移动机器人导航中，研究的核心问题是路标的选择和检测、定位、环境表征、路径 规划等。使用的路标可以分为两类：人工路标和自然路标。自然路标是指己经存在于环 境中的物体或者特征。人工路标是指特殊设计的物体或者标记，需要被放置在环境中。 路标可以通过激光、红外、声纳或视觉等传感器进行检测，例如中国科学院沈阳自动化 - 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 研究所研制的自动引导车( a g v ) ，就是通过激光传感器进行路标检测，目前，基于视 觉的路标导航是研究的热点，这种利用视觉传感器进行特征识别的方法称为可视路标方 法。对于基于视觉的路标也分为两类，可视人路标和可视自然路径【7 ，8 】。 视觉导航是通过视觉传感器对环境信息进行感知，从而达到机器人导航的目的。到 目前为止，基于视觉的导航方法基本上可以分为三类： ( a ) 基于地图的导航( m a p b a s e dn a v i g a t i o n ) 基于地图的导航方法的中心思想就是要预先获得关于环境的地图或者模型，然后提 供给机器人进行导航。在导航过程中，给机器人直接或间接地提供一系列路标，视觉系 统在图像中找到并识别这些路标，然后搜索地图，建立观测( 图像) 与期望( 路标在数 据库中的描述) 之间的匹配关系，以此来确定自己的位置。 ( b ) 基于地图建立的导航( m a p - b u i l d i n g - b a s e dn a v i g a t i o n ) 由于基于地图的视觉导航都需要机器人预先知道环境的地图或者模型，而环境模型 并不总是很容易获得，所以很多学者致力于研究能够自动或者半自动地在探测环境的同 时连续构造环境描述( 地图) 的机器人。s t a n f o r d 大学的s t a n f o r dc a r t 机器人就是这样 一种机器人，它使用一个摄像机沿5 0 m 的距离上采集了9 帧图像，然后提取图像中的典 型特征并得到它们的3 d 坐标，整个环境就用这些特征的坐标来描述。 ( c ) 无地图导航( m a p l e s sn a v i g a t i o n ) 所有在导航中没有用到环境描述的系统都可以归于这一类，这类系统在视觉导航过 程中，机器人既没有装载和使用事先给定的地图，也不自动构造地图，机器人的运动由 它对周围环境中的基本元素的探测来决定。这些基本元素可以是墙壁、通道、路标等。 2 ) 定位概况 作为移动机器人导航最基本的环节，移动机器人定位是指确定其在二维工作环境中 的全局坐标( x ，y ) 和姿态( 前进方向与轴正向的夹角0 ) 。利用各种传感器实现机器人 的定位是自主移动机器人最基本、最重要的一项功能，近年来国内外许多研究人员使用 多种传感器，对移动机器人的定位问题进行了研究，提出了许多定位方法，大体上可以 分为以下几种：航位推算法、绝对定位法和混合定位法等【9 1 1 1 。 航位推算法，有时也称惯性定位法，它是利用装在机器人上的各种传感器获得机器 人的当前动态位置信息，通过递推累计公式获得机器人的估计位置。航位推算法较常使 用的传感器有：光电编码器、陀螺仪、加速度计等。通过装在机器人车轮上的光电编码 器，可以获得车轮转动的圈数，进而可以粗略确定机器人的位置和姿态。该方法虽然简 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 单，但是光电编码器的测量误差将随位移量的增加而累积，所以适用于较短时间内机器 人的位置估计。陀螺仪和加速度计都属于惯性装置，可以为机器人提供运动时的旋转角 度和加速度，对这些测量结果进行积分，就可以获得机器人的估计位置。但是惯性元件 存在时间漂移现象，不适合长时间的定位。 绝对定位法是指机器人通过获得外界一些位置等己知的参照信息，通过计算自己与 参照信息之间的相互关系，进而计算出自己的位置。绝对定位法较常使用的是全球定位 系统g p s ( g l o b a lp o s i t o n i n gs y s t e m s ) 、路标定位法和模式匹配法等。在机器人上装配 g p s 接收机后，通过接收g p s 卫星信号，可以计算出自身在地球坐标系下的绝对位置， 进而可以获得机器人在其运行环境中的相对位置。g p s 定位法无累计误差，实时性较好， 广泛用于车辆、飞机、轮船导航。其缺点是信号容易受遮挡，只能用于室外环境，而且 精度较差，一般绝对误差在3 5 米，如果需要更高精度，需要和其他定位方式相结合。 路标定位法是指机器人在运行过程中，利用视觉、超声、激光等传感器识别环境中固定 位置的路标，通过计算相互之间的位置关系，实现机器人的定位。路标分为人工路标和 自然路标，人工路标是为了实现机器人定位而人为放置在机器人工作环境中的标识，由 于人工路标是人为放置的，其位置、颜色、形状等信息都可以事先确定，机器人能比较 容易地识别路标并计算出相互之间的位置关系，因此简单易行。缺点是改变了机器人的 运行环境，应用范围有限。自然路标是机器人运行环境中一些有明显特征的自然物体， 如门、走廊、墙拐角、树等。机器人获取自然路标信息的难度较大，但其应用前景广泛。 模式匹配法是指机器人使用各种传感器获得局部环境信息，然后与事先己知的全局环境 信息相匹配，通过匹配关系获得自己在全局环境中的位置。该方法有严格的条件限制， 因此只适用于一些结构相对简单的环境。 1 3 2 机器人视觉研究概况 机器人视觉本身就是机器人学中的一个重要的研究内容。八十年代以来，机器人视 觉的研究经历了从实验室走向实际应用的发展阶段。从简单的二值图像处理到高分辨率 多灰度的图像处理，从一般的二维信息处理到三维视觉机理以及模型和算法的研究都取 得了很大的进展。对移动机器人视觉的研究，主要集中在视觉导航与定位、障碍物识别 与定位、目标跟踪等方面。 在按照什么模型发展机器视觉的问题上，存在着两种观点：通用视觉和主动视觉( 目 的视觉) 。通用视觉模型的核心是m a r r 视觉理论，该理论是迄今为止唯一较为完整的框 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 架，在取得很大成功的同时，也面临着很多困难。因此，越来越多的研究者主张基于目 的面向各种应用的视觉模型框架。下面将分别介绍这两种模型框架的基本思想【1 2 , 1 3 】。 1 ) 通用视觉 以m a r r 为首的三维重建学派认为，视觉是一个求取外部世界描述的信息处理过程， 即从单幅和多幅2 d 图像中，利用图像的特征( 如边缘点、轮廓、直线、纹理、颜色、 灰度等) 恢复3 d 场景，再对3 d 场景进行识别、定位与运动分析。这一恢复过程可分 为三个阶段：第一阶段为要素图，即图像边缘灰度变化率，边缘的几何特征，以及纹理 元的排列、描述等；第二阶段是2 5 d 图，它是要素图和3 d 图像模型之间的中间表示 层次，包含物体表面的局部内在特性：第三个阶段为3 d 图，即以物体为中心的3 d 描 述，它是由要素图和2 5 d 图得到的。m a r r 视觉理论比较系统地揭示了用2 一d 图像恢复 3 一d 物体形态的可能性和基本方法，把计算机视觉变成了一门专门的学科，具有划时代 的意义。 2 ) 主动视觉 与传统的通用视觉不同，主动视觉强调两点：( 1 ) 主动视觉认为视觉系统应具有主 动感知的能力。( 2 ) 视觉认为视觉系统应基于一定目的或任务。生物视觉系统的研究成 果表明，感知不仅仅是对外界刺激的被动反映，而更应该是有目的、有选择地主动搜索 感兴趣信息的过程。主动视觉认为在视觉信息获取的过程中，应能主动地调整摄像机的 参数，如方向、焦距、孔径等，并能使摄像机迅速对准感兴趣的物体。此外，主动视觉 强调对分布于不同空间范围和时间段上的信号采用不同的分辨率，有选择的感知。 主动视觉系统应用于移动机器人平台己经成为一个重要的研究方向。因为主动视觉 系统能够使机器人从环境信息中有选择地捕捉各种有用的信息，从而简化了移动机器人 与外界复杂环境的交互任务。 目前，主动视觉系统主要有：单目视觉系统、双目视觉系统、三目视觉系统和混合 视觉系统。这些视觉系统之间各有利弊。单目视觉系统为2 d 视觉系统，它相对于双目、 三目等3 d 视觉系统来说，虽然不需要进行不同摄像机对应场景图像的视觉匹配，图像 处理算法较简单，但是单目视觉系统缺少景深信息，常常难以确定其注视的物体究竟是 三维的，还是二维平面上的一幅图画。该视觉系统对于判定机器人与目标或障碍物之间 的距离较困难。此外，单目视觉系统视角较窄，不利于目标的探测，如果采用能自动调 焦的摄像机，可弥补该不足。 双目视觉系统能够获得场景的景深和3 d 信息，对于基于主动视觉的移动机器人来 5 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 说，双目视觉系统对目标物体位置的确定比单目视觉系统要容易得多，尤其是能够通过 计算机重建周围景物的三维形状和位置。双目视觉系统比单目视觉系统更加接近人类的 双眼，易于确定景物中什么是重要的信息。但获取场景的位置和3 d 信息需要从不同角 度，同时拍摄到的两幅景物数字图像进行对应基元匹配。由于两个摄像机的观察位置不 同，同一空间点在两幅图像上的投影点的灰度值并不完全相同等原因，存在匹配二义性。 同时，完成两幅立体图的匹配计算复杂，实时性较差【1 4 1 。 1 4 论文研究内容与章节安排 本文主要研究基于视觉导航的智能机器人系统。智能移动机器人具有广泛的应用前 景，可以很大程度地提高了工厂车间、自动化仓库、物流中心等场所的自动化水平和方 便人们的生活。论文的主要工作有： 1 设计一个基于单目视觉的智能移动机器人系统； 2 实现了实时操作系统的移植以及系统的任务划分和优先级分配； 3 研究基于单目视觉的导航方法和图像处理算法； 4 研究基于视觉的智能移动机器人系统的控制算法。 论文的内容安排如下： 第一章绪论，介绍国内外移动机器的研究现状，并对移动机器人的关键技术进行了 总结，介绍了移动机器人相关技术的研究概况。 第二章论述了基于视觉的智能机器人系统的总体设计思想，就智能机器人路径跟踪 控制系统的硬件进行了设计，包括智能机器人舵机驱动电路与电动机驱动电路的设计、 速度检测电路、电源电路和其他辅助电路的设计。 第三章实现了g c o s i i 操作系统在s t m 3 2 f 1 0 3 微控制器上的移植，包括软件结构、 系统启动代码的设计，以及任务划分和优先级的分配。 第四章着重围绕道路图像的获取与道路信息的分析和提取进行论述，包括道路图像 的采集、道路图像的数字化处理、道路信息的提取等内容。最后详细阐述了视觉导航算 法的研究与实现。 第五章建立了智能机器人基于后轮差速及速度和舵机转角的数学模型，并设计实现 了机器人舵机及后轮驱动电机的控制。 第六章总结论文的工作，并展望下一步研究的方向。 6 东北大学硕士学位论文第2 章机器人控制系统硬件设计 第2 章机器人控制系统硬件设计 2 1 机器人系统的总体结构 智能机器人是嵌入式系统、计算机实时控制、图像处理与目标识别、自动控制和电 力传动等多种技术的融合体，主要包括路径信息的采集、传送和处理，以及智能机器人 的决策机制，因此控制系统设计实际上就是运用各项技术对各个功能模块进行设计。 系统主要由s t m 3 2 f 1 0 3 微控制器、s c i 、斩波升压电路、视频采集电路、电机驱动 电路、舵机、转速反馈等功能模块组成。如图2 1 所示。 i | p cj 1 图2 1 系统功能结构图 f i g 2 1c h a r to fs y s t e ms t r u c t u r e 本系统以g c o s i i 实时操作系统为内核，意法半导体s t m 3 2 系列s t m 3 2 f 1 0 3 型 3 2 位微控制器为核心。r s 2 3 2 负责微控制器与p c 之间的通讯，是系统调试不可或缺的 手段。斩波升压电路为摄像机提供1 2 v 的工作电压，也需要用微控制器进行控制。 l m l 8 8 1 是视频同步分离芯片，为视频采集提供必不可少的同步信号。驱动电路和电机 组成驱动电机模块，是机器人行走动力的来源。舵机用来控制机器人的行走方向。转速 传感器用来实现速度的闭环控制，使机器人按预定的速度行驶 7 - 东北大学硕士学位论文第2 章机器人控制系统硬件设计 硬件系统的框图如图2 2 所示，硬件电路设计至少应包括有以下部分： 1 ) 系统主板； 2 ) 道路检测电路。用于识别路径中心引导线，主要包括观点检测和图像检测两种 方式； 3 ) 舵机以及后轮电机驱动电路。对智能机器人上的舵机和后轮电机进行驱动，控 制机器人的行进方向和速度； 4 ) 电源电路。为各模块提供电源。 t 道路识别 卜 一 ，、， 电源模块 c c d 光电检测 np s t m 3 2 f 1 0 3 卜 ：。q 调试接口速度检测 、 vl ，l ， ， f | ， 弋岁 直流电机驱动舵机驱动 图2 2 硬件系统电路框图 f i g 2 2h a r d w a r es y s t e mc i r c u i td i a g r a m 此外还包括车速、舵机位置检测等电路，增加机器人运行参数检测提高机器人控制 性能，增加控制的效果。整个机器人系统的信息控制流程图如图2 3 所示。 信息舵机 、厂、 处理 后轮 机 i道路 、 器 i j 、 控制电机 r 人 算法驱动 r 1 i 运行参数 、 j 、心路径检测： 图2 3 信息控制流程图 f i g 2 3f l o wc h a r to fc o n t r o li n f o r m a t i o n - 8 东北大学硕士学位论文第2 章机器人控制系统硬件设计 2 2s t m 3 2 f 1 0 3 微控制器 s t m 3 2 系列微控制器采用了a r m 公司为要求高性能( 1 2 5 d m i p s m h z ) 、低成本、 低功耗的嵌入式应用专门设计的c o r t e x m 3 内核。s t m 3 2 系列产品得益于c o r t e x m 3 在架构上进行的多项改进，包括提升性能的同时又提高了代码密度的t h u m b - 2 指令集和 大幅度提高中断响应的紧耦合嵌套向量中断控制器。 除工业可编程逻辑控制器( p l c ) 、家电、工业及家用安全设备、消防和暖气通风 空调系统等传统应用和智能卡及生物测定等消费电子p c 应用外，s t m 3 2 系列还特别适 合侧重低功耗的设备和低成本的工业控制器。 s t m 3 2 f 1 0 3 系列微控制器的主要特性如下： a r m3 2 位的c o r t e x t m - m 3c p u ； 7 2 m h z ，高达9 0 d m i p s ，1 2 5 d m i p s m h z ； 3 2 k 字节至1 2 8 k 字节闪存程序存储器； 多重自举功能； 时钟、复位和供电管理； 2 0 至3 6 伏供电和i o 管脚； 上电断电复位( p o r p d r ) 、可编程电压监测器( p v d ) 、掉电监测器； 内嵌4 至1 6 m h z 高速晶体振荡器； 内嵌使用外部3 2 k h z 晶体的r t c 振荡器； 低功耗，3 种省电模式：睡眠、停机和待机模式； 2 个1 2 位模数转换器，1 p s 转换时间( 1 6 通道) ； 8 0 个快速i o 口，多功能双向5 v 兼容，可映像到1 6 个外部中断； 多达3 个同步的1 6 位定时器，均具有多达4 个用于输入捕获输出比较p w m 或脉冲计数的通道； 6 路p w m 输出，死区控制、边缘中间对齐波形和紧急制动； 2 个看门狗定时器，2 4 位的、带自动加载功能的系统时间定时器； 丰富的通信接口，包括2 个s m b u s 、3 个u s a r t ，2 个s p i ，c a n 接口和u s b 2 0 接口。 9 _ 东北大学硕士学位论文 2 3 模块设计 2 3 1 核心电路设计 系统电路的核心为s t m 3 2 f 1 0 3 微控制 电路，7 4 h c l 6 6 用于扩展一个控制键盘。该电路提供了4 路p w m 输出控制，码盘反馈 和多个数字电平传感器的输入接口。 丰一牛一丰* 丰一鼍，瑾一“# ，啦幢尚幽 ￥罚虬圬一圹了、鼍彝 b m m m “c ， g 蒜 鼎；圣。：，c 捧”j 口- 靠啊j i i c l 4 内嘲 ，c 蚌蓝脚呻f嘲 坶c j t 呻 ，d k c o 计 哪 1日， ，竹5 n嘲 季添。，咩“ a嘲 ，口m 甚“h ” 帅，ci 一jr目l。ljj l p 褂l ，c ，儿，” ，时， 、hej l 一一l ，】，h呻j l ，一l霹j_iu ，r o li 一l 押 u ，l 。f ，h ，时 ，l -枷 h柚 aa 6 蓁宰整础 r m口 焉啬乙叫 ! h 1 1 j 芏 ln m蛔 1 3 一u f 1l1 j i nll，自 u 一i l = 1l - ( i 1喇j，- u ，础：l，io l1 劬0 j 抟n m ：a o ；m t 知胥! 。u竽。， - 7 遵坪 执扩晨乜 霹瞢替薛嘉差 一 搬， j 塑l i 伊。 8 8 lm ! i 一 目r 一 ；g _ 一 牛一i p 。附 。 e= 玉贮 2 3 2 电源模块设计 图2 4 核心电路原理图 f i g 2 4t h ec o r ec i r c u i ts c h e m a t i c 电源模块为系统其它各个模块提供所需要的电源，设计中，除了要考虑到电压范围 和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等 方面进行优化。可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。 电源模块由若干相互独立的稳压电路模块组成。一般采用如图2 5 所示的星型结构， 这样做可以减少各模块之间的相互干扰，另外为了进一步减小微控制器的3 3 v 电源噪 - 1 0 - 谶霉鞠渤 东北大学硕士学位论文 第2 章机器人控制系统硬件设计 声，可以单独使用一个3 3 v 的稳压芯片，与其它接口电路分开。除了电机驱动模块的 电源可以直接取自电池之外，其余各模块的工作电压则需要从电池电压经过变换稳压获 取，在此设计中，采用的是稳压芯片实现。 图2 5 电源模块电路结构 f i g 2 5p o w e rm o d u l ec i r c u i t 3 3 v 电压用来供给s t m 3 2 f 1 0 3 微控制器。在给微控制器供电时，选用的是型号为 a m s l l l 7 型号的稳压芯片，电路如图2 6 所示。 a m s l 图2 63 3 v 电压供电电路 f i g 2 63 3 vp o w e rs u p p l yc i r c u i t 5 v 电压用来供给红外传感器a 、b 。l m 2 9 4 0 具有大电流、低功耗、电路简单可靠 的优点。电路如图2 7 所示。 东北大 6 v 供电电压用来给舵机供电，如图2 8 所示。本设计中，使用的是l m l l l 7 稳压芯 片，l m l l l 7 内部由过热过流保护，静态功耗为4 m a ，最大输出电流为1 a ，完全能够满 足舵机所需要的电压和电流。 d 3 l d i o d ei n 4 0 0 2 c 1 8 l u f 麓 r 1 2 r p o t l k 2 3 3 串口模块设计 图2 86 v 电压供电电路 f i g 2 86 vp o w e rs u p p l yc i r c u i t c 1 常c 1 6 2 2 0 u f l2 2 u f 机器人的行走路线是根据路径上的黑线确定的，根据摄像机采集到的路况信息控制 舵机及后轮电机。而为了获取路况信息，就要求微控制器能够和p c 机通信，而比较方 便有效的方式就是串行通讯。同时在进行系统调试的时候：比如p i d 参数测定，采用传 感器记忆数据时也要用到串口。所以，串口电路必不可少。 1 2 东北大学硕士学位论文 第2 章机器人控制系统硬件设计 微控制器串行通信使用的是异步串行通信，所谓异步就是指发送端和接收端使用的 不是同一个时钟。r s 2 3 2 c 标准规定了在串行通信中数据终端设备( 简称d t e ) 和数据 通信设备( 简称d c e ) 间物理连接线路的机械、电气特性，以及通信格式和约定，是异 步串行通信中应用最广的总线标准。为保证数据可靠传送，r s 2 3 2 c 标准规定发送数据 线t x d 和接收数据线r x d 均采用e i a 电平，即传送数字1 时，传输线上的电平在3 v 1 5 v 之间；传送数字0 时，传输线上的电平在+ 3 v + 1 5 v 之间。但微控制器串行口采 用正逻辑的t t l 电平，这样就存在t t l 电平与e i a 电平