（电气工程专业论文）移动机器人视觉导航研究.pdf

东南大学硕士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 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 并表示了谢意。 研究生签名：期： 釜! 丛：丝 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：霪皇丑i 虱导师签期：墨! 丝：丝 摘要 摘要 自主移动机器人技术是当今世界上最热门的研究领域之一，它在军、民等各个领域 都得到了广泛的应用。随着与机器人相关的各个学科的快速发展，以及社会的需要，机 器人工作时面对的环境越来越多变，执行的任务复杂度越来越高。与之相应的各种导航 新技术就不断涌现出来。 本文主旨在于建立具有无线通信、视觉导航能力的模块化教学机器人硬件平台，并 以人脸追踪为例进行了视觉导航和多传感器结合应用的实验研究。 该平台主要结构包括了独立驱动的电机、多个可插拔超声测距模块、红外测距模块、 电子罗盘模块、电机驱动模块、z i g b e e 无线通信模块、2 自由度移动摄像头、a r m 9 上位处理机等等。 本文以i n t e l 开发的影像处理资料库o p e n c v 为人脸检测的辅助工具，在实验研究中 让机器人识别并追踪人的脸部，同时在追踪过程中还解决移动机器人的安全避障问题， 本文提出并设计了一种模糊避障追踪算法。该算法基于超声以及红外测距传感器实时获 取的局部动态环境信息，具有很大的实时性和自主性。 最后本文给出了模糊算法的仿真数据和人脸追踪过程的实验结果，实验证明文中提 出的实验结果和研究方法是基本正确有效的。期望本文的实验研究能成为实验室后续研 究的参考。 【关键词】机器人；模块化；人脸识别；模糊算法；o p e n c v 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o n o m o u sm o b i l er o b o t i c si so n eo ft h em o s tp o p u l a rr e s e a r c hs u b j e c t sa r o u n dt h e w o r l d i th a sb e e nw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d si nt h em o d e ms o c i e t y w i t ht h e r a p i d d e v e l o p m e n to fr e l a t e ds c i e n c e sa n ds o c i a ln e e d st h er o b o t sa r ef a c e dw i t hi n c r e a s i n g l y c o m p l e xw o r k i n ge n v i r o n m e n t a n da l l s o r t so fr o b o tn a v i g a t i o nt e c h n o l o g ya p p e a r e d c o n s t a n t l y 1 1 1 ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st oe s t a b l i s ham o d u l a rr o b o th a r d w a r ep l a t f o r mw h i c h i n c l u d e su l t r a s o n i cs e n s o r s ，i n f r a r e ds e n s o r s ，e l e c t r o n i cc o m p a s s ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n m o d u l ee t c t h e nd of a c et r a c k i n ge x p e r i m e n t so nt h ep l a t f o r m o nt h es a m et i m et h i sp a p e r d or e s e a r c h e so na p p l i c a t i o no fc o m p u t e rv i s i o na n dr o b o tn a v i g a t i o n i nt h e e x p e r i m e n t so fh u m a nf a c ed e t e c t i o nt h i sp a p e rt a k ea d v a n t a g eo fi n t e l o p e n - s o u r c ev i s u a lp r o c e s s i n gl i b r a r yo p e n c v ：a f t e rt h e f a c ed e t e c t i o nt h i sr o b o tt a k et h e f a c ea saf o r w a r dg o a l i nt h ep r o c e s so ft r a c k i n gf o r w a r d ，t h er o b o tm u s th a v et h ea b i l i t yt o a v o i do b s t a c l e so nt h er o a d f i n a l l yt h i sp a p e rr a i s e sak i n do ff u z z yo b s t a c l ea v o i d a n c ea l g o r i t h mw h i c hi so nb a s eo f m u l t i s e n s o rd a t ac o m b i n a t i o n k e y w o r d s ：r o b o tn a v i g a t i o n o p e n c v f u z z y i i 目录 目录 摘要：i a b s t r a c t i i 目录一i i i 第一章绪论l 1 1 机器人的发展历史一1 1 2 国内外机器人的研究现状1 1 3 自主机器人导航3 1 4 本论文的研究内容4 第二章机器人硬件设计6 2 1 传感器6 2 1 1 超声波测距模块6 2 1 2 红外测距模块一9 2 1 3 电子罗盘1 0 2 2z i g b e e 无线传输模块1 0 2 3a r m 板及w i f i 网卡和c m o s 摄像头1 2 2 4 执行部件l3 第三章机器视觉与人脸检测实验15 3 1 机器视觉技术1 5 3 2 移动机器人的图像处理16 3 3 脸部侦测l7 ：；4o p e n c v 17 3 5 脸部侦测实验l8 3 6 卡尔曼摄像头云台控制2 2 第四章模糊避障2 7 4 1 模糊控制理论基础2 7 4 2 模糊控制系统的组成2 8 4 3 机器人运动学模型3 0 4 4 测距距离信息融合3 2 4 5m a t l a b 模糊避障推理。3 4 第五章实验结果验证41 5 1w i f i 图像传输实验4 l 5 2 机器人追踪避障实验4 3 第六章总结与讨论4 5 6 1 全文总结4 5 6 2 课题展望4 5 致谢4 6 参考文献一4 7 作者在校期间发表论文清单4 9 i i i 第一章绪论 第一章绪论 自从u n i m a t i o n 公司1 9 6 1 年安装了第一台机器人用以装卸模铸零件以来，全世界已 经有上百万的类似机器人在工作。人们经常可以在化工厂、自动生产线以及电子元件制 造车间里看到机器人代替人们完成重复性或者危险性很强的工作 1 】。经过四五十年的发 展，机器人制造技术突飞猛进，性能不断提升，相信在未来的数十年人们在越来越多的 领域会看到机器人大展拳脚。 1 1 机器人的发展历史 机器人的英文r o b o t 一词，原本意思是“傀儡”。1 9 2 0 年，捷克斯洛伐克作家卡雷 尔凯培克在他编写的剧本罗萨姆万能机器人中，第一次使用了“机器人 这个词语。 它来源于捷克语里意味着苦工的“r o b o t a ，或者是斯洛伐克语中意指劳动者的r o b o t n i k ， 凯培克根据这两个词创造出了r o b o t 。1 9 3 9 年美国纽约世博会上展出了西屋电气公司 制造的家用机器人e l e k t m 。它由电缆控制，可以行走，会说7 7 个单词，甚至可以抽烟 1 2 1 。1 9 5 4 年美国人乔治德沃尔制造出了世界上第一台可编程机器人，这种机械手能按照 不同的程序从事不同的工作。1 9 5 9 年德沃尔和美国发明家约瑟夫联手制造出了第一台工 业机器人。随后成立了第一家机器人制造工厂u n i m a t i o n 公司。19 6 5 年约翰霍普金斯大 学研制出b e a s t 机器人，能够通过声纳系统、光电管等根据环境校正自己的位置，自此 美国兴起研究第二代带有传感器的机器人。1 9 6 9 年日本早稻田大学加藤- - f i g 实验室研发 出以双脚走路的仿人机器人。1 9 7 8 年u n i m a t i o n 公司推出通用工业机器人p u m a ，标志 着工业机器人技术的完全成熟。1 9 9 8 年丹麦乐高公司推出机器人套件，让机器人制造变 得跟搭积木一样，相对简单使得机器人开始走入个人世界。2 0 0 6 年微软公司推出 m i c r o s o f tr o b o t i c ss t u d i o ，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显。 1 2 国内外机器人的研究现状 美国是机器人的诞生地，1 9 6 2 年就研制出了第一台工业机器人，毫无疑问它是世界 上的机器人强国之一。而起步稍晚于美国的日本，在经历了6 0 、7 0 年代后在8 0 年代就 跨入了普及提高并广泛应用的时期。日本现在机器人的使用和出口都是位居世界第一， 它的工业机器人保有量也远远超过其他国家。除此以外，德国的智能机器人的研究和应 用在世界上也处于领先地位仅次于日本和美国。国际上具有大影响力的机器人供应商有 美国的a d e p tt e c h n o l o g y 、a m e r i c a nr o b o t 、e m e r s o n 等。日本的安川、o t c 、松下、f a n u c 、 不二越、川崎等公司。欧洲有德国的k u k a 、c l o o s 、瑞典的a b b 、意大利的c o m a u 笙【3 】 寸o 现在国际上机器人的发展趋势大体上沿着三个方向前进：一是让机器人具有更强的 智能，二是让机器人更加类人，就是看上去更像人类，三则是越来越微小，更让机器人 做更加细致的工作。 世界上的发达国家投入大量资金在机器人方面的研究。纵观全球美日掌握着最为先 进的机器人技术，三大趋势在这些发达国家的成果中展现无遗。例如全球闻名的1 9 9 7 东南大学硕士学位论文 年7 月4 号着陆的火星探路者携带的索杰纳号火星车，是人类送往火星的第一部火星车， 着陆前由9 个大气囊保护，成功着陆后，打开三个电池板，重1 0 公斤的6 轮火星车缓 缓驶离飞船，按确定好的路线行进。它的可靠性和智能化堪称人类工业文明的结晶。而 日本在人形化方面更是走在全世界前面，的日本机器人a s i m o 指挥乐队的新闻受到全 世界关注，它高4 英尺3 英寸，由本田公司开发，最近现场指挥了底特律交响乐团，在 指挥的过程中，它非常逼真的模仿真人指挥家的动作。 在微型化方面比较有名的计划是英国军工巨头b a e 系统公司为美军打造的电子昆 虫部队，据悉该公司研制的“电子蜘蛛 等微电子机器人将成为士兵们在战场上的耳目， 它们可以潜入危险的地方，如敌人的藏匿地点，将该地点周围的环境图像传回部队。还 有美国的科学家正在研制一种可以用于摧毁癌细胞的微型机器人“纳米蠕虫”，它能够 在人体内自由游动，发现一些太小从而一般仪器查不出的癌细胞，并消灭它们。 从设计制造角度讲技术上主要有几个越来越明显的特点： ( 1 ) 结构上( 包括逻辑功能结构和机械结构) 注重模块化和可重构化，例如关键 模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式 构造机器人整机。 ( 2 ) 机器人控制系统尤其是工业机器人向基于p c 机的开放型控制器方向发展，便 于标准化、网络化。机器人开发平台化，标准化，如微软开发出了m i c r o s o f tr o b o t i c s s t u d i o 。 ( 3 ) 传感器的作用日益明显，除了传统的位置、速度、加速度等传感器，还有视 觉、声觉触觉等新型传感器，而多传感器信息的融合也是一个研究重点和难点。 我国机器人的发展起步并酝酿于2 0 世界7 0 年代，8 0 年代后半期，在七五国家科技 攻关计划和8 6 3 计划的重点支持下，我国的工业机器人和智能机器人才走上了有序发展 的健康道路【3 】。我国从事机器人研发的单位有2 0 0 多个，专业从事机器人产业开发的企 业也有5 0 多家。一些科研院所和大学也在进行机器人技术及应用项目方面的研发工作。 从1 9 8 7 年到2 0 0 0 年间，在国家科委直接领导及有关部门的大力协同下，在全国8 3 个 单位的有关科技人员共同努力下，我国机器人技术的研究、开发、应用和产业化从分散 无序到达初具行业性的新水平1 4 j 表现为： ( 1 ) 工业机器人系列产品和应用工程成为产业化得龙头，先后开发了喷涂、弧焊、 电焊、装配、搬运等作业使用的系列机器人产品，同时以应用工程带动产品的研发，先 后完成了1 0 0 多项各类的机器人应用工程。 ( 2 ) 特种机器人研究发展迅速，与国际步伐随动。七五期间研制的3 种类型5 种 型号机器人获得成功，水下机器人的研究成果尤为突出。1 9 9 5 年和1 9 9 7 年在夏威夷东 南太平洋5 8 0 0 米深处成功进行了两次大洋探测实验。 ( 3 ) 机器人的研制加速我过工程机械化的现代化。 ( 4 ) 扶持了产业化基地的建设，开创机器人产业。 ( 5 ) 建成了一批机器人技术研究基地。 从十五开始，8 6 3 机器人技术主题队机器人技术发展做了重要战略调整，从单纯的 机器人技术研发向机器人技术与自动化工业装备扩展。十五期间，机器人技术主题取得 的重大成果主要分为三个方面。一是振兴装备制造业成绩显著，数控机床产业化应用带 动了关键功能部件的研发。成功自主研制6 3 米土压平衡盾构机，掌握了刀盘刀具和液 压测控及系统集成关键技术并成功用于上海地铁施工。二是高技术研究领域占有一席之 2 第一章绪论 地，自主研发了一批高精尖数控机床打破了国外的封锁。水下7 0 0 0 米载人机器人研发 取得关键技术突破和大量阶段性成果。突破了仿人机器人行走技术，实现了独立行走和 武术表演等复杂动作。三是发展特种机器人，满足社会安全和民生需求。开发了具有自 主知识产权的排爆机器人，防爆机器人。研发了电力作业机器人为代替人从事电力维护 危险作业提供技术支持。 但是总体来说，我国在机器人技术上与发达国家相比在自动化装备自主技术研究， 和高性能工艺装备设计制造、重大成套装备系统集成开发等方面仍然有很大的差距，迫 切需要加强对机器人技术和自动化装备的研发，才能跟上国民经济发展和国家安全保证 的需要。 1 3 自主机器人导航 导航技术是目前移动机器人自主特征与智能行为的核心体现。移动机器人的导航主 要研究以下3 个方面( 1 ) 在何处：是指移动机器人导航系统中的定位和跟踪问题( 2 ) 往哪去：是指移动机器人导航系统中的路径规划；( 3 ) 如何去：是指移动机器人如何准 确地到达终点。解决移动机器人的导航就是要解决以上3 个问题，其解决方式主要有： ( 1 ) 通过一定的检测手段获取移动机器人的空间位置及环境信息；( 2 ) 用一定的算法 对所取的信息进行信息融合处理并建立环境模型；( 3 ) 实现移动机器人能安全通过一条 最优路径的路径规划1 2 。 导航系统的分类：目前移动机器人的导航方式很多，主要可以分为磁导航、惯性导 航、激光导航、视觉导航、基于传感器数据导航g p s 导航、光电编码器导航、无线射 频识别导航等。简要介绍几种常见导航方式：( 1 ) 惯性导航，机器人利用装配的惯性传 感器，推知机器人当前位置和下一步目标。惯性传感器包含陀螺仪和加速度计，陀螺仪 具有稳定性和进动性，利用这些特性制成了敏感角速度的速率陀螺和敏感角偏差的位置 陀螺，按物理原理分为转子式陀螺、微机械陀螺、环形激光陀螺和光纤陀螺等，加速度 计是用来感测运动载体沿一定方向比例的惯性器件。( 2 ) 视觉导航是移动机器人利用装 配的摄像机拍摄周围环境的局部图像，再通过图像处理技术( 如特征识别、距离估计等) 将外部环境信息输入到移动机器人内，为机器人自身定位和规划下一步的动作，从而使 机器人能自主地规划行进路线，安全到达终点。( 3 ) 基于传感器数据导航，机器人一般 都安装了一些非视觉传感器，如超声波、红外线传感器、电子罗盘等。通过这些传感器 可以探知外界环境信息和机器人自身状态，根据获得的信息实现机器人导航。( 4 ) g p s 全球定位系统是利用环绕地球的2 4 颗卫星，准确计算用户所在位置的庞大卫星网络定 位系统。g p s 系统包括3 大部分：空间部分- - - - g p s 卫星，地面控制部分一地面监控 系统，用户设备部分电p s 信号接收机。在移动机器人的导航定位技术应用中，般 采用伪距差分动态定位法，用基准接收机和动态接收机共同观测4 颗g p s 卫星，按照 一定算法即可求出某时刻机器人的三维位置坐标。( 5 ) 无线射频识别导航在没有视觉系 统，不必建立机器人的近似工作空间的未知环境中，开发移动机器人的导航能力。 机器人导航的应用：在制造业领域方面，发达国家自动导引运输车a g v ( a u t o m a t i o n g u i d e dv e h i c l e ) 已广泛的应用于物流配送领域，其导航方式从最初的固定路径的电磁导 航发展到半固定路径的磁导航和光带导航，发展到无路径的激光导航、陀螺导航和视觉 导航。美国t r a n s b o t i c s 公司的a g v 采用激光导航的方式。日本m o r a t e c 公司生产的 p r e m o x m x l 2 a g v 采用磁材料和激光导航的方式。沈阳新松机器人自动化股份有限公司 3 垄堕查兰堡主兰垡笙茎 自主研发的a g v 采用激光导航和磁导航的方式。在非制造业领域内，日本国立蔬菜和 茶叶研究所与岐阜大学联合研制的茄子采摘机器人采用视觉导航技术，能够在温室里自 主行走到需要被采的茄子处。荷兰农业环境工程研究所研制出一种采用红外视觉导航技 术的多功能黄瓜收获机器人，能够辨别成熟的黄瓜，并自主移动到其附近进行采摘。日 本开发出了一种采用电磁导航方式的农药喷洒机器人，能够根据预埋在地下的电缆产生 的电磁场进行自主行走。日本研发的插秧机器人采用g p s 导航技术，能够在无人干预 的情况下实现10 c m 的移动精度1 2 。 导航的发展趋势：( 1 ) 对传统的导航算法进行改进。由于传统的算法有其不足之处， 因此需要对其加以改进，从而提高机器人导航的实时性、安全性和到达目的地的准确性。 ( 2 ) 导航系统的结构将朝着模块化、网络化、多机器人协作的方向发展。( 3 ) 随着传 感器技术的不断进步，采用多传感器相结合的导航方式将会进一步发展，同时多传感器 信息融合算法的研究也将得到很大发展。( 4 ) 针对目前移动机器人导航算法的局限性， 采用多种算法相互融合，取长补短，将是一个重要的发展方向。 1 4 本论文的研究内容 本论文的主旨在于搭建模块化教育机器人硬件平台，并对机器人的室内视觉导航做 一定的研究。 视觉导航的基础建立于对图像中目标特征的成功检测和获取，为此本文基于新颖性 和人机互动的出发点，选取了人的脸部作为视觉导航的特征目标，将人脸的追踪作为导 航的研究课题。 本文在搭建好的平台基础上以人脸追踪实验为主线，对计算机视觉在移动机器人导 航中的应用和机器人障碍物信息融合以及模糊避障进行了研究。 图1 1 为研究内容示意图： 图1 - 1 论文研究示意图 为此，人脸检测实验以英特尔开发的开源视觉处理辅助工具库o p e n c v 为开发工 具，用认出的人脸作为追踪目标，让机器人摄像头始终寻找人脸，检测出人脸后命令机 器人追踪人脸并与其保持较近的距离。在人脸追踪的动态过程中，机器人必须获得周围 环境中障碍物的信息并绕过障碍顺利接近人脸。为此本文采用模糊控制理论提出了适合 本机器人的模糊避障规则，同时在障碍物信息获取过程中研究了多传感器测距信息的融 合。该融合算法基于超声以及红外测距传感器实时获取的局部动态环境信息，具有很大的实 时性和自主性。 除本章以外，本文其他章节的安排如下： 4 第一章绪论 第二章介绍了模块化机器人的硬件平台； 第三章介绍了什么是o p e n c v ，讨论了机器视觉在移动机器人中的应用，以及人脸追踪 的原理以及基于卡尔曼滤波器的摄像头云台控制。 第四章为移动机器人的追踪和避障设计了一种模糊算法，研究了避障所需的障碍物信息 的融合。 第五章为本文的实验结果讨论以及后续研究的展望。 5 第二章机器人硬件设计 第二章机器人硬件设计 移动机器人的研究可以追溯到2 0 世纪6 0 年代。移动机器人的研究可以追溯到2 0 世纪6 0 年代。斯坦福大学研究所成功地研制一种典型的自主移动机器人s h a k e y 5 1 。它 具有在复杂环境下，对象识别，自主推理，路径规划及控制功能。 移动机器人具有感知工作环境，任务规划能力和决策控制能力。它包括感知，规划 和执行三种基本要素的体系结构。本文所设计的移动机器人硬件平台的框图如图2 1 所 示。 c m o s 摄像头 超声波传感器l + m i n i 2 4 4 0a 珈板 红外测距模块b w i f i 无线网卡 电子罗盘l + 娅g a l 2 8 单 片机控制 板 摄像头云台l 直流电机 z i g b e e 无线网络l 2 1 传感器 图2 1 硬件平台模块图 本硬件平台的传感器部分包括超声波测距模块、红外测距模块、红外循迹模块、摄 像头模块等。 2 1 1 超声波测距模块 人耳能听到的声波的频率在2 0 - 2 0 0 0 0 h z 之间，超过2 0 0 0 0 h z ，人耳所不能听到的 声波，称为超声波。声波的频率越高，波长越短，绕射现象越小，最明显的特征是方向 性好，能够成为射线而定向传播，与光波的某些特性( 如反射、折射定律) 相似。超声 波在均匀媒质里的传播速度一定，不随声波频率的变化而变化。超声波的这些特性使之 能够应用于距离的测量。超声波在均匀媒质里的传播速度一定，不随声波频率的变化而 变化。超声波的这些特性使之能够应用于距离的测量。超声波在空气中的传播速度为 3 4 0 m s ，因此，如果能测出超声波在空气中传播时间，就能算出其传播的距离。超声波测 距就是通过测定超声波传播的时间间隔来测出声波传送的距离，这就是所谓的时间差测 距法。本文使用超声波测距的原理是：发送器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同 时开始计时，超声波在空气中传播途中碰到障碍物就立刻返回来，接收器接收到反射波 就立刻停止计时，这是计时器就记下来超声波从机器人到障碍物之间一来一去所花费的 时间t ，这样就得到了计算声波传感器到障碍物的距离公式： 6 东南大学硕士学位论文 s ：一1c f ( 2 1 ) 2 、7 以上公式中s 代表传感器到障碍物的距离，c 代表声波在当时环境下传导介质中的传递 速度。 在超声波测距的过程中，对结果影响较大的因素是环境的温度，它会改变声波传递 的速度，所以要对环境温度值造成的误差进行修正。 根据声学的理论可以知道，理想的气体中声速为： c = 再 ( 2 2 ) 式中v 代表比热比，空气的数值是1 4 ；t 是绝对温度值；r 是理想气体的普适常数， 一般取其值为8 3 1 4 k g ( m o l 木k ) ；l a 指的是气体中的摩尔量，空气的话是0 0 0 2 8 k g m o l 。 把以上各个参数带入式( 2 2 ) 中就可以得到它的近似公式： c = 3 3 1 5 + 0 6 1 t ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中t 是摄氏温度，t = 2 7 3 5 + t ，温度每上升1 摄氏度，声音的传播速度大 约增加0 6 州s 。 在实际使用过程中，测得机器人所处环境的温度，就可以利用该近似公式对测得距 离进行修正，以取得更加精确的结果。 本文所采用的可插拔式的超声波测距模块，是自行设计制作的，属于模块化硬件的 一部分。整个超声波测距模块由a v r 的单片机m e g a l 6 和声波发射电路以及声波接收 电路组成。电路的原理图如图2 2 和图2 3 所示。 声波发射的工作过程是：首先由m e g a l 6 的频率发生器发出4 0 k h z 的方波，它的 工作电压是5 v 。然后分两路，一路直接控制一个n p n 三极管的基极，另一路经过非门 控制另一个n p n 三极管的基极。两个三极管的集电极都经2 k 电阻上拉至1 2 v 直流电压 源，三极管的集电极和基极之间都用2 8 0 k 的电阻相连，它们的发射极都连至模拟地。 这样就用5 v 的4 0 k h z 的方波产生了两路1 2 v 且极性相反的方波，满足了超声换能器发 出声波的要求。 触确 器 图2 2 超声波发射部分原理图 反射波接收电路是超声波模块的重点，其工作过程是：接收头接收到回波后，首先 经过由o p a 2 3 3 5 组成二级运算放大器放大1 0 0 倍。而声波在空气中传递时，会因为发 生漫反射等原因，随着传播距离的增大，回波幅值会越来越小，远远低于比较器的比较 阀值，使得测距距离大大变短，为解决这个问题，本模块在二级放大电路和比较电路之 间加入了微分电路，这使得尽管回波幅值变小，但只要回波形状没有大的变化，输出值 7 第二章机器人硬件设计 就没有太大变化，从而能使得测距距离变大。然后微分电路的输出接到t l v 3 5 0 1 比较 器的输入，当输入值大于设定的阀值时，t l v 3 5 0 1 就会输出一个下跳沿给m e g a l 6 的 外部中断引脚，中断程序停止计时，这时就得到了声波一来一回的传递时间，从而计算 出测距模块距离障碍物的远近。 图2 - 3 超声波接收部分原理图 当m e g a l 6 单片机得到测距结果后，通过i i c 总线的通信方式把结果传送给上位的 m e g a l 2 8 单片机，这里简要介绍一下m e g a l 6 单片机和m e g a 系列单片机的类i i c 通信模块t w i ，此后还有电子罗盘等传感器模块都将通过t w i 的方式将数据传送给 m e g a l2 8 单片机或者更上层的a r m 9 开发板。 m e g a l 6 单片机是a t m e l 公司出品的高性能、低功耗的8 位a v r 微处理器，它 采用了先进的r i s c 结构，具有3 2 个8 位通用工作寄存器，工作频率高达1 6 m h z 。它 配备了只需两个时钟周期的硬件乘法器，1 6 k 的系统内可编程f l a s h ，支持j t a g 标准的 边界扫描功能，有2 个8 位定时计数器，1 个1 6 位定时计数器，实时时钟r t c ，4 通 道p w m ，8 路1 0 位a d c ，t w i 通信接口，u s a r t 口，s p i 接口，看门狗定时器，片 内模拟比较器。 使用较频繁的m e g a 系列单片机中的类i i c 通讯接口t w i 原理如下： 两线接口t v v i 很适合于典型的处理器应用。t v v i 协议允许系统设计者只用两根双 向传输线就可以将1 2 8 个不同的设备互连到一起。这两根线一是时钟s c l ，一是数据 s d a 。外部硬件只需要两个上拉电阻，每根线上一个。所有连接到总线上的设备都有自 己的地址。t 、m 协议解决了总线仲裁的问题【6 1 。 两根线都通过上拉电阻与正电源连接。所有t v v i 兼容的器件的总线驱动都是漏极 开路或集电极开路的。这样就实现了对接口操作非常关键的线与功能。1 、m 器件输出为 ”0 ”时，t v v l 总线会产生低电平。当所有的t v v i 器件输出为三态时，总线会输出高电平， 允许上拉电阻将电压拉高。注意，为保证所有的总线操作，凡是与1 、m 总线连接的a v r 器件必须上电。 所有在t v v l 总线上传送的数据包为9 位长，包括8 位数据位及1 位应答位。在 数据传送中，主机产生时钟及s t a r t 与s t o p 状态，而接收器响应接收。应答是由 从机在第9 个s c l 周期拉低s d a 实现的。如果接收器使s d a 为高，则发出n a c k 信 号。接收器完成接收，或者由于某些原因无法接收更多的数据，应该在收到最后的字节 后发出n a c k 来告知发送器。数据的m s b 首先发送。 本机器人硬件平台可同时插1 到6 个超声波模块，单个模块或多个模块同插的实物 照片如图2 4 和图2 5 。 8 东南大学硕士学位论文 图2 - 4 超声波电路模块 2 1 2 红外测距模块 图2 - 5 多个超声波 本文所选用的红外测距模块是夏普公司出品的g p 2 y o a 2 1 y k o f 型红外测距模块， 该模块由p s d ( 位敏测试器) 、i r e d ( 红外发射二极管) 、信号处理单元所组成。 红外测距模块是一种近距离测距传感装置，该模块的测距范围是1 0 8 0 c m ，但它 有超声波测距所没有的好处。被反射物体的多样性，环境温度以及操作时间上，红外测 距模块适应性都很高，在半米以内其使用的稳定度要高于其他传感器，在多传感器信息 融合的过程中，使其优先级升高可以有效保证智能车在壁障过程中的稳定性。 该测距模块的输出电压随着测试距离而变化，输出连续变化的模拟电压，所以它可 以用作近距离测距装置。以下是它的一些指标【1 0 】： 1 测距范围：1 0 8 0 c m 2 模拟量输出 3 封装尺寸：2 9 5 1 3 1 3 5 m m 4 消耗电流的典型值：3 0 m a 5 工作电压：4 5 5 5 v 图2 - 6 红外测距模块 9 蔓三兰塑! 矍堡堡堡生 该模块一共引出3 个引脚，一个接v c c 推荐工作电压为5 v ，一个是g n d 接到电 路的模拟地上，另一个就是输出脚v o 输出模拟电压随着被反射物体距离测距模块的远 近输出电压线性变动。 将输出引脚接入到单片机的a d 转换模块，将输出的模拟电压量转换成数字量，经 过校对以后就可以直接随时得到红外测距的结果。使用起来近距离很稳定，图2 1 0 示 出了测距结果和输出电压的关系，每只元件可能有微小的差别，使用时应当予以校对。 2 1 3 电子罗盘 移动机器人在导航过程中需要确定自身所处的角度，通过电子罗盘这种角度传感器 来获取车身与地磁线的夹角值是再方便不过的了。本文所使用的电子罗盘是淘宝杰越机 器人店处购得的z c c 2 1 2 n t t l 型电子罗盘。 z c c 2 1 2 n t t l 是一款低成本数字罗盘模块。其工作原理是通过磁阻传感器感应地 球磁场的磁分量，从而得出方位角度。该产品以t t l 方式与上位机进行通信，运行稳 定，并具有标定功能，其输出波特率可调，有连续和询问两种输出方式，同时具有安装 角和磁偏角补偿功能，可适应不同的工作环境。 该电子罗盘模块的引脚结构，使用者拥有5 个引脚，另外4 个脚是厂家出厂时调校 用的引脚1 v c c 接5 v 直流电源，引脚2 g n d 接数字地，引脚3 v d d 接6 - - , 1 2 v 直流电 源，引脚4 和引脚5 分别是串口的t x d 和r x d 。 模块通过串口输出的数据都是a s c i i 码格式的，每次输出是1 1 个字节：b y t e l 是 $ ( 0 x 2 4 ) ；b y t e 2 是h ( 0 x 4 8 ) ) ；b y t e 3 是，( o x 2 c ) ；b y t e 4 - b y t e 6 分别是罗盘测得角度值的 百位、十位和个位；b ”e 7 是* ( 0 x 2 a ) ；b y t e 8 和b y t e 9 是校验位；b y t e l 0 是回车符；b y t e l l 是换行符 为了统一传感器的数据传输方式，也是为了节省m e g a l 2 8 单片机为数不多的串口， 这里给电子罗盘加装了一个m e g a l 6 做的底座，将串口得到的角度值通过t w i 的方式 再转传给m e g a l 2 8 。 2 2z i g b e e 无线传输模块 试验平台选用了上海顺舟科技的s z 0 5 嵌入式无线通信模块，集成了符合z i g b e e 协议标准的射频收发器和微处理器，它具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活、性 能可靠稳定等优点和特性。选择z i g b e e 作本机器人无线传输方式的目的是为实验室后 续的多机器人组网控制研究提供方便。模块组可以实现点对点、一点对多点、多点对多 点之间的设备间数据的透明传输；可组成星型、树形和蜂窝型网络结构。 z i g b e e 是i e e e 协议8 0 2 1 5 4 的代称，根据这个协议规定的技术是一种短距离、 低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂，由于蜜蜂是靠飞翔和发出“嗡嗡声”( z i g ) 来与同类交换花粉所在方位的信息，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低 数据速率、低成本。主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。 简单来讲，z i g b e e 是一种高可靠的无线数据传输网络，类似于g s m 何c d m a ， 通讯距离从标准的7 5 米到几百米、几公里甚至更远。但与g s m 等不同的是g s m 是为 语音通信而建立的，每个基站价值上百万元。而z i g b e e 是主要为工业现场自动化控制 1 0 变重查兰堡主兰垡堡奎 而建，必须简单可靠，没个z i g b e e “基站是几百块钱。每个z i g b e e 网络节点不仅 ，本身可以作为监控对象，还可以自动中转别的网络节点穿过来的数据资料。除此之外， 每个z i g b e e 节点( f f d ) 还可以再自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中 转任务的孤立子节点( r f d ) 无线连接。 z i g b e e 有低功耗、低成本、低速率、近距离、短延时、高容量、高安全、免执照 频段等几大特点。 s z 0 5 系列无线通信模块分为中心协调器、路由器和终端节点，这三类设备具备不 同的网络功能，中心协调器是网络的中心节点，负责网络的发起组织、网络维护和管理 功能；路由器负责数据的路由中继转发，终端节点只进行本节点数据的发送和接收。中 心协调器、路由器和终端节点这三种类型的设备在硬件结构上完全一致，只是设备嵌入 软件不同，只需通过跳线设置或软件配置即可实现不同的设备功能【l 。 用户的使用接线方式：通过跳线短接的方式来控制中心接点、中继路由或终端节点 的设置，进入c o n f i g 配置模式，跳线短接有效；中心节点或终端节点的跳线选择只能 选其一，两个都悬空则为中继路由节点；c o n f i g 跳线短接进入配置状态，悬空则进入 工作状态。 后续试验中，用一个z i g b e e 节点将串口摄像头拍得的图像传至p c 机端的另一个节 点，p c 机处理后再将控制指令下达给机器人，实现人脸追踪。 为使用调试方便，为该模块加装了底座，随时选择通信接口是r s 2 3 2 电平还是t t l 电平。 图2 7z i g b e e 模块 第二章机器人硬件设计 2 3a r m 板及w i f i 网卡和c m o s 摄像头 图2 8a r m 板及摄像头和w i f i 网卡 本文选择了国内资料最齐全的a r m 9 开发板：友善之臂公司的m i n i 2 4 4 0 开发板作 为机器人处理较为复杂任务的核心。 m i n i 2 4 4 0 采用了s a m s u n g $ 3 c 2 4 4 0 为微处理器，并采用专业稳定的c p u 内核电源 芯片和复位芯片来保证运行时的稳定性。 性能指标： s a m s u n g s 3 c 2 4 4 0 a ，主频4 0 0 m h z ，最高5 3 3 m h z 。 在板6 4 ms d r a m3 2 位数据总线s d r a m 时钟高达i o o m h z 。 1 2 8 mn a n df l a s h ，2 mn o rf l a s h 。 支持嵌入式操作系统： 嵌入式l i n u x2 6 2 9 w i n d o w c e n e t5 0 以及6 0 为了完成本文研究的视觉任务，为开发板配备了o v 9 6 5 0 的c m o s 摄像头： o v 9 6 5 0 是o m n i v i s i o n 公司的c m o s 摄像头，有1 3 0 万像素。它的寄存器控制协 议时s e r i a lc a m e r ac o n t r o lb u s ( s c c b ) ，根据其两线制的s c c b 协议和时序图，可以兼 容1 2 c 总线传输，两者有细微的差别，但不影响，在实际中使用a r m 板的1 2 c 口接c a m e r a 的s c c b 。 而w i f i 无线网卡选用了t p l i n k 公司的5 4 m b p s 无线网卡t l w n 3 2 1 g 卜 。修改 好驱动与a r m 板搭配使用可以和p c 机实现高速率的无线传输。 在人脸追踪实验中，把c m o s 摄像头安装到机器人的2 自由度舵机上，由a r m 板 运行程序采集图像，同时将图像转化为m i p g 视频流通过w i f i 网卡发送到p c 上进行更 强大和通用的视频处理。 1 2 东南大学硕士学位论文 2 4 执行部件 移动机器人的执行部件由车底盘4 个车轮和4 个独立驱动的电机，以及模块化的电 机驱动模块组成。 电机驱动模块的设计秉承模块化的原则，选用了2 片l 2 9 8 p 为核心芯片，设计成可 插拔式的驱动板，具有驱动电流容量大，运行稳定的特点。 该电路模块的核心芯片是l 2 9 8 p 。l 2 9 8 p 是一个集成的电机驱动管理电路，它能承 受高电压、高电流的感性负载，在接受t t l 逻辑电平的同时驱动诸如继电器、直流电 机、步进电机之类的感性负载。集成电路内部有两个全桥控制电路，这意味着一片l 2 9 8 p 能够驱动两个直流电机，本文采用两片l 2 9 8 p 分别控制左右两侧4 直流电机的策略。 债 l 5ml l n np 3 2 丁 u6l = ! c 2 d 1 d 2 d 3i ) 4黜p a l 3 1 l 碍s碍 1 0 1 u 一k 】【一l 】l 4 = c l 阱m 1 0l 秘dp 硼rp b 5 j o 1 t t 份d 1 匝 p w mlp 斑 6 l 卫可lp啦，m o t 0 ，l + r d np “ 7 l i 啦p 蜢 9 耵io u n jm o t ofl l n q l _ p 2 8 p w m 工l p 鄙 e 砬0 玎n9 掰 幛 l o“ 2m o bl + s l 口皓e o 3 1 7m