毕业设计线阵CCD机器人路径识别系统设计说明

1、 . PAGE12 / NUMPAGES15线阵CCD机器人路径识别系统设计摘要 本设计以 Freescale16 位单片机 MC9S12XS128作为系统控制处理器，MC9S12XS128有16路A/D转换，精度最高可设置为10位，有8路8位PWM，并可两两并联为16位精度PWM,采用基于CCD摄像头获取图像信息。通过软件算法提取路径，识别当前所处位置，控制电机速度，通过光电编码器实时获取机器人速度，形成速度闭环控制。采用 PID 方式对舵机转向进行控制。调试过程中应用2401无线模块与上位机辅助。机器人将通过特定算法分析出前方的路况，并根据路况的不同而为机器人分配以不同的速度，完成机器人路

2、径识别的系统。类似的机器人可用于设备 HYPERLINK :/info.secu.hc360 /list/fagui.shtml t _blank 检测装置，以自主和遥控的方式，代替人对室外设备进行巡测，以便与时发现设备的部热缺陷、外部机械或电气问题如：异物、损伤、发热、漏油等等，给人员提供诊断设备运行中的事故隐患和故障先兆的有关数据。主要实现机器人动力驱动，根据系统路径规划和遥控指令实现车体的运动控制，包括速度、位置控制。适用于复杂的工业环境、设备监测；可实现全天候不间断的远程监控；采用红外热像监测技术，实现远距离、非接触的设备诊断。关键词 单片机MC9S12XS128 线阵CCD摄像头 转

3、向舵机 伺服电机Linear array CCD Path Recognition SystemAbstract This design to Freescale16 bit microcontroller MC9S12XS128 as the system control processor MC9S12XS128 16 A / D conversion accuracy can be set to 10, 8-channel 8-bit PWM, can be two to two parallel 16-bit resolution PWMbased on the CCD camera

4、to obtain image information while using the LM1881 chip separation of the video signal, he can be isolated from the camera signal DEO parity sync signal O / E and line sync signal HS. Extraction path through the software algorithms, to identify the current location to control the motor speed, real-t

5、ime access to the robot speed optical encoder to form a closed loop speed control. PIDcontrol of the servo steering. 2401 wireless module with the host computer-assisted debugging process. Robot through a specific algorithm to analyze the road ahead, according to different road conditions at differe

6、nt speeds for the robot allocated to complete the identification system of the robot path.Similar robots can be used for equipment, detection devices, autonomous or remote, instead of outdoor equipment, patrol, in order to detect the devices heat defects, external mechanical or electrical problems s

7、uch as: foreign body, injury, fever, oil spills, etc., to provide the relevant data of the causes of accidents in the operation of diagnostic equipment and fault aura. The main robot power-driven motion control system pathplanning and remote control commands to achieve the body, including the speed

8、and position control. In complex industrial environments, equipment monitoring; 24x7 remote monitoring; infrared thermal imaging surveillance techniques, to achieve long-range, non-contact device diagnostics.Keywords FreescalemicrocontrollerMC9S12XS128 LinearCCDcamera Steeringservo Servo motor目 录 TO

9、C o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc326134398第1章绪论 PAGEREF _Toc326134398 h 1HYPERLINK l _Toc3261343991.1 研究背景 PAGEREF _Toc326134399 h 1HYPERLINK l _Toc3261344001.2 国外发展现状 PAGEREF _Toc326134400 h 1HYPERLINK l _Toc326134401第2章硬件系统设计 PAGEREF _Toc326134401 h 3HYPERLINK l _Toc3261344022.1 硬件整体系统框图 PAGEREF _Toc

10、326134402 h 3HYPERLINK l _Toc3261344032.2 核心控制Freescale MC9S12XS128B微控制器 PAGEREF _Toc326134403 h 4HYPERLINK l _Toc3261344042.2.1 MCU最小系统 PAGEREF _Toc326134404 h 4HYPERLINK l _Toc326134405第3章系统软件设计 PAGEREF _Toc326134405 h 6HYPERLINK l _Toc3261344063.3 转向舵机控制 PAGEREF _Toc326134406 h 8HYPERLINK l _Toc3

11、261344073.4 速度控制 PAGEREF _Toc326134407 h 8HYPERLINK l _Toc3261344083.4.1模糊控制设定速度 PAGEREF _Toc326134408 h 8HYPERLINK l _Toc3261344093.4.2 PID参数的整定 PAGEREF _Toc326134409 h 9HYPERLINK l _Toc326134410结论 PAGEREF _Toc326134410 h 10HYPERLINK l _Toc326134411致 PAGEREF _Toc326134411 h 11HYPERLINK l _Toc326134

12、412参考文献 PAGEREF _Toc326134412 h 12第1章 绪论1.1 研究背景现代机器人控制技术，重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以与基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性与非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。机器人遥控与监控技术，机器人半自主和自

13、主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大围的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。机器人向人们展示的是一门集机、电计算机材料传感器控制技术于一体的综合技术也是一个国家科技水平的标志。研制机器人的最初目的是为了帮助人们摆脱繁重劳动或简单的重复劳动，以与替代人到有辐射等危险环境中进行作业，因此机器人最早在汽车制造业和核工业领域得以应用。随着机器人技术的不断发展，工业领域的焊接、喷漆、搬运、装配、铸造等场合，己经开始大量使用机器人。另外在军事、海洋探测、航天、医疗、农业、林业甚到服务娱乐行业，也都开始使用机器人1。1.2 国外发展现状机器人技术的发展，他可以说是一个

14、科学技术发展共同的一个综合结果，同时为社会经济发展产生一个重大影响的一门科学技术。随着我国经济的快速发展，我国工业机器人的市场将不断扩大，这一点无容置疑。这也从另一个侧面说面了为什么世界各大机器人公司纷纷登陆中国市场。市场有了，但多是国外的，拥有了自主知识产权的机器人还很少，这一点要引起我们的高度重视2。在我国，工业机器人市场份额大部分被国外工业机器人企业占据着。在国际强手面前，国的工业机器人企业面临着相当大的竞争压力。如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，

15、一方面国家要对国产工业机器人给予更多的扶持；另一方面也望企业使用国产机器人给国产工业机器人行业一个机会。由于国产工业机器人的功能已经与国外相当，只要有批量，一定能够造就一个或几个中国品牌的工业机器人。今后人类社会对机器人的依赖是将越来越大。随着科技的发展，当今军事武器的发展来看，机器人的运用已到非常成熟阶段。关系到国防，太空、经济、所以国家非常重视机器人行业的发展。总之机器人是引领未来的高科技的产品，发展空间巨大。第2章 硬件系统设计2.1 硬件整体系统框图电路硬件设计以 Freescale16 位单片机 MC9S12XS128作为系统控制处理器，系统包括电源管理模块，路径识别，舵机控制模块，

16、电机驱动模块，无线通信模块等。系统结构框图如图2.1所示:图2.1 机器人路径识别系统硬件系统框图以Freescale16位单片机 MC9S12XS128作为系统控制处理器，采用CCD摄像头作为传感器获取路径信息，CCD摄像头按一定分辨率，以隔行扫描的方式采样图像上的点，当扫到某点时，通过图像传感芯片将该点图像灰度转换成与会对称对应关系的电压值，将此电压值通过视频信号输出。由于MC9S12XS128的AD采集速度有限，采用 LM1881视频信号分离芯片进行分离提取，LM1881视频信号分离芯片可以从摄像头信号中提取信号的时序信息，如行同步脉，场同步脉冲，奇、偶场信息以供单片机I/O口作控制之用

17、，提取路径，识别当前所处位置，由单片机控制电机速度，通过光电编码器实时获取机器人速度，形成速度闭环控制，采用 PID 方式对舵机转向进行控制。调试过程中应用2401无线模块与上位机辅助。2.2 核心控制Freescale MC9S12XS128B微控制器Freescale MC9S12XS128系列MCU是以高速CPU12核为基础的微控列，简称S12系列。典型的HC12总线频率为8MHz，而典型的S12总线频率为25MHz。HC12与S12指令完全兼容，故统称为HCS12系列微控制器。MC9S12XS128B有16路AD转换，精度最高可设置为10位；有8路8位PWM并可两两级联为16位精度PW

18、M，特别适合用于控制多电机系统。它的串行通信端口也非常丰富，有2路SCI，2路SPI此外还有IIC，CAN总线，增强型捕捉定时器等端口，并且采用了引角复用功能，使得这些功能引角也可设置为普通的I/O端口使用。此外它部还集成了完整的模糊逻辑指令，可大大简化我们的程序设计。在单片模式下，A口、B口和部分E口都可以用作通用I/O接口，如果所有接口工作在通用I/O方式下，那么I/O口将达到63个。这些双重功能的I/O口本身与控制逻辑完全集成在MCU部，其体积、功耗、可靠性、应用简单方便程度都与用户自行扩充的I/O口有着重要区别7。2.2.1 MCU最小系统MCU运行程序所必需的最小系统包括电源电路，复

19、位电路，晶振电路，PLL电路。而单片机的电源电路在下面介绍了，这里就不再介绍。单片机的复位电路由一个键盘，两个电阻，一个电容构成 。复位电路如下图2.3：图2.3 单片机外部复位电路外部复位是指MCU的RESET引脚上外加一个低电压使得MCU强制复位。本设计复位电路是MC34064电平监视器，当电源电压低4.65V，其输出将保持低电平。这样在上电阶段，靠MCU部POR建立初始状态，靠MC34064保证电源电压达到4.65V当电源电压跌落或掉电过程中，MC34064可以保证MCU与时复位。通过按钮将RESET引脚拉低超过一定时间就可以实现手动复位。对于简单的非在线应用系统，可以不考虑上电速度和掉

20、电问题，这时只保留一个上拉电阻和复位按钮即可。手动复位电路在系统调试时非常有用当做成目标系统后，可以将其略去。单片机正常工作：晶振电路由16MHZ晶振与两个电容，一个电感构成，如图2.4所示，其作用是为系统提供基本的时钟信号，通常一个系统共用一个晶振便于各部分保持同步，晶振提供的时钟频率越高，单片机的运行速度就越快。第3章 系统软件设计本设计控制软件采用大赛提供的CodeWarrior软件此外，厂家提供的编程环境支持C语言和汇编语言的程序设计，以与C语言与汇编语言的混合编程，大大方便了用户的程序设计，提高了系统开发效率。本设计程序代码使用C语言编写。其使用界面如图3.1所示：图3.4 黑线中心

21、检测流程3.3 转向舵机控制对于舵机的控制，我们采用开环控制，由于舵机的控制精度高，一个PWM占空比对应一个角度，因此开环控制的效果较好。我们采用的是PD控制，因为这样可以让舵机的控制速度更快，输入黑线位置和黑线位置的变化率，通过分段比例控制输出相应的PWM值。因为机器人处于弯道和直道的转向模型不同，统一的比例带过大会导致机器人振荡，过小导致最大控制量偏小，机器人转向不足一的比例带过大会导致机器人振荡，过小导致最大控制量偏小，机器人转向不足过弯时冲出路径。使用分段比例控制既方便又可以解决以上两种问题。3.4 速度控制对于速度的控制，我们采用闭环控制，控制量由TLE6209给出，而速度反馈量由编

22、码器测得。编码器输出的脉冲输入到PACN10，通过定时器申请中断，间隔一定时间读取PACN10的值，由于是一定时间的脉冲数，所以可以看成是电机速度。给定量是根据当前传感器的检测到黑线的位置给出的，我们选择了模糊推理给定，该模糊控制器是一个两输入，一输出。输入黑线位置和黑线位置的变化率，通过模糊推理输出一个当前所需的速度量。在通过一个增量式PID调节器使电机的实际速度尽可能快的接近给定速度。3.4.1模糊控制设定速度因为机器人识别的路径是未知的，弯道的分布情况也不能确定，机器人可能频繁的进出弯道，不停的调整速度来适应不同轨迹。这样就难以建立精确的数学模型，且机器人对动态性能要求较高，考虑到该款单

23、片机有一套特色指令模糊控制指令，执行时间只有几十us级（时钟频率为25M），不会影响决策周期，且简单易行，而模糊控制具有处理不明确信号的能力，故最终选定采用模糊控制设定速度：(1) 模糊输入输出量的选取机器人模糊控制器采用二维模糊控制器，输入变量E、E分别选为黑线位置distance与其变化率diff，输出变量U选为机器人的速度设定值Vi_Ref。表3.1模糊规则表EE NBNSZPSPBNBNBNSPSPBPSZNSZPBZNSPBPSPBPSNSNB(4) 模糊推理与解模糊化在模糊推理过程中，选用了REV 指令。MC9S12XS128单片机中规定各个前件之间只进行模糊与运算，而如果几个规则

24、的逻辑后件影响到同一个模糊输出，它们之间隐含模糊或运算。即使用MINMAX法进行模糊推理。反模糊化采用重心法（COG法）。WAV是解模糊的核心指令，它与EDIV指令配合完成模糊输出到控制输出的变换。3.4.2 PID参数的整定试凑法是通过闭环试验，观察系统响应曲线，根据各控制参数对系统响应的大致影响，反复试凑参数，以达到满意的响应，最后确定PID控制参数。试凑不是盲目的，而是在控制理论指导下进行的。在控制理论中已获得如下定性知识：比例调节（P）作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定

25、性下降，甚至造成系统的不稳定。积分调节（I）作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。结 论本文基于飞思卡尔公司的16位微处理器MC9S12XS128为控制核心，设计了采线阵CCD摄像头来识别路径的机器人系统。实现了机器人能在白色的场地上，沿着任意给定的黑色引导线按照给定的速度行驶。具体工作如下：（1）硬件部分采用模块化设计，主要由电源的管理单元，路径识别单元，速度检测模块、舵机控制单元和直流驱动电机控制单元组成。（2）软件部分的模块设计主要包括：单片机初始化模块，实时路径检测模块，舵机控制模块，驱动电机控制模块，中断速度采集模块，速度控制模块等。（3）控制算法分为舵机控制和速度的控制，舵机控制通过输出