移动机器人技术-课件 项目五：移动机器人自动控制综合实践

项目五：移动机器人自动控制综合实践移动机器人综合实践任务需求分析任务一：移动机器人综合实践任务需求分析课程目标：一、理解机器人开发需求分析的基本概念及基本流程；二、掌握结构图、流程图的绘制；三、增强动手实践能力和团队合作能力。移动机器人综合实践任务需求分析知识储备一：任务需求分析任务需求分析就是分析机器人的具体任务是什么，全面地理解对机器人的各项要求，解决机器人“做什么”的问题。如果投入大量的人力、物力、财力和时间开发出的机器人无法完成规定任务，无法满足预期要求，那么就需要再重新设计开发，造成资源浪费。因此，一个合理的、优秀的、详细的需求分析是机器人很好完成任务的前提。需求分析具有决策性、方向性、策略性的作用，在机器人开发的过程中具有举足轻重的地位。移动机器人综合实践任务需求分析知识储备一：任务需求分析机器人任务需求分析阶段的工作，可以分为四个方面：（1）问题识别（2）分析与综合（3）制订规格说明书（4）评审移动机器人综合实践任务需求分析知识储备一：任务需求分析需求分析的方法：（1）原型化方法（2）结构化方法（3）动态分析法原型的类型：（1）探索型（2）实验型（3）进化型移动机器人综合实践任务需求分析工程实践一任务场地搭建实践内容：按照理论设计场地图搭建实际测试场地。移动机器人综合实践任务需求分析工程实践二任务需求分析要求机器人能够自主地在给定场景中行走，到达物料摆放区域，自主识别并抓取物料，然后运送到收集区域并回到终点。给定的场景中有坡道、引导路线、随机障碍物以及无引导窄巷、直角转弯等地形与环境因素。基于场景要求与工作设定，该机器人需要具备自主行走、避障、循迹、目标识别、抓取以及搬运投递功能。为合理地满足设计需求，本节将系统设计指标归纳为如下几点：（1）机器人的宽度尺寸不应超过场地中两条循迹线的宽度（400mm）；（2）机器人需具备较强的可移动性，最大移动速度应不低于1m/s，可移动方向应尽可能多。（3）机器人应具备夹取功能，并能保证其操作空间覆盖物料区。（4）机器人应具备感知功能，能有效地进行避障和自身定位。（5）机器人自身定位精度误差应保持在5cm以内；（6）机器人对物料的定位精度误差应保持在2cm以内。移动机器人综合实践任务需求分析工程实践二任务需求分析基于场景要求与工作设定，该机器人需要具备自主行走、避障、循迹、目标识别、抓取以及搬运投递功能。移动机器人综合实践任务需求分析小结与拓展一、请按照要求布置场地。二、请根据设计要求完成完整详细的需求分析文档。项目五：移动机器人自动控制综合实践灰度传感器的应用任务二：灰度传感器的应用课程目标：一、理解灰度传感器的基本原理；二、掌握灰度传感器的编程与使用。灰度传感器的应用知识储备一：灰度传感器的基本原理灰度传感器是模拟传感器，有一只发光二极管和一只光敏电阻，安装在同一面上。灰度传感器利用不同颜色的检测面对光的反射程度不同，光敏电阻对不同检测面返回的光其阻值也不同的原理进行颜色深浅检测。在有效的检测距离内，发光二极管发出白光，照射在检测面上，通过检测面反射回来落在光敏二极管上，由于照射在它上面的光线强弱的影响，光敏二极管的阻值在反射光线很弱（也就是物体为深色）时为几百KΩ，一般光照度下为几KΩ，在反射光线很强（也就是物体颜色很浅，几乎全反射）时为几十Ω，这样即可检测到物体的颜色的灰度。灰度传感器的应用知识储备一：灰度传感器的基本原理八路灰度传感器：每一路采用标准三线接口，分别为VCC、SIGN与GND，其中VCC为5V供电电源，GND为电源地线，SIGN为信号线。当对灰度传感器进行供电时，其根据不同检测面返回数值0-1023，由SIGN输出，当颜色越淡时数值越小，当颜色越深时数值越大。部分传感器会以一个阈值进行区分，当数值大于等于该阈值时，统一输出高电平，即1，当数值小于该阈值时，统一输出低电平，即0。八路灰度传感器共有10个口，其中8个IO口，两个电源口。灰度传感器的应用工程实践一灰度传感器的应用实践内容：将八路灰度传感器置于黑色循迹线的上方，观察灰度传感器是否正常工作，如正确检测到黑线，则对应的LED灯亮，如果未检测到黑线，则对应的LED灯熄灭。硬件接线：将八路灰度传感器的8根信号线口分别接至主控板上P42模块的PF3-PF10，VCC接主控板的5V，GND接主控板的GND。软件调试：打开配套的工程文件，点击编译、下载，观察灰度传感器是否正常工作。灰度传感器的应用工程实践一灰度传感器的应用关键代码分析灰度传感器的应用工程实践一灰度传感器的应用关键代码分析灰度传感器的应用小结与拓展一、请将两个八路灰度传感器均接至机器人主控板，并将每个灰度传感器的信号显示在LCD屏幕上。二、请编写程序，根据八路灰度传感器的反馈信息控制LED灯的亮灭以及蜂鸣器的响灭。项目五：移动机器人自动控制综合实践红外传感器的应用任务三：红外传感器的应用课程目标：一、理解红外传感器的基本原理；二、掌握红外传感器的编程与使用。红外传感器的应用知识储备一：红外传感器的基本原理光线是一种辐射电磁波，以人类的经验而言，通常指的是肉眼可见的光波域是从400nm（紫光）到700nm（红光）可以被人类眼睛感觉得到的范围。红光之外、波长760nm到1mm之间辐射叫做红外光，红外光是肉眼看不到的，但通过一些特殊光学设备可以感受到。红外线是一种人类肉眼看不见的光，所以，它具有光的一切光线的所有特性。但同时，红外线还有一种还具有非常显著的热效应。所有高于绝对零度即－273℃的物质都可以产生红外线。因此，简单地说，红外线传感器是利用红外线为介质来进行数据处理的一种传感器。红外传感器的应用知识储备一：红外传感器的基本原理根据发出方式不同，红外传感器可分为主动式和被动式两种。主动式多数采用的是集发射与接收于一体的光电传感器结构，发射光经过调制后发出，接收头对反射光进行解调输出，可以有效的避免可见光的干扰。另外，传感器大多采用透镜，延长检测距离。由于红外光的特性，不同颜色的物体，能探测的最大距离也有不同；白色物体最远，黑色物体最近。检测障碍物的距离可以根据要求通过尾部的电位器旋钮进行调节。红外传感器的应用工程实践一红外传感器障碍物感知实践内容：将一障碍物置于红外传感器的前方，如果处于红外传感器的检测范围内，板载LED灯亮，如果未处于红外传感器的检测范围内，板载LED灯灭。硬件接线：将红外传感器的VCC与GND接入开发板的电源端口与地，信号线接入主控板P40模块的PD2口。软件调试：打开配套的工程文件，点击编译、下载，观察红外传感器是否正常工作。红外传感器的应用工程实践一红外传感器障碍物感知关键代码分析红外传感器的应用工程实践一红外传感器障碍物感知关键代码分析红外传感器的应用小结与拓展一、请将两个红外传感器均接至机器人主控板，并将每个红外传感器的返回值显示在LCD屏幕上。二、请调节红外传感器的检测阈值，并测试其有效性。项目五：移动机器人自动控制综合实践超声波传感器的应用任务四：超声波传感器的应用课程目标：一、理解超声波传感器的基本原理；二、掌握超声波传感器的编程与使用。超声波传感器的应用知识储备一：超声波的基本概念振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。声波超声波次声波微波超声波传感器的应用知识储备一：超声波的基本概念超声波的波型纵波横波表面波超声波传播方式反射折射超声波的衰减散射衰减吸收衰减超声波传感器的应用知识储备一：超声波的基本概念能够完成产生超声波和接收超声波功能的装置就是超声波传感器，也成为超声波换能器或超声波探头。分类压电式磁致伸缩式电磁式工作方式直射式反射式超声波传感器的应用知识储备二：超声波测距的基本原理时间差测距法𝐿=𝐶×𝑇𝐿为待测距离𝐶为超声波在介质中的传播速度𝑇为测量出传播时间的一半假设介质为空气时，声速为340m/s，记录时间为t，则距离s为多少？

超声波传感器的应用知识储备二：超声波测距的基本原理HC-SR04传感器电气参数使用电压：DC5V静态电流：小于2mA电平输出：高5V电平输出：低0V感应角度：不大于15度探测距离：2cm-450cm精度：可达2mm超声波传感器的应用知识储备二：超声波测距的基本原理HC-SR04传感器工作原理超声波传感器的应用工程实践一超声波测距实践内容：将超声波传感器测量出的距离显示在LCD屏幕上，如果距离大于某个预设阈值，板载LED灯亮，反之板载LED灯熄灭。硬件接线：将超声波传感器的VCC、GND、Trig、Echo四个引脚分别接到主控板上P44的5V、GND、PE0、PE1引脚。软件调试：打开配套的工程文件，点击编译、下载，观察超声波传感器是否正常工作。超声波传感器的应用工程实践一超声波测距关键代码分析超声波传感器的应用工程实践一超声波测距关键代码分析超声波传感器的应用工程实践一超声波测距关键代码分析超声波传感器的应用小结与拓展一、请将超声波传感器接至机器人主控板，将超声波传感器的返回值显示在LCD屏幕上，如果检测到的距离小于300mm，令蜂鸣器响。二、是否有其他的方法实现超声波传感器的功能？如果有，请编写程序。项目五：移动机器人自动控制综合实践摄像头的应用任务五：摄像头的应用课程目标：一、理解摄像头的基本原理；二、掌握摄像头的编程与使用。摄像头的应用知识储备一：OV2640简介OV2640是OV（OmniVision）公司生产的一颗1/4寸的CMOSUXGA（1632*1232）图像传感器。该传感器体积小、工作电压低，提供单片UXGA摄像头和影像处理器的所有功能。通过SCCB总线控制，可以输出整帧、子采样、缩放和取窗口等方式的各种分辨率8/10位影像数据。该产品UXGA图像最高达到15帧/秒（SVGA可达30帧，CIF可达60帧）。用户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式。所有图像处理功能过程包括伽玛曲线、白平衡、对比度、色度等都可以通过SCCB接口编程。OmmiVision图像传感器应用独有的传感器技术，通过减少或消除光学或电子缺陷如固定图案噪声、拖尾、浮散等，提高图像质量，得到清晰的稳定的彩色图像。摄像头的应用知识储备一：OV2640简介OV2640的特点有：•高灵敏度、低电压适合嵌入式应用•标准的SCCB接口，兼容IIC接口•支持RawRGB、RGB(RGB565/RGB555)、GRB422、YUV(422/420)和YCbCr（422）输出格式•支持UXGA、SXGA、SVGA以及按比例缩小到从SXGA到40*30的任何尺寸•支持自动曝光控制、自动增益控制、自动白平衡、自动消除灯光条纹、自动黑电平校准等自动控制功能。同时支持色饱和度、色相、伽马、锐度等设置。•支持闪光灯•支持图像缩放、平移和窗口设置•支持图像压缩，即可输出JPEG图像数据•自带嵌入式微处理器摄像头的应用知识储备一：OV2640简介感光阵列（ImageArray）模拟信号处理（AnalogProcessing）10位A/D转换（A/D）数字信号处理器（DSP）输出格式模块（OutputFormatter）压缩引擎（CompressionEngine）微处理器（Microcontroller）SCCB接口（SCCBInterface）数字视频接口（DigitalVideoPort）摄像头的应用知识储备一：OV2640简介传感器窗口设置图像尺寸设置图像窗口设置图像输出大小设置摄像头的应用知识储备一：OV2640简介OV2640行输出时序摄像头的应用知识储备一：OV2640简介OV2640帧时序摄像头的应用工程实践一摄像头显示实践内容：在上位机摄像头显示软件中显示出摄像头所拍摄内容，同时将目标物体（如圆形、三角形、矩形等物体）的中心坐标显示在LCD上。硬件接线：将OV2640摄像头接至开发板摄像头专用模块接口（P8）。软件调试：打开配套的工程文件，点击编译、下载，观察摄像头是否正常工作。摄像头的应用工程实践一摄像头显示关键代码分析摄像头的应用工程实践一摄像头显示关键代码分析摄像头的应用工程实践一摄像头显示关键代码分析摄像头的应用工程实践一摄像头显示关键代码分析摄像头的应用小结与拓展一、请利用LCD显示OV2640拍摄到的图片。二、请针对拍摄到的图片进行二值化等常用图像处理。项目五：移动机器人自动控制综合实践自动控制系统的设计与实现任务六：自动控制系统的设计与实现课程目标：一、了解自动控制系统的基本概念；二、理解自动控制系统的设计方法；三、掌握自动控制系统的实现。自动控制系统的设计与实现知识储备一：自动控制概念及结构机器人控制系统指的是使机器人完成各种任务和动作所执行的各种控制手段。机器人系统通常分为机构本体和控制系统两大部分。控制系统的作用是根据用户的指令对机构本体进行操