智能環(huán)保衛(wèi)士機器人白色垃圾拾取系統(tǒng)畢業(yè)論文.doc

摘要 摘 要本文設計了基于數(shù)字圖像處理和遠程控制的智能環(huán)保衛(wèi)士機器人白色垃圾拾取系統(tǒng)。設計了基于數(shù)字圖像處理技術的智能白色垃圾識別系統(tǒng)，采用cmos數(shù)字圖像傳感器識別白色垃圾；采用以太網(wǎng)通信技術同internet聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)雙向互通；設計了斬波恒流細分步進電機驅動方案，驅動機器人拾取和回收目標垃圾；軟件上采取了模糊pid算法，實現(xiàn)靈活的機器人控制；設計了最優(yōu)化的垃圾搜尋路線確定算法，使機器人高效快捷地尋找目標垃圾。系統(tǒng)采用數(shù)字圖像處理技術對白色垃圾圖像進行識別，運用模糊pid算法的舵機系統(tǒng)控制電機驅動部分，采用步進電機對目標垃圾進行拾取和回收，同時，根據(jù)服務性機器人的特點及需求，采用無線以太網(wǎng)接入internet網(wǎng)，對機器人進行智能遠程操控?；就瓿闪谁h(huán)保衛(wèi)士機器人的車體和電路部分，實現(xiàn)了白色垃圾的識別、拾取和回收功能?；跀?shù)字圖像處理技術結合以太網(wǎng)通信技術的環(huán)保機器人代替手動人力清掃白色垃圾的方案是可行的。關鍵詞：以太網(wǎng)通信；pid模糊算法；圖像采集；環(huán)保機器人abstract this article is designed based on digital image processing, intelligent robots instead of manual cleaning of human waste in public places of the white system. identification based on digital camera technology to identify the white trash, after identification by servo control to pick up on garbage and recycling targets and, based on the characteristics of service robots and demand, not through the operation of the hardware design to realize the internet connection and intelligent control. the system uses image recognition technology, and special images of white trash image recognition algorithm; with ethernet networking technology with the internet, and wireless intelligent robot control; fuzzy pid algorithm designed out precision, stability of the rudder machine control system. the test and data analysis, the identification process of the white trash, white trash on the identification of more accurate to meet the needs of ordinary people; and in trials, intelligent robot work environment fast response, you can achieve clean and efficient environment. based on the digital camera recognition technology to identify the white trash, ethernet communication technology control the environmental robot system is feasible.keywords: ethernet; pid fuzzy algorithm; image acquisition environmental robotsiii目錄目 錄摘 要i目 錄i第一章緒論11.1本系統(tǒng)設計的意義11.2 環(huán)保機器人我國的發(fā)展前景11.3國內外技術水平比較分析21.4 環(huán)保機器人在我國發(fā)展趨勢21.5論文結構3第二章環(huán)保機器人系統(tǒng)分析以及硬件設42.1系統(tǒng)功能42.2系統(tǒng)組成42.3系統(tǒng)介紹62.3.1主控器模塊72.3.2圖像采集模塊72.3.3通信模塊112.3.4電機模塊152.3.5舵機模塊162.3.6電源模塊18第三章系統(tǒng)軟件設計203.1系統(tǒng)軟件工作流程203.1.1 hcs12x（圖像采集及處理）工作流程203.1.2 xgate（電機控制及以太網(wǎng)通信）工作流程233.2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)及算法分析243.2.1 圖像采集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理243.2.2 提高系統(tǒng)的工作速率27第四章試驗及數(shù)據(jù)分析284.1 模糊pid控制在電機中的試驗284.2 以太網(wǎng)通信試驗數(shù)據(jù)294.2.1站點數(shù)目( n) 對通信延遲的影響294.2.2通信速率對通信延遲的影響304.2.3 改善以太網(wǎng)實時特性314.3數(shù)據(jù)結果分析32結 束 語33參考文獻i致 謝ii第一章 緒論1.1本系統(tǒng)設計的意義本系統(tǒng)設計出了一個能在特定場所，按高效的路徑進行搜索，實現(xiàn)預定垃圾搜索識別，然后拾取目標垃圾的環(huán)保智能小車。實現(xiàn)智能機器人代替手動人力來對街道、公園等大中小型平面場所的白色垃圾的清潔環(huán)保工作。1.2 環(huán)保機器人我國的發(fā)展前景目前市場上銷售的保潔機器人有北京利而浦電器有限責任公司的?，斕乇崣C器人、浙江海星電子科技有限公司的ha c-2智能吸塵器、深圳銀星智能電器有限公司的kv8家用清潔機器人、臺灣公司的qq-2保潔機器人、上海羅寶公司的羅寶智能吸塵器機器人等。服務機器人在家庭中的應用是其發(fā)展的一個重要方向，勢必涉及到智能傳感器單元的應用、通信協(xié)議接口、無線通信網(wǎng)絡等技術，這也是服務機器人技術在廣義上的應用，并有可能帶動服務機器人在家用領域的產(chǎn)業(yè)應用。國內，以海爾和聯(lián)想牽頭成立的網(wǎng)絡家電組織都推出了其實施應用的標準和規(guī)范，如海爾集團、清華同方、中國網(wǎng)通等發(fā)起組建了家庭網(wǎng)絡標準產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟e家佳(it on home)，并由海爾集團推出了“卡薩帝”(casarte)品牌的uhome網(wǎng)絡家電產(chǎn)品。環(huán)保機器人是現(xiàn)今科技應用領域的朝陽產(chǎn)業(yè)，在未來的服務性機器人發(fā)展領域中前景廣闊，有待進一步大力推廣和實現(xiàn)。1.3國內外技術水平比較分析 根據(jù)wtec評估結果，環(huán)保機器人室外導航、機器人體系結構( 控制、機構和計算的集成)、以及部分服務和個人機器人領域，美國始終保持領先地位：日本和韓國在機器人移動技術、人形機器人和部分服務和個人機器人( 包括娛樂) 領域處于領先位置。歐洲在結構化環(huán)境的移動技術， 包括城市交通領域保持領先。歐洲還在助老和家庭服務機器人領域資助了重大計劃。澳大利亞在定位和導航的理論和應用方面具有優(yōu)勢。我國學術界和企業(yè)界在863計劃和國家自然科學基金等項目的支持下，先后針對上述技術進行攻關，并取得大量研究成果。但值得指出的是，上述研究成果大都停留在理論研究層面，并沒有將研究成果在產(chǎn)品技術上體現(xiàn)出來。從成果應用上看，我國的服務機器人主要以吸塵器機器人和教育平臺為主。1.4 環(huán)保機器人在我國發(fā)展趨勢縱觀國內外服務機器人的發(fā)展，可以發(fā)現(xiàn)服務機器人在我國具有廣闊的市場空間。首先是老齡化社會和殘疾人服務對服務機器人的市場需求。目前我國60歲以上人口已超過總人口的10%，預計到2015年國老年人口總數(shù)將達到2億人，人口的老齡化問題將成為中國面臨的前所未有的新挑戰(zhàn)；此外，我國殘疾人占總人口比重位居全世界較高國家之列?？梢灶A計，在不遠的將來，老年人和殘疾人的護理將成為社會的一個重要負擔 需要一大批護理機器人提供諸如取物、喂飯、翻書等服務，幫助、照顧老年人和殘疾人的日常生活，提高他們的生活質量，從而減少社會對護理人員的數(shù)量和要求。其次當前，隨著城市化的現(xiàn)象日益加劇，城市面積日益加大，相應的城市環(huán)衛(wèi)工作量隨城市的發(fā)展而日益增大。在公共場所，特別是在公園里人流量較大，對清潔程度要求較高的場所，不僅需要定時清潔，而且要求隨時巡邏，清潔少量白色垃圾。本作品研發(fā)旨在設計一個能代替環(huán)衛(wèi)工人完成公共場所的巡邏任務并清理垃圾的智能環(huán)保機器人，以保持巡邏場所隨時保持一個清潔的環(huán)境，提高環(huán)境清潔效率，同時減少社會清潔員的數(shù)量和工作量，節(jié)省人力，從而提高現(xiàn)今人群生活的舒適度，以及同自然環(huán)境保持一個和諧的關系。1.5論文結構本文闡述以以太網(wǎng)為通信，基于數(shù)字攝像頭識別的環(huán)保衛(wèi)士機器人的系統(tǒng)設計。系統(tǒng)采用圖像識別技術以及特殊圖像算法對白色垃圾圖像識別，以太網(wǎng)通信技術同internet聯(lián)網(wǎng)，并對機器人進行無線智能控制。采用模糊pid算法設計了搞精度，穩(wěn)定性的舵機控制系統(tǒng)，系統(tǒng)地從理論分析到硬件設計，給出了相應具體的設計方案和模擬仿真。3第二章 環(huán)保機器人系統(tǒng)分析以及硬件設2.1系統(tǒng)功能本課題的目標是設計一個能實現(xiàn)在特定平面場所，按高效的搜索路徑進行搜索，實現(xiàn)垃圾搜索識別，然后拾取目標的環(huán)保智能小車，研究內容大致包括以下三個方面：（1）目標識別：即垃圾的識別，需要在確定背景環(huán)境下識別滿足要求的目標。此為執(zhí)行拾取回收的前提條件。（2）目標拾取與回收：在識別出目標之后，需要跟蹤目標并拾取。（3）定位與規(guī)劃搜索路徑：對一定區(qū)域內的巡邏，需要定位小車的當前位置，并決定如何高效的搜索完該區(qū)域。 2.2系統(tǒng)組成本系統(tǒng)選用freescale公司的16位雙核微控制器mc9s12xep100作為主控芯片，選用數(shù)字cmos圖像傳感器ov6620獲取環(huán)境信息。微控制器內置兩塊處理器芯片，分別是s12x處理器和xgate處理器。s12x處理器負責完成采集攝圖像，獲取環(huán)境信息，根據(jù)白色垃圾特征，進行特征匹配等工作，以完成自動垃圾識別。xgate處理器完成車的移動控制、拾取垃圾機構控制以及通信任務，控制系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。垃圾拾取機構的設計基于模糊pid算法控制舵機驅動并完成垃圾回收，采用步進電機驅動小車移動，以方便定位，機構俯視簡圖如圖2-2所示。 圖2-1 系統(tǒng)框圖 圖2-2 環(huán)保衛(wèi)士機器人的俯視圖2.3系統(tǒng)介紹本系統(tǒng)依次通過六個模塊進行介紹，分別是主控器模塊、圖像采集模塊、通信模塊、電機驅動模塊、舵機模塊以及電源模塊?？傮w硬件電路圖如圖2-3所示。 圖2-3 系統(tǒng)總體硬件電路圖 2.3.1主控器模塊本系統(tǒng)以mc9s12xep100為核心控制器的控制板原理圖，從而協(xié)調控制各個模塊之間的工作，如圖2-4是主控芯片電路原理圖。圖2-4主控器原理2.3.2圖像采集模塊本系統(tǒng)采用圖像傳感器對圖像信號進行采集，其圖像傳感器的原理是利用光電器件的光電轉換功能，將感光面上的光像轉換為與光像成相應比例關系的“圖像”電信號的一種功能器件。圖像傳感器的兩大主流是cmos(complementary metal oxide semiconductor金屬氧化物半導體元件)和ccd(chargedcoupled device電荷耦合元件)。cmos圖像傳感器的發(fā)展得益于cmos集成電路工藝的成熟，相對于ccd圖像傳感器，它具有較低的電源功耗、較高的感光度以及更靈活的圖像捕獲能力等特點。隨著芯片制造技術和信號處理技術的發(fā)展，cmos圖像傳感器日益受到重視，其應用領域也越來越廣，已成為固體圖像傳感器的研發(fā)熱點。cmos圖像傳感器的總體結構框圖如圖2-5所示。它們一般由光敏像元陣列、行選通邏輯、列選通邏輯、定時和控制電路、片上模擬信號處理器(asp)構成，數(shù)字式cmos圖像傳感器還集成有片上模數(shù)(a/d)轉換器。 環(huán)保機器人的圖像采集系統(tǒng)采用了cmos圖像傳感器ov6620的攝像頭，ov6620的最大分辨率為352288。ov662o是美國omnivision公司生產(chǎn)的cmos圖像傳感器，以其高性能、低功耗適合應用在嵌入式圖像采集系統(tǒng)中，本系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)的輸入都是通過0v6620采集進來的。 ov6620集成在一個板卡上，有獨立的17 mhz晶振。輸出3個圖像同步的時序信號：像素時鐘pclk、幀同步vsync和行同步href。同時，還可以通過8位或16位的數(shù)據(jù)總線輸出rgb或ycrcb格式的圖像數(shù)據(jù)。硬件設計上，有2個問題需要解決，一個是圖像采集的嚴格時序同步，另一個就是雙cpu 共享sram的總線仲裁。圖2-5 cmos圖像傳感器的總體結構框圖同時，為使數(shù)字圖像傳感器ov6620工作在符合使用要求的狀態(tài)下，需少量外圍電路支持。此外，單芯片圖像傳感器的使用必須結合透鏡鏡頭組來實現(xiàn)成像功能，鏡頭組的合理安裝也是值得注意的問題。這里根據(jù)系統(tǒng)要求設計了一個攝像頭模塊，模塊包括一塊安裝了ov6620圖像傳感器的40*28mmpcb、外圍電路以及一個定焦鏡頭。ov6620數(shù)字圖像傳感器的外圍電路主要分為時鐘輸入、電源去耦兩個部分,實際沒必要對這288行中的每一行視頻信號都進行采樣，如此會增大s12存儲和數(shù)據(jù)處理的負擔，甚至超出s12的處理能力。事實上，機器人的定位系統(tǒng)在縱向上只要有60到80個像素的分辨能力就足夠了。因此，我們只需對這288行視頻信號中的某些行進行采樣就行了。由于特定的白色垃圾信息相對比較簡單，每行采集100個點就足以描繪廢棄物主要信息。故每幀圖像的分辨率為10070。ov6620可以通過iic總線配置片內寄存器，以使其輸出原始rgb數(shù)據(jù)。在同樣照明條件下，各種物體的亮度決定于物體對入射光的反射能力(郎反射系數(shù))。例如白石膏具有最大反射系數(shù)100，黑絨有最小反射系數(shù)1，因而大部分景物的對比度不超過100。就這個意義上講，一般圖像取樣后按256級(8位)灰度層量化是足夠的。圖2-6是基于以上原理分析和設計的硬件原理電路圖。圖 2-6 圖像采集模塊2.3.3通信模塊若以太網(wǎng)能作為廣域網(wǎng)標準的話，終端用戶肯定是最大的擁護者。一是因為用戶能用同樣的月租租用更大的帶寬；二是因為局域網(wǎng)和辦公室網(wǎng)絡標準統(tǒng)一化，網(wǎng)絡升級和維護變得更為方便；三是因為技術人員無需培訓不同廣域網(wǎng)技術；四是因為減少由于不同標準而附加的多余網(wǎng)絡設備。 可是以太網(wǎng)的廉價帶寬可能會為運營商帶來一些煩惱，唯恐他會蠶食現(xiàn)有數(shù)據(jù)業(yè)務的收入，降低利潤，吃力不討好。但另一方面，他們也意識到以太網(wǎng)業(yè)務帶來新的數(shù)據(jù)業(yè)務增長點，以太網(wǎng)設備的靈活性可促使用戶購買更多的帶寬，不再受到傳統(tǒng)tdm、 atm或幀中繼設備的制約。在匯聚方面他的高成本效益是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)標準如atm無法比擬的。如今運營商們已普遍把以太網(wǎng)視為新的業(yè)務亮點，利用他來填補網(wǎng)絡泡沫后的業(yè)務損失?；谝陨系膬?yōu)勢，不少運營商已在計劃或正在鋪設以太網(wǎng)到他們的廣域網(wǎng)中。使他們頭痛的是哪一種網(wǎng)絡模式既具有高度的靈活性及可靠性，而投入又較低。這就是我們要提倡的“高效能以太網(wǎng)”。到底是全網(wǎng)統(tǒng)一成一個標準，還是把網(wǎng)絡分割使用不同網(wǎng)絡標準于不同邏輯層呢？如若全網(wǎng)統(tǒng)一標準，那么互聯(lián)互通將不再是個問題?？墒聦嵳f明某種標準在網(wǎng)絡某個部分可能是最佳、最高效的，但用在其他部分可能是不符合經(jīng)濟效益和難以擴展的。如若基于不同的網(wǎng)絡部分使用不同的網(wǎng)絡技術，那么每項技術將得以最佳的發(fā)揮，網(wǎng)絡得以合理的鋪展。當然，技術間的互聯(lián)互通需要非常好地解決。然而互聯(lián)互通問題近年已得到非常大的改善，如使用mpls使不同的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)（ip, atm, 幀中繼, ethernet, etc.）在同網(wǎng)絡上傳送?；谝陨蟽?yōu)勢，本系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通信。為實現(xiàn)沒有操作系統(tǒng)的internet 連接，系統(tǒng)選用以太網(wǎng)控制器w5100擴展以太網(wǎng)通信功能。w5100集tcpip協(xié)議棧、以太網(wǎng)mac和phy為一體，支持icp、udp、ipv4、icmp、arp、igmp和pppoe等網(wǎng)絡協(xié)議。它提供多種總線，包括兩種并行總線(直接總線接口和間接總線接口)，以及spi串行總線等接口方式。內置16 kbyte發(fā)送接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，可快速進行數(shù)據(jù)交換，w5100支持且自動識別。全雙工或半雙工的傳輸模式，并可實現(xiàn)且兼容100 m以太網(wǎng)絡w5100 是一款多功能的單片網(wǎng)絡接口芯片，內部集成有10/100 以太網(wǎng)控制器，主要應用于高集成、高穩(wěn)定、高性能和低成本的嵌入式系統(tǒng)中。使用w5100可以實現(xiàn)沒有操作系統(tǒng)的internet連接。w5100與ieee802.3 10base-t 和802.3u 100base-tx 兼容。w5100 內部集成了全硬件的、且經(jīng)過多年市場驗證的tcp/ip 協(xié)議棧、以太網(wǎng)介質傳輸層（mac）和物理層（phy）。硬件tcp/ip 協(xié)議棧支持tcp，udp，ipv4，icmp，arp，igmp 和pppoe，這些協(xié)議已經(jīng)在很多領域經(jīng)過了多年的驗證。w5100 內部還集成有16kb 存儲器用于數(shù)據(jù)傳輸。使用w5100 不需要考慮以太網(wǎng)的控制，只需要進行簡單的端口（socket）編程。w5100 提供3 種接口：直接并行總線、間接并行總線和spi 總線。w5100與mcu 接口非常簡單，就像訪問外部存儲器一樣?？偨Y以上部分歸納以太網(wǎng)如下特點：(1)支持硬件化 tcp/ip 協(xié)議：tcp，udp，icmp，ipv4 arp，igmp，pppoe，以太網(wǎng)；(1)內嵌 10baset/100basetx 以太網(wǎng)物理層；(2)支持自動通信握手（全雙工和半雙工）；(3)支持自動 mdi/mdix，自動校正信號極性； (4) 支持 adsl 連接（支持pppoe 協(xié)議中的pap/chap 認證模式）； (5)支持4個獨立端口同時運行； (6)不支持 ip 的分片處理； (7)內部 16kb 存儲器用于數(shù)據(jù)發(fā)送/接收緩存；(8)0.18m cmos 工藝；(9)3.3v 工作電壓，i/o 口可承受5v 電壓； (10)80 腳lqfp 小型封裝； (11) 環(huán)保無鉛封裝； (12)支持 spi 接口（spi 模式0）； (13)多功能 led 信號輸出（tx、rx、全雙工/半雙工、地址沖突、連接、速度等）。 通信模塊具體電路如下圖2-7所示。圖2-7 通信模塊2.3.4電機模塊為了使電機的走位更為準確，達到精密控制的目的，本系統(tǒng)采用一種高精度的步進電機驅動方案。l297+l298(l6203)的經(jīng)典架構，使用斬波恒流細分的驅動方法，在實際運行中具有良好的升降速曲線。實際運行表明，步進電機運行穩(wěn)定，且具有步距角小、轉矩恒定、功耗低等優(yōu)點。步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的控制元件。在額定功率范圍內，電機的轉速只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機累積誤差較小等特點，使得在速度、位置等領域用步進電機來控制變得較為簡單。但步進電機并不能像普通的直流電機、交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號發(fā)生器、功率驅動電路等組成控制系統(tǒng)驅動后方可使用。在本文中，詳細介紹了一種新穎的電機驅動方案，它具有功耗低，精度高，使用靈活等優(yōu)點。在步進電機驅動系統(tǒng)中，最重要的就是電流驅動及功率放大部分。本系統(tǒng)中，該部分選用的是l297+l298構架，適用于對雙極性兩相步進電機或單極性四相步進電機的控制。l297主要用來接收信號脈沖，從而產(chǎn)生對功率級電路控制信號。l298為雙h橋驅動器，可用來驅動電壓為46v、每相電流為2.5 a以下的步進電機。若負載需更大電流驅動，可使用l297+雙l6203組合。 l297的主要功能是譯碼器，它根據(jù)接受驅動脈沖信號產(chǎn)生所需的相序。為了獲得電動機良好的速度和轉矩特性，相序信號是通過兩個pwm斬波器對電動機控制，每個斬波器用于雙極性步進電動機的其中一相或用于單極性步進電機的每對繞阻。電機驅動模塊電路硬件設計如圖2-8。圖2-8 電機驅動模塊2.3.5舵機模塊目前的工業(yè)控制一般采用pid控制，擁有結構簡單、工作穩(wěn)定、魯棒性強等優(yōu)點，然而對于數(shù)學模型難以建立的復雜非線性系統(tǒng)，控制效果卻很難達到要求。模糊pid控制是近年來逐步發(fā)展起來的一種新型智能pid控制方法，將模糊控制與pid控制結合起來，既具有模糊控制靈活的特點，又具有傳統(tǒng)pid控制精度高、魯棒性好的特點。這種控制器無論對復雜系統(tǒng)還是高精度系統(tǒng)，都有較好的控制效果。為克服auv舵機系統(tǒng)摩擦、飽和等非線性因素的影響，全面改善系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性，本系統(tǒng)采用模糊pid控制方式，設計出了舵機控制器。由于普通的模糊pid控制器隸屬度函數(shù)和控制規(guī)則一經(jīng)確定無法更改，因此適應性較差 。針對此情況，采用變論域思想對模糊pid控制器做了改進。舵機系統(tǒng)正常工作時，由指令控制信號與反饋信號組成綜合控制信號，經(jīng)過舵機控制器，產(chǎn)生脈寬調制信號，驅動功率放大器，從而帶動伺服電機進行轉動，通過減速器至舵機軸輸出，從而形成一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)。舵機回路基本結構圖如圖2-9所示。 圖2-9舵機的控制結構模糊pid控制器由一個模糊控制器和pid控制器并聯(lián)組成。當系統(tǒng)偏差較大時，模糊pid控制器的輸出主要取決于模糊控制輸出。當系統(tǒng)偏差較小時，模糊pid控制器的輸出主要取決于pid控制輸出。對于此舵機系統(tǒng)，取切換點為0.5。設計步驟如下：(1)取偏差 和偏差變化率 c作為輸入，控制量u作為輸出，基本論域為：(-66 v，66 v)；cc：(-10 vs，10 vs)； (-33 v，33 v)。取7個語言變量：負大、負中、負小、零、正小、正中、正大，輸入輸出變量的模糊子集均為：nb，m，ms，zo，p-s，pm，pb)，論域均為：-3，-2，-1，0，1，2，3；(2)確定隸屬度函數(shù)。輸人輸出變量的隸屬度函數(shù)均選取高斯型分布； (3)確定模糊規(guī)則。根據(jù)偏差 和偏差的變化率對輸出特性的影響； (4)去模糊。本文采用工業(yè)控制中常用的加權平均法來實現(xiàn)去模糊。該法以論域中的每個元素(-1，2， ，n)為待判決輸出模糊集合的隸屬度()的加權系數(shù)，即取乘積，再計算對隸屬度函數(shù)和的平均值。 2.3.6電源模塊系統(tǒng)的工作都離不開電，為了解決各個模塊之間的電源問題，控制板電源選用cs51414、mic4690開關穩(wěn)壓芯片分別提供5v和3.3v電壓，cs51414是1.5a，520khz固定頻率工作的降壓型dc/dc轉換器。c51414能夠在輸入電壓4.5v到40v范圍內工作，采用v2tm控制結構能提供無與倫比的瞬態(tài)反應，非常適合當今的高速邏輯電路的應用。cs51414提供高偏壓功能，從而達到最大的電壓驅動效率，靜態(tài)電流僅為85a。器件采用標準的8引腳小尺寸集成電路封裝，可完全兼容lt1376。所以本系統(tǒng)控制板電源選用cs51414、mic4690開關穩(wěn)壓芯片分別提供5v和3.3v電壓。電源模塊硬件電路的具體設計如下圖2-10。圖2-10 電源模塊19第三章 系統(tǒng)軟件設計3.1系統(tǒng)軟件工作流程系統(tǒng)軟件設計主要有hcs12x（圖像采集及處理）核的程序及xgate（電機控制及以太網(wǎng)通信）核的程序兩部分。hcs12x（圖像采集及處理）主要完成圖像采集及處理，以提取目標位置，確定搜索路徑等提供上層策略。xgate（電機控制及以太網(wǎng)通信）主要完成電機控制以及以太網(wǎng)通信任務。3.1.1 hcs12x（圖像采集及處理）工作流程系統(tǒng)開機上電后，進行自動初始化，然后緊接著環(huán)保車等待圖像采集過程的結束，判斷是否有白色垃圾的存在。如果存在特定的白色垃圾，且當垃圾距離遠的時候，環(huán)保車就會調用跟蹤程序，去跟蹤目標，直到到達目標的周圍，自動接近目標。當?shù)竭_目標垃圾的一定范圍內后，環(huán)保車就會調用目標拾取程序，通過控制舵機系統(tǒng)，將目標拾取到車載箱中。當然如果圖像采集完畢后目標垃圾的位置滿足舵機的范圍，系統(tǒng)就會直接控制舵機，拾取目標，然后記錄當前的位置，最后規(guī)劃搜索路徑，重新開始圖像采集。在系統(tǒng)中我們使用了大量的狀態(tài)機制進行各種狀態(tài)的判別和調用。打開圖像采集數(shù)據(jù)庫，提取圖像的數(shù)據(jù)，然后進行邊緣提取，計算封閉區(qū)域的面積及形狀。如果滿足設定范圍值，那么記錄位置和目標的大小，同時上傳給主控器可以拾取的信號，然后開啟其他狀態(tài)操作；如果沒有發(fā)現(xiàn)特定目標，上傳給主控器搜索信號，開啟搜索狀態(tài)。為了更好地完成各個部分的功能，在通信我們加入了大量的協(xié)議并且使用了多種狀態(tài)機制，達到了通信穩(wěn)定和狀態(tài)切換的目的。hcs12x（圖像采集及處理）程序流程圖中主函數(shù)如圖3.1所示, 圖像處理函數(shù)圖3-2所示。 圖3-1主函數(shù)程圖圖3-2圖像處理函數(shù)程圖3.1.2 xgate（電機控制及以太網(wǎng)通信）工作流程在通信過程如圖3-2，我們采用了通信協(xié)議和狀態(tài)機制，在這里因為用的以太網(wǎng)加上我們的標準，采取每次發(fā)送1.2kb的數(shù)據(jù)包，也就是說，一次正確的通信，我們發(fā)送或者接收了1.2kb的數(shù)據(jù)包。通過對數(shù)據(jù)包的特定分析，得到了我們想要的數(shù)據(jù)，也是通過這些數(shù)據(jù)，我們傳遞給上層函數(shù)，控制電機的狀態(tài)。而在電機控制中，系統(tǒng)采用了中斷的方式，這樣就可以處理緊急的情況，避免機器人小車失控。圖3-3以太網(wǎng)通信過程函數(shù) 圖3-4 電機控制函數(shù)3.2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)及算法分析 3.2.1 圖像采集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理目前，基于pc機的視覺處理算法有很多，但在基于微處理器的視覺系統(tǒng)中，系統(tǒng)在硬件資源和處理速度上都無法與pc機相比。特別是在有實時性要求的情況下，需要編寫適合mc9s12xep100系統(tǒng)特點的快速有效的算法。下面編寫的算法都是根據(jù)這個思想來編寫的。顏色跟蹤：顏色跟蹤的任務可以分解為顏色標定和顏色分割兩個步驟。顏色標定的任務是通過一個已知的顏色，找出其在顏色空間內與之對應的一個封閉區(qū)域。顏色分割則是通過比較器判斷圖像中像素點在顏色空間中是否落在標定的空間內，若在已標定的空間內，則認為其顏色與已標定的顏色一樣，這樣就可以根據(jù)標定的封閉區(qū)域識別出圖像中具有與標定顏色相同的物體。為了滿足不同情況下應用的需求，顏色跟蹤設置了2種模式。(1)幀處理模式該模式需要用戶輸入要跟蹤的r、g、b三個顏色邊界，構成一個rgb跟蹤的顏色空間。然后處理器從圖像的左上角開始，順序逐行逐點的檢查每一個像素。如果被檢查的像素正好落入用戶定義的顏色范圍，就將這個像素標記為跟蹤的；同時，需要記錄被跟蹤點中的最高點、最低點、最左點和最右點。如果檢測到的像素位置在當前跟蹤區(qū)域的標記框外，則需要增大標記框來包含該像素；同時，需要記錄符合要求的像素的數(shù)量，當一幀圖像掃描完成后，可以分別用符合要求的點的橫縱坐標和除以符合要求的像素點數(shù)，得出被追蹤物體的中心坐標 。這樣在對一幀圖像的一次掃描后，就可以得到被跟蹤物體的中心坐標，同時處理器只需記錄較少的全局變量，在時間復雜度和空間復雜度上都適合嵌入式系統(tǒng)。上述方法中，只有一個跟蹤點就可以改變標記框，因此如果在跟蹤過程中出現(xiàn)噪聲點，就會對標記框產(chǎn)生影響。去噪的思想是：如果一個像素點周圍的其他點也落在用戶輸入的rgb范圍內，那么這個點就被認為是符合要求的。(2 )行處理模式與幀處理模式不同的是，行處理模式在掃描完一行數(shù)據(jù)后就記錄下所在行中符合要求的連續(xù)點的最左端坐標和最右端坐標，不妨分別記為(xnl，ynl)和(xnr，ynr)。在一幀圖像處理完成后，會得到圖3所示的圖形 。根據(jù)得到的結果，可以計算出更多關于跟蹤物體的信息：計算區(qū)域面積。計算每條線段的長度l(n)，然后將l(n)進行累積疊加，即可獲得跟蹤區(qū)域面積值s。圖3-4行處理得到的線形圖識別物體的形狀。根據(jù)得到的每行跟蹤點的長度，以及同一行中有幾段符合要求的連續(xù)跟蹤點,可以得知物體從攝像頭角度看到的形狀。特別是在檢測平面上線條時,可以識別是否有分支這一點是幀處理模式無法做到的。 需要指出的是，行處理模式雖然會得到關于跟蹤目標的更多信息，但是每行處理的方式增大了處理器的負擔，處理速度也沒有幀處理快。3.2.2 提高系統(tǒng)的工作速率目前，系統(tǒng)工作在幀處理模式下的工作速率是25幀s，作為系統(tǒng)功能的驗證，這里采用的算法是顏色跟蹤。如果僅做純粹的圖像采集，而不做圖像處理，那么系統(tǒng)可以達到ov6620的最高工作速率，即6o幀s。而在圖像處理方面，不同的圖像處理程序效率對系統(tǒng)的工作頻率有較大的影響。下面給出在通用arm 處理器下提高程序效率的幾個建議：內嵌(inline)可通過刪除子函數(shù)調用的開銷來提高性能。如果函數(shù)在別的模塊中不被調用，一個好的建議是用static標識函數(shù)；否則，編譯器將在內嵌譯碼里把該函數(shù)編譯成非內嵌的；在for()，while()dowhile()的循環(huán)中，用“減到0”代替“加到某個值”。比如：for(1oop = 1；loop = total；loop+十)/add和cmp替換為：for(1oop = total；loop !： 0；loop一一) /subs第1種方式比較需要2條指令add和cmp，而第2種方式只需一條指令subs；避免使用大的局部結構體或數(shù)組，可以考慮用malloc/free代替；避免使用遞歸。時序邏輯部分主要完成對圖像傳感器時序信號的識別。27第四章 試驗及數(shù)據(jù)分析4.1 模糊pid控制在電機中的試驗模糊pid控制器由一個模糊控制器和pid控制器并聯(lián)組成。當系統(tǒng)偏差較大時，模糊pid控制器的輸出主要取決于模糊控制輸出：當系統(tǒng)偏差較小時，模糊pid控制器的輸出主要取決于pid控制輸出。對于此舵機系統(tǒng)，取切換點為 0.5。階躍響應如下圖4-1和圖4-2所示。圖4-1普通pid控制階躍響應圖4-2變速積分階躍響應4.2 以太網(wǎng)通信試驗數(shù)據(jù)影響以太網(wǎng)通信延遲的主要因素是站點數(shù)目和通信速率, 也就是說網(wǎng)絡負荷是造成通信延遲的主要原因。下面通過matlab 軟件進行仿真, 分析這2 個參數(shù)對以太網(wǎng)實時能力的影響。4.2.1站點數(shù)目(n)對通信延遲的影響在工業(yè)控制應用中, 站點間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大多數(shù)為短信息幀,在基金會現(xiàn)場總線協(xié)議中,幀的數(shù)據(jù)長度可為64 , 128 , 256 字節(jié)。假設以太網(wǎng)的幀長度為256 字節(jié), 遠方終端(rtu) 和監(jiān)控主站間以太網(wǎng)的通信速率為10mb/ s ,傳輸介質長度為100m ,則仿真結果如圖4-3所示。圖4-3 不同站點數(shù)目下的通信延遲圖由圖4-3 可見, 當站點數(shù)目較少(少于15個時),通信延遲時間很短, 小于4ms;當站點數(shù)目超過15個后,沖突會加劇,延遲時間以指數(shù)增長。按照國際相關標準的要求,對于實時性要求最高的變電站保護觸發(fā)命令,其通信延遲時間極限為4ms。因此,設計監(jiān)控系統(tǒng)時,只要把站點數(shù)目限制在15個之內,就能滿足監(jiān)控系統(tǒng)的實時性要求。4.2.2通信速率對通信延遲的影響以太網(wǎng)的通信速率在不斷提高,假設把系統(tǒng)中rtu 和監(jiān)控主站間以太網(wǎng)的通信速率提高到100mb/s和1000mb/s,傳輸介質長度仍為100m ,幀長度為256 字節(jié), 仿真結果如圖4-4 所示。圖4-4不同通信速率下的通信延遲圖由圖4-4可見,當以太網(wǎng)的通信延遲時間為4ms時,對于10mb/s的通信速率,同一網(wǎng)段上的站點可為15個;對于100mb/s的通信速率,同一網(wǎng)段上的站點可增到20個;對于1000mb/s的通信速率,同一網(wǎng)段上的站點可增到35個,甚至更多。當網(wǎng)段上的站點相同時,1000mb/s以太網(wǎng)的通信延遲時間比100,10mb/s以太網(wǎng)的通信延遲時間少?？梢?提高以太網(wǎng)的通信速率可滿足監(jiān)控系統(tǒng)的實時性要求。4.2.3 改善以太網(wǎng)實時特性為了滿足監(jiān)控系統(tǒng)的實時性要求,可采用以下2 種方法減少以太網(wǎng)的沖突延遲時間。1. 提高以太網(wǎng)通信速率。這意味著網(wǎng)絡負荷的減輕、沖突的減少、通信延遲時間的縮短。若網(wǎng)段上的站點數(shù)目相同, 隨著通信速率的提高, 通信延遲時間會大大縮短, 完全滿足遠動監(jiān)控系統(tǒng)的實時性要求。目前100 , 1000mb/ s 以太網(wǎng)已經(jīng)投入使用, 10gb/ s 以太網(wǎng)正在研制, 因此通過提高以太網(wǎng)通信速率來滿足監(jiān)控系統(tǒng)實時性要求的方法是完全可行的。2. 采用交換式以太網(wǎng)取代傳統(tǒng)的共享式以太網(wǎng)。即在系統(tǒng)中增加交換式集線器, 且集線器每個端口的工作站不超過15 個, 這樣每個工作站能有10mb/ s 帶寬, 減少沖突, 降低通信延遲時間, 滿足監(jiān)控系統(tǒng)實時性的要求。另外, 交換式以太網(wǎng)負載較重時, 可以根據(jù)ieee 80211p 標準, 給不同信息分配優(yōu)先權。緊急事件信息具有最高優(yōu)先權, 不必在交換機緩沖器中排隊, 優(yōu)先被傳輸。這種報文優(yōu)先級技術, 使工業(yè)控制中的緊急事件及時傳輸,從而改善了以太網(wǎng)的實時響應能力。4.3數(shù)據(jù)結果分析本系統(tǒng)通過一系列的matlab仿真，可以得出：智能環(huán)保衛(wèi)士機器人工作啟動正常，預設基本功能均能實現(xiàn)，工作偏差極小，動作誤差基本在誤差范圍內。并且，通過系統(tǒng)仿真實驗得出的數(shù)據(jù)進行特定誤差分析，得出：系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)處理算法較為準確，系統(tǒng)性能的實現(xiàn)穩(wěn)定性較好，處理范圍覆蓋面全，經(jīng)過更加細致的誤差分析處理后，對智能環(huán)保機器人系統(tǒng)的工作參數(shù)進行了補償修改，使系統(tǒng)工作更加有效。33吉林工程技術師范學院論文結 束 語本文基于傳感器和單片機，利用低功耗cmos圖像傳感器，mc9s12xep100單片機為主控芯片，小型舵機和步進電機為驅動元件，通過軟件編程，制作了一個價格低廉，結構模塊化的智能環(huán)保衛(wèi)士機器人小車。經(jīng)過對機器人的整體實驗、分析，證明機器人根據(jù)白色垃圾特征，進行特征匹配，以完成自動垃圾識別，速度控制響應快，動態(tài)性能良好，穩(wěn)態(tài)誤差較小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力強。設計了基于數(shù)字圖像處理技術的智能白色垃圾識別系統(tǒng)，采用cmos數(shù)字圖像傳感器識別白色垃圾；采用以太網(wǎng)通信技術同internet聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)雙向互通；設計了斬波恒流細分步進電機驅動方案，驅動機器人拾取和回收目標垃圾；軟件上采取了模糊pid算法，實現(xiàn)靈活的機器人控制；設計了最優(yōu)化的垃圾搜尋路線確定算法，使機器人高效快捷地尋找目標垃圾。系統(tǒng)采用數(shù)字圖像處理技術對白色垃圾圖像進行識別，運用模糊pid算法的舵機系統(tǒng)控制電機驅動部分，采用步進電機對目標垃圾進行拾取和回收。根據(jù)服務性機器人的特點及需求，采用無線以太網(wǎng)接入internet網(wǎng)，對機器人進行智能遠程操控。基于數(shù)字圖像處理技術結合以太網(wǎng)通信技術的環(huán)保機器人代替手動人力清掃白色垃圾的方案是可行的。智能環(huán)保機器人是綜合多門學科的前沿課題，有著非常廣泛的應用前景，但要到達人們設想的高度智能化還有很長的距離，它的發(fā)展與圖像處理、模式識別、檢測、控制等諸多技術的進一步提高密切相關，需要堅持不懈的探索和研究。35參考文獻參考文獻【1】邵貝貝單片機嵌入式應用的在線開發(fā)方法m北京：清華大學出版社，2004【2】日船倉一郎等著，宋光華等譯機器人控制電子學m北京：科學出版社，2004【3】吳建輝印制電路板的電磁兼容性設計m北京：國防工業(yè)出版社，2005【4】王水平pwm 控制與驅動器使用指南及應用電路m西安電子與科技大學出版社，2004【5】 美steven fbrett，daniel 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