智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)報(bào)告

智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、了解廣茂達(dá)智能小車的工作原理；2、通過實(shí)際操作理解小車各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)方法；3、掌握對(duì)小車功能的編程及調(diào)試方法；4；通過實(shí)驗(yàn)促進(jìn)對(duì)理論課學(xué)習(xí)到的知識(shí)的理解。實(shí)驗(yàn)原理：實(shí)驗(yàn)一：遙操作實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)利用信號(hào)發(fā)射器將操作平臺(tái)給出的控制信號(hào)發(fā)射出去，接收器調(diào)至適當(dāng)?shù)念l道后接受控制信號(hào)并控制小車的動(dòng)作。將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)類型劃分為五種：前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止。在下位機(jī)開發(fā)環(huán)境中編程，分別規(guī)定這五種運(yùn)動(dòng)控制字分別是：a、b、c、d、e。即上位機(jī)向機(jī)器人發(fā)送字符a時(shí)，機(jī)器人便開始前進(jìn)，發(fā)送其他控制字依次類推。在上位機(jī)VC環(huán)境下編程實(shí)現(xiàn)這五種運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的鍵是："↑"鍵、"↓"鍵、"←"鍵、"→"鍵、"Space"鍵(即空格鍵)，或按下五個(gè)按鈕分別向串口發(fā)送不同的控制字符。這樣當(dāng)按下"↑"鍵(當(dāng)操作方式選擇”按鍵操作”時(shí))或按下”前進(jìn)”按鈕(當(dāng)操作方式選擇”按鈕操作”時(shí))，上位機(jī)通過串口發(fā)送字符a，機(jī)器人接受到字符a后便開始前進(jìn)。按下其他控制鍵或其他控制按鈕，道理與此類似。實(shí)時(shí)視頻顯示區(qū)用于動(dòng)態(tài)顯示無線攝像頭采集的視頻信息。彩色視頻開關(guān)組框下有兩個(gè)按鈕：彩色視頻開和彩色視頻關(guān)，通過這兩個(gè)按鈕可以控制彩色視頻的開與關(guān)，在實(shí)時(shí)視頻顯示區(qū)就可以顯示小車上攝像頭所拍攝到的畫面。實(shí)驗(yàn)二：自主路徑跟蹤實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)綠色和白色的RGB閾值，使得經(jīng)過閾值分割后在視頻處理后顯示區(qū)中綠色背景和白色條紋可以明顯分辨開來，處理后的畫面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，程序中規(guī)定只有當(dāng)每行的白色像素點(diǎn)超過35個(gè)，而滿足這個(gè)條件的行超過80行時(shí)，才認(rèn)為在機(jī)器人視野范圍存在白線，但是如果由于各種原因機(jī)器人在行進(jìn)過程中可能偏離白線較遠(yuǎn)，這時(shí)候機(jī)器人不能不作反應(yīng)，因?yàn)樵谒曇胺秶鷥?nèi)的局部的白線仍是可以利用的，可以認(rèn)為只要靠近這些局部的白線機(jī)器人仍可能找到白線。程序中規(guī)定當(dāng)機(jī)器人視野范圍內(nèi)滿足白色像素點(diǎn)超過35個(gè)的行大于10而小于80時(shí)，機(jī)器人仍然作出反應(yīng)，向靠近這些局部白線的方向運(yùn)動(dòng)。這樣，小車會(huì)朝著本次所確定的目標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)，并同時(shí)進(jìn)行下一次處理、分析與統(tǒng)計(jì)，這樣邊前進(jìn)邊處理，不斷沿著白線方向運(yùn)動(dòng)，便實(shí)現(xiàn)了循線的功能。另外，界面主要按鍵功能如下：開始采集――在視頻處理后顯示區(qū)顯示視頻信息結(jié)束采集――在視頻處理后顯示區(qū)停止顯示閾值分割后的視頻信息閾值分割――對(duì)實(shí)時(shí)視頻顯示區(qū)顯示的圖像進(jìn)行閾值分割，并在視頻處理后顯示區(qū)顯示閾值分割后的視頻信息啟停機(jī)器人――啟動(dòng)或停止機(jī)器人閾值調(diào)節(jié)――打開閾值調(diào)節(jié)界面,參數(shù)設(shè)置――打開參數(shù)設(shè)置界面視頻配置――打開視頻配置對(duì)話框?qū)嶒?yàn)三：目標(biāo)搜索實(shí)驗(yàn)該實(shí)驗(yàn)中同樣要先根據(jù)攝像頭反饋回并經(jīng)過處理后的圖像進(jìn)行閾值調(diào)節(jié)，直到紅綠藍(lán)三種顏色可以清楚的分辨出來并且有足夠清晰地邊緣，在這種情況下：(1)掃描目標(biāo)物采用逐行掃描方式，程序中規(guī)定只要在機(jī)器人視野范圍內(nèi)每行符合目標(biāo)物顏色的像素?cái)?shù)超過45，而滿足這個(gè)條件的行數(shù)超過10，就認(rèn)為找到了目標(biāo)物。另外，程序采用尋找目標(biāo)物優(yōu)先處理策略，即如果在機(jī)器人視野范圍內(nèi)同時(shí)存在目標(biāo)物和障礙物，處理目標(biāo)物的程序段優(yōu)先執(zhí)行。根據(jù)目標(biāo)物的大小，閾值45和10可以改變。如果機(jī)器人在行進(jìn)過程中成功找到了目標(biāo)物，則機(jī)器人立即停止運(yùn)行，并蜂鳴以示意找到了目標(biāo)物。(2)掃描障礙物采用逐行掃描方式，程序中規(guī)定只要在機(jī)器人視野范圍內(nèi)每行符合障礙物顏色的像素?cái)?shù)超過45，而滿足這個(gè)條件的行數(shù)超過10，就認(rèn)為找到了障礙物。根據(jù)障礙物的大小，閾值45和10可以改變。如果機(jī)器人在行進(jìn)過程中遇到了障礙物，則機(jī)器人將以0.5的概率隨機(jī)向左或向右轉(zhuǎn)彎以比躲避障礙物。(3)掃描邊緣采用隔五行掃描方式，程序中根據(jù)編程的需要，將機(jī)器人在行進(jìn)過程中可能遇到的邊緣分為五種：上邊緣、下邊緣、左邊緣，右邊緣和拐角處邊緣。上邊緣是指邊緣處在機(jī)器人視野范圍內(nèi)的上半部分，同理，下邊緣是指邊緣處在機(jī)器人視野范圍內(nèi)的下半部分，左邊緣是指邊緣處在機(jī)器人視野范圍內(nèi)的左半部分，右邊緣是指邊緣處在機(jī)器人視野范圍內(nèi)的右半部分。上邊緣和下邊緣都屬于行邊緣，左邊緣和右邊緣都屬于列邊緣。拐角處邊緣是指左邊緣和右邊緣同時(shí)出現(xiàn)在機(jī)器人視野范圍內(nèi)，這是一種特殊情況，需要特殊處理。行邊緣的條件是：在機(jī)器人視野范圍內(nèi)每行符合邊緣顏色的像素?cái)?shù)超過80，而滿足這個(gè)條件的行數(shù)超過15。列邊緣的條件是：在機(jī)器人視野范圍內(nèi)每行符合邊緣顏色的像素?cái)?shù)超過30，而滿足這個(gè)條件的行數(shù)超過50。拐角處邊緣的條件是：在機(jī)器人視野范圍內(nèi)左邊緣和右邊緣同時(shí)存在，且左和右邊緣每行符合邊緣顏色的像素?cái)?shù)都超過30，而滿足這個(gè)條件的行數(shù)都超過25。經(jīng)過上述處理，機(jī)器人便可順利地分辨出目標(biāo)和障礙物，實(shí)現(xiàn)避障和尋找目標(biāo)的功能。實(shí)驗(yàn)器材及環(huán)境：帶有攝像頭的廣茂達(dá)智能小車（已經(jīng)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)程序下載到其中），有VJC編譯環(huán)境、攝像頭調(diào)試程序及智能機(jī)器人教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的計(jì)算機(jī)，無線發(fā)射及接收裝置，電池，有白色線條的綠色地板以及有紅色目標(biāo)和藍(lán)色障礙物的運(yùn)動(dòng)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)一遙操作實(shí)驗(yàn)它支持兩種方式遙操作機(jī)器人：按鈕操作和按鍵操作。了解操作面板實(shí)現(xiàn)的功能：實(shí)時(shí)視頻顯示區(qū)用于動(dòng)態(tài)顯示無線攝像頭采集的視頻信息，通過得到的3D圖像來指導(dǎo)遙控操作；機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)顯示用于顯示當(dāng)前機(jī)器人五種運(yùn)行狀態(tài)：前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止；按鈕操作區(qū)有五個(gè)按鈕，通過點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕可以控制機(jī)器人作相應(yīng)運(yùn)動(dòng)；彩色視頻開關(guān)組框下有兩個(gè)按鈕：彩色視頻開和彩色視頻關(guān)；通過這兩個(gè)按鈕可以控制彩色視頻的開與關(guān)；遙操作說明組框用于說明當(dāng)遙操作方式為按鍵操作時(shí)控制機(jī)器人作相應(yīng)運(yùn)動(dòng)的五個(gè)控制鍵："↑"鍵、"↓"鍵、"←"鍵、"→"鍵、"Space"鍵(即空格鍵)。通過攝像頭反饋回來的圖像來進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制，熟悉遙操作的各種操作。實(shí)驗(yàn)二路徑跟蹤實(shí)驗(yàn)了解操作面板能實(shí)現(xiàn)的功能：實(shí)時(shí)視頻顯示區(qū)用于動(dòng)態(tài)顯示無線攝像頭采集的視頻信息，視頻處理后顯示區(qū)用于顯示經(jīng)過閾值分割后的視頻圖像信息；彩色視頻開關(guān)組合框下有兩個(gè)按鈕：彩色視頻開和彩色視頻關(guān)。通過這兩個(gè)按鈕可以控制彩色視頻的開與關(guān)；機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)顯示用于顯示當(dāng)前機(jī)器人五種運(yùn)行狀態(tài)：前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止。能熟練的掌握通過閾值調(diào)節(jié)和參數(shù)設(shè)定來設(shè)定路徑的各種特征，讓機(jī)器人能按著設(shè)定值來跟蹤路徑，以實(shí)現(xiàn)拐彎等功能。實(shí)驗(yàn)三目標(biāo)搜索實(shí)驗(yàn)了解操作面板能實(shí)現(xiàn)的功能：實(shí)時(shí)視頻顯示區(qū)、視頻處理后顯示區(qū)及彩色視頻顯示組合框的作用同實(shí)驗(yàn)二；顏色采樣組合框用于選擇目標(biāo)物顏色和障礙物顏色，默認(rèn)情況下目標(biāo)物為紅色，障礙物為藍(lán)色；點(diǎn)選坐標(biāo)后的編輯框用于顯示坐標(biāo)值，當(dāng)用鼠標(biāo)在視頻處理后顯示區(qū)點(diǎn)擊一下，該點(diǎn)的坐標(biāo)值便在編輯框內(nèi)顯示出來。通過顏色采樣組合框來設(shè)定目標(biāo)物和障礙物的顏色，并且利用到實(shí)驗(yàn)二的閾值設(shè)定來獲得較好的顏色比對(duì)，來完成對(duì)目標(biāo)的搜索和閃避障礙物。實(shí)驗(yàn)過程：實(shí)驗(yàn)一遙操作實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)開始前應(yīng)該安裝攝像頭的驅(qū)動(dòng)程序，成功安裝后單獨(dú)打開攝像頭程序，調(diào)節(jié)好分辨率后再進(jìn)行下一步的實(shí)驗(yàn)操作。接著進(jìn)入遙操作實(shí)驗(yàn)的程序界面，按下彩色視頻開按鈕，可以獲得機(jī)器人攝像頭捕抓到的圖像，因?yàn)閳D像時(shí)通過無線來傳遞的，因此要調(diào)節(jié)好發(fā)生器和接收器的頻率，使接收到的信號(hào)清晰和穩(wěn)定。根據(jù)實(shí)時(shí)圖像來操控機(jī)器人的動(dòng)作。按鈕操作區(qū)有五個(gè)按鈕，通過點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕可以控制機(jī)器人作相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。亦可通過上下左右和空格鍵來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)中要注意攝像頭的空間位置，應(yīng)使攝像頭能捕抓到足夠大的視角，方便機(jī)器人的操控。還要觀察機(jī)器人的操控的靈敏性，看其反應(yīng)時(shí)間的長短，能否實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)操控?？梢赃m當(dāng)?shù)脑黾右恍┍谡系膭?dòng)作的遙控，看操控的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)二路徑跟蹤實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)開始時(shí)應(yīng)該檢查線路是否完整和攝像頭能否正常工作。進(jìn)入程序主界面，接下來把機(jī)器人拿到路徑跟蹤實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)地，打開攝像頭，并且按下彩色視頻開按鈕，接著按下開始采集。對(duì)于攝像頭顯示的區(qū)域，我們的任務(wù)就是調(diào)節(jié)閾值使得白色的線和藍(lán)色的背景能明顯的區(qū)分開來。界面中有一個(gè)顏色采樣組框。它的設(shè)計(jì)是為了方便閾值調(diào)節(jié)。用鼠標(biāo)在圖像處理后顯示區(qū)點(diǎn)擊一下，該點(diǎn)的RGB及rgb值便會(huì)顯示出來。在RGB彩色模型下每一種顏色均由RGB三個(gè)分量組成，而rgb是RGB的歸一化處理。實(shí)踐證明,rgb與RGB相比，前者受光線的亮暗的影響比后者要小一些。所以采用它就使得閾值分割中閾值的選取要相對(duì)容易一些。不斷的點(diǎn)擊視頻區(qū)中白色區(qū)域，以獲得reb的最大值和最小值，使得這個(gè)區(qū)域內(nèi)的閾值能很好的指導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行路徑跟蹤實(shí)驗(yàn)，并且我們還要有估計(jì)的能力，能通過數(shù)據(jù)來預(yù)估最好的上下限。同理，對(duì)于藍(lán)色區(qū)域的閾值調(diào)節(jié)也這樣操作。接著進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定，主要是白線的參數(shù)設(shè)定，找出最低的像素來設(shè)定，使得機(jī)器人能識(shí)別出白線,沿著這條白線進(jìn)行路徑跟蹤實(shí)驗(yàn)。為了取得最好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)該不斷的重復(fù)進(jìn)行實(shí)地的實(shí)驗(yàn)，即不斷的修改參數(shù)和攝像頭的角度，以期獲得最好的路徑，使得機(jī)器人能沿著白線運(yùn)行，而且能很好的拐彎。為了防止實(shí)驗(yàn)中反射光線的影響，在閾值調(diào)節(jié)的時(shí)候就要有明確的區(qū)分。實(shí)驗(yàn)三目標(biāo)搜索實(shí)驗(yàn)彩色視頻開按鈕按下，將機(jī)器人放到試驗(yàn)實(shí)地區(qū)域，將紅色目標(biāo)物和藍(lán)色障礙物布置好。然后進(jìn)行閾值調(diào)節(jié)，閾值調(diào)節(jié)的過程和實(shí)驗(yàn)二基本一致，調(diào)節(jié)的目的都是使得能很好的分辨出藍(lán)色和紅色，但要實(shí)地的考慮到反光的影響。接下來進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置，即設(shè)置目標(biāo)物和障礙物尺寸的大小，尺寸不能太大也不能太小，太大的話一開始搜索就能立即搜索到，但是太小的話會(huì)受到其他因素的影響，搜索結(jié)果不一定正確。因此，要把目標(biāo)物和障礙物的尺寸設(shè)置在一個(gè)合適的尺寸，可以通過重復(fù)試驗(yàn)得出尺寸的一個(gè)大概值。最后，按下啟動(dòng)機(jī)器人鍵，通過攝像頭就可以觀察到前方的情況，假如機(jī)器人發(fā)出“滴”的聲音，就可以知道機(jī)器人很好的搜索到目標(biāo)物和成功的壁障。試驗(yàn)的關(guān)鍵是閾值的設(shè)定和物體尺寸大小的設(shè)定。實(shí)驗(yàn)中遇到的問題及解決：1.A.問題：開始沒有調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)射器和接收器的頻道，沒讓它們匹配，導(dǎo)致不能識(shí)別控制，后來與其他組的信號(hào)發(fā)生交叉，導(dǎo)致控制錯(cuò)位。B.原因分析:沒有進(jìn)行較好的頻道調(diào)節(jié)。C.解決方案：反復(fù)調(diào)節(jié)頻道，直到控制成功且和其他組的沒有信號(hào)交叉。記下當(dāng)前的頻道數(shù)，每次開始做時(shí)就以這個(gè)頻道值為基準(zhǔn)。2.A.問題:視頻上捕獲的圖像出現(xiàn)雪花，很不清晰。B.原因分析:a.亮度、對(duì)比度、灰度、色調(diào)、銳度及飽和度；沒有調(diào)到最佳的狀態(tài)b.沒有將分辨率更改為320X240，像素深度更改為RGB24C.解決方案:a.在視頻配置對(duì)話框下，點(diǎn)擊”視頻源”按鈕，在彈出視頻源配置對(duì)話框中分別調(diào)整亮度、對(duì)比度、灰度、色調(diào)、銳度及飽和度，直至圖像顯示效果令人滿意為止.b.在視頻式配置對(duì)話框下，點(diǎn)擊”視頻格式”按鈕，在彈出視頻格式配置對(duì)話框中，將分辨率更改為320X240，像素深度更改為RGB24。3.A.問題:讓小車尋白線運(yùn)動(dòng)時(shí)，小車不能嚴(yán)格按照白線行走。B.原因分析:由于綠色背景的總會(huì)反光，反光部分視頻捕獲到的是白色，所以與白色條紋所相混，導(dǎo)致機(jī)器人判斷失誤。C.解決方案:由于這個(gè)屬于儀器的系統(tǒng)誤差，所以只能盡量減小誤差的大小，盡量使白光的閾值調(diào)節(jié)準(zhǔn)確，使白光和背景的反光能較好的區(qū)分，另外，實(shí)驗(yàn)環(huán)境需要進(jìn)行改善，盡量減少對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。4.A.問題:在做繞開藍(lán)色障礙物尋找紅色物體的實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人總被其他物體的顏色所干擾，導(dǎo)致尋找方向錯(cuò)誤。B.原因分析:有些物體，例如地板，在室內(nèi)光線照射下，成暗紅色，會(huì)混淆目標(biāo)物體。C.解決方案:不斷調(diào)節(jié)目標(biāo)物體顏色的閾值，使之與周圍環(huán)境的紅色分開來。（在避障是也有類似的問題）5.A.問題:目標(biāo)物表面的顏色的閾值隨光線的改變而一直變化，使機(jī)器人無法正常的識(shí)別尋找。B.原因分析:由于目標(biāo)物體表面會(huì)反光，所以在不同光線下，攝像頭捕獲到的顏色的閾值是不同的。C.解決方案:換一個(gè)目標(biāo)物，用紅色的不會(huì)反光的不來代替會(huì)反光的硬紙板。然后精確調(diào)節(jié)它的閾值，同時(shí)盡量保持室內(nèi)光線均勻穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：實(shí)驗(yàn)一：在實(shí)驗(yàn)界面中分別按下“前進(jìn)”、“后退”、“左轉(zhuǎn)”、“右轉(zhuǎn)”及“停止”（或空格），小車均能靈活地按控制信號(hào)運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)二：經(jīng)過對(duì)采樣及閾值參數(shù)的調(diào)節(jié)后，小車能夠順利地在有白線的綠色地板上循線運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)三：經(jīng)過對(duì)紅綠藍(lán)三種顏色閾值的反復(fù)調(diào)節(jié)，小車能夠較為順利地避障和找到目標(biāo)，但由于地板反光及室內(nèi)光線問題，實(shí)際的紅綠藍(lán)閾值會(huì)不斷地發(fā)生較大變化，使得剛剛調(diào)節(jié)好的閾值失效，導(dǎo)致多次重復(fù)同一內(nèi)容，所以實(shí)驗(yàn)環(huán)境應(yīng)做一下改善。心得體會(huì)：總的來說，通過本次智能機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)，讓我們了解了機(jī)器人小車執(zhí)行各種功能的原理和利用的器件。例如：了解了小車最基本的前進(jìn)后退轉(zhuǎn)彎的工作原理，了解了小車如何尋線行駛，了解小車如何避障和尋找目標(biāo)。做完本次實(shí)驗(yàn)后，讓我們親身感受到傳感器在機(jī)器人工作中的運(yùn)用，可以說，機(jī)器人每做一個(gè)任務(wù)都離不開傳感器，從避障，找目標(biāo)物等等任務(wù)中完全體現(xiàn)出來。做完本次試驗(yàn)，體驗(yàn)到實(shí)際實(shí)驗(yàn)與理論的差別，例如，理論上只要調(diào)好白線和背景物顏色的閾值，就可以完全做到精確地尋線行駛，但是實(shí)際中會(huì)出現(xiàn)光線改變導(dǎo)致的顏色的閾值的改變，周圍物體對(duì)小車判斷的各種影響。而且這種影響往往是致命的，會(huì)導(dǎo)致小車的判斷失誤，無法正常工作。以后做此類機(jī)器人的話，必須考慮很多現(xiàn)實(shí)的因素，了解周圍環(huán)境對(duì)機(jī)器人的感知的影響。對(duì)本課程實(shí)驗(yàn)的建議：本課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為簡(jiǎn)單，對(duì)操作要求不高，只要對(duì)原理有所了解基本上都能成功完成實(shí)驗(yàn)，但是在不斷地調(diào)試中，也加深了對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的了解以及對(duì)智能機(jī)器人的反饋和控制方式的認(rèn)識(shí)。結(jié)合我們組在實(shí)驗(yàn)中的問題和收獲，我們想提出以下幾點(diǎn)建議：實(shí)驗(yàn)中增加一些關(guān)于理論課中講到的機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，比如操作一下學(xué)校機(jī)器人比賽中用到的機(jī)器人，或者對(duì)各種類型的（人形、工業(yè)）機(jī)器人做一次參觀等，加深我們對(duì)機(jī)器人的理解；將本實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)控制實(shí)驗(yàn)（一）的廣茂達(dá)小車實(shí)驗(yàn)結(jié)合到一