迎宾机器人视觉跟踪系统研究与控制系统设计

论文摘要

在世界范围内,服务机器人正处于蓬勃发展中,而我国已将机器人技术列入国家中长期科技发展规划。鼓励和扶持发展机器人产业,将推动我国社会服务业、制造业、教育、娱乐行业等相关行业的科技进步和发展。所以对机器人进行研究具有重要的现实和应用意义。人类从外部世界获得的信息约有80%是由视觉获取的,视觉对于机器人来说也是同样重要的。视觉系统就是能对外部事物有一定的感知能力及相应的反应能力。因此,机器人视觉系统的好坏决定了其智能系统水平的高低。而智能化是今后服务机器人发展的主要方向。本文对迎宾机器人视觉控制系统进了研究,并给出了一种适合于迎宾机器人的视觉系统和控制系统的软硬件设计。首先介绍了服务机器人以及机器人视觉的国内外研究现状。以此为基础,对迎宾机器人视觉系统进行研究。提出使用DSP芯片TMS320VC5509A作为核心处理器、扩展程序存储和数据存储电路、视觉传感子系统一同构建了机器人视觉硬件系统。然后根据视觉系统的硬件条件设计视觉算法。文中对比了目前流行的视觉跟踪和识别算法,详细介绍了普通的帧差分法、质心法和模板识别法的原理和算法。在此基础上提出和使用了搜索窗口和二值模板等方法来减小视觉运算复杂度和存储空间要求。其次,本文对机器人控制系统进行了设计。使用了基于ARM7TDMI内核的S3C44BOX作为控制系统核心处理器,运用其高性能、接口丰富、方便移植与扩展等优点,完成了存储系统电路、电源电路、JTAG接口以及电机控制、IIC接口等硬件电路的设计,完成了控制系统硬件电路板的制作与系统安装、调试。再次,本文讨论了将面对对象的分析和设计方法应用在机器人软件系统上。根据本机器人的结构,使用UML对视觉系统和控制系统进行统一分析和设计,提高了应用软件系统并行工作的效率。用Rational Rose Realtime设计并绘制了静态模型中的用例图、类图、包图和动态建模中的状态转移图、泳道图。并以此为基础设计了步进电机控制程序。使用uCLinux作为嵌入式操作系统,完成了IIC和电机的驱动设计。并对所设计的程序进行了上板调试。最后,进行了机器人视觉系统和控制系统实验,并对结果进行了分析。实验表明,所设计的视觉系统和控制系统能够较好地满足迎宾机器人的使用要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 服务机器人技术发展现状
• 1.1.1 机器人与服务机器人的定义与分类
• 1.1.2 服务机器人发展及现状
• 1.2 服务机器人视觉发展及现状
• 1.3 课题研究的意义
• 1.4 课题研究的内容
• 1.5 本章小结
• 2 系统总体方案设计
• 2.1 系统概述
• 2.2 系统原理
• 2.3 硬件系统方案
• 2.4 软件系统方案
• 2.5 本章小结
• 3 视觉系统
• 3.1 视觉硬件系统
• 3.2 技术分析与算法
• 3.2.1 图像滤波
• 3.2.2 图像分割
• 3.2.3 目标的识别
• 3.2.4 运动目标的运动矢量的计算
• 3.3 本章小结
• 4 控制系统硬件设计
• 4.1 ARM 核心电路设计
• 4.1.1 ARM 芯片S3C44B0X 简介
• 4.1.2 系统时钟电路设计
• 4.1.3 复位电路设计
• 4.1.4 JTAG 接口设计
• 4.1.5 Flash 存储器
• 4.1.6 SDRAM 存储器设计
• 4.1.7 电源电路设计
• 4.2 外围电路设计
• 4.2.1 IIC 总线接口设计
• 4.2.2 电机控制电路设计
• 4.3 硬件调试
• 4.4 本章小结
• 5 软件设计
• 5.1 系统软件分析与设计
• 5.1.1 UML 设计语言简介
• 5.1.2 Rational Rose RealTime 设计平台
• 5.1.3 用例图
• 5.1.4 类图
• 5.1.5 包图
• 5.1.6 活动图
• 5.1.7 状态转移图
• 5.2 嵌入式操作系统
• 5.2.1 RTOS 选择
• 5.2.2 uCLinux 简介
• 5.3 BootLoader
• 5.4 驱动程序设计
• 5.4.1 开发和调试平台
• 5.4.2 步进电机控制程序设计
• 5.4.3 IIC 驱动程序设计
• 5.5 本章小结
• 6 实验结果与分析
• 6.1 视觉实验
• 6.1.1 视觉跟踪实验
• 6.1.2 视觉识别实验
• 6.2 控制系统实验
• 6.2.1 实验平台介绍
• 6.2.2 uCLinux 操作系统配置
• 6.2.3 步进电机控制实验
• 6.3 机器人头部伺服控制实验
• 6.4 本章小结
• 7 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录