嵌入式遥操作移动机器人系统设计

论文摘要

基于网络的遥操作机器人将网络技术和机器人技术融合起来,通过计算机网络的发展来扩展机器人控制系统的多样性,使机器人的控制系统可以与网络互联的其他智能设备进行交互、协作,从而使信息、数据的获取将越来越多地享受网络资源,利用网络,成为网络的一员。这就使机器人控制突破距离的限制,真正实现跨区域、跨空间的远程控制,网络也可以借助机器人技术来扩展它的外在延展性。目前基于网络的遥操作机器人大部分处于科研阶段,在网络控制方面进行了大量的研究,而对系统的设计、硬件方面讨论较少。基于这一点,从系统设计的角度出发,针对目前遥操作机器人体积大、功耗高、结构封闭的特点,将嵌入式Linux和计算机网络技术应用于移动机器人系统中,设计一种体积小、功耗低的嵌入式遥操作移动机器人系统将具有重要的实际意义。首先介绍遥操作移动机器人的总体结构和功能,通过分析移动机器人的驱动装置,建立了双轮差分驱动的数学模型;接着在硬件上建立了一种开放式的系统结构,它由微控制器、视觉、测距、无线通讯、运动控制、电源等模块组成,并对每个模块的电路进行了分析和设计;在软件上采用了一种层次化的软件结构,包括传感器数据采集层、操作系统层、设备驱动层、应用软件层,并对各个层次的软件进行了分析和设计,其中重点讨论了应用层软件设计;然后,在搭建的嵌入式遥操作移动机器人平台下进行基于多传感器信息融合的路径规划研究,在路径规划设计中,建立了多传感器信息融合决策模型,通过确立超声波传感器的模糊避障决策模型,并设计了一种基于单目视觉识别采用转换至整形HSV(Hue、Saturation、Value)颜色空间分析和行扫描标记聚类算法来识别目标物体的方法。整个系统具有体积小、功耗低、可裁剪定制、结构开放等优点。最后,对该遥操作机器人系统进行了系统功耗、图像处理方法可行性、路径规划方面进行了具体实验,实验结果表明了该遥操作机器人系统的可行性和稳定性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文主要内容及构成
• 第二章 嵌入式遥操作移动机器人总体设计
• 2.1 系统总体结构
• 2.2 系统总体功能及特点
• 2.3 本章小结
• 第三章 系统硬件体系结构与模块电路设计
• 3.1 硬件体系结构
• 3.2 微处理器模块
• 3.2.1 微处理器选型及介绍
• 3.2.2 微处理器模块最小系统设计
• 3.3 超声波测距模块
• 3.3.1 超声波测距基本原理
• 3.3.2 测距电路
• 3.4 视觉模块
• 3.4.1 摄像头选型
• 3.4.2 摄像头接口电路
• 3.5 无线通讯模块
• 3.5.1 无线通讯模块选型
• 3.5.2 无线网卡接口电路
• 3.6 运动控制模块
• 3.6.1 电机PWM调速原理
• 3.6.2 电机驱动电路
• 3.7 电源模块
• 3.8 本章小结
• 第四章 系统软件体系结构及设计
• 4.1 软件体系结构
• 4.2 传感器数据采集层软件
• 4.2.1 超声波数据采集软件编写
• 4.2.2 串口发送程序编写
• 4.3 操作系统层软件
• 4.3.1 系统引导程序Bootloader
• 4.3.2 嵌入式Linux2.6操作系统移植
• 4.4 设备驱动层软件
• 4.4.1 运动控制层驱动编写
• 4.4.2 摄像头及无线网卡驱动移植
• 4.5 应用层软件
• 4.5.1 摄像头视频数据的采集
• 4.5.2 基于C/S模型的网络通讯系统实现
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于多传感器信息融合的路径规划
• 5.1 多传感器信息融合结构模型
• 5.1.1 多传感器信息融合简介
• 5.1.2 决策级信息融合结构模型
• 5.2 基于单目视觉传感器的目标识别
• 5.2.1 图像颜色空间模型
• 5.2.2 整形HSV颜色空间转换
• 5.2.3 图像二值化处理
• 5.2.4 聚类识别目标物体
• 5.3 超声波传感器模糊避障
• 5.3.1 模糊推理模型的建立
• 5.3.2 模糊规则查询表
• 5.4 基于视觉识别和模糊避障的路径设计
• 5.5 本章小结
• 第六章 实验与结论
• 6.1 实验
• 6.2 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果