畢業(yè)論文-基于PXA270的機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、.基于PXA270的機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告課題： 基于PXA270的機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系 部： 機(jī)電工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè)： 電氣自動(dòng)化班 級(jí)： 自動(dòng)化姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)老師： 2016.1;43目錄摘要3第一章 緒論41.1 研究背景41.2選題的背景41.3競(jìng)賽細(xì)則61.4 本文研究的主要內(nèi)容7第二章 武術(shù)擂臺(tái)機(jī)器人設(shè)計(jì)方案82.1 機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案82.2 機(jī)械模塊設(shè)計(jì)82.3控制系統(tǒng)模塊102.4 電源電路設(shè)計(jì)112.5驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)122.6通信模塊的選用142.7采集模塊設(shè)計(jì)142.8驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)182.9通信模塊192.10本章小結(jié)22第三章 控制

2、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)243.1軟件總體策略設(shè)計(jì)243.2尋找柱子策略設(shè)計(jì)253.3尋找銅鑼策略設(shè)計(jì)263.4紅外檢測(cè)策略設(shè)計(jì)273.5旋轉(zhuǎn)策略設(shè)計(jì)293.6灰度策略設(shè)計(jì)303.7本章小結(jié)30第四章調(diào)試與在線(xiàn)監(jiān)控324.1開(kāi)發(fā)環(huán)境324.2程序模塊設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)324.3調(diào)試流程404.4監(jiān)控流程444.5本章小結(jié)46第五章 總結(jié)和展望485.1總結(jié)485.2展望48結(jié) 束 語(yǔ)49謝 辭50參考文獻(xiàn)51附錄53摘 要 由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。工業(yè)機(jī)器人，它誕生于制造業(yè)，是新一代的生產(chǎn)工具，這是新一代動(dòng)力機(jī)械和電腦控制后，人的體力和智力的發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用是一

3、個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志。近年來(lái)，我國(guó)的許多高校和企業(yè)已經(jīng)在不同的領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的機(jī)器人。本課題為機(jī)器人武術(shù)挑戰(zhàn)賽為基礎(chǔ)的規(guī)則行動(dòng)，實(shí)現(xiàn)擂臺(tái)賽機(jī)器人控制系統(tǒng)的任務(wù)，開(kāi)放的平臺(tái)有詳細(xì)的研究和設(shè)計(jì)。武術(shù)擂臺(tái)賽是中國(guó)機(jī)器人大賽暨RoboCup公開(kāi)賽中的一個(gè)對(duì)抗性的比賽，在比賽中的機(jī)器人通過(guò)攝像頭，馬達(dá)，齒輪和各種傳感器來(lái)感知環(huán)境信息和位置，然后用相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)完成相關(guān)的任務(wù)。本文以高性能的處理器Marvell的XScale PXA270處理器作為控制系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)，其目的在于提供一個(gè)可靠的，開(kāi)放的控制系統(tǒng)。以滿(mǎn)足機(jī)器人武術(shù)擂臺(tái)賽的要求。同時(shí)，本文研究了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法，以及控制系統(tǒng)能夠

4、滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性，高速和高精度要求。在本文中，武術(shù)擂臺(tái)競(jìng)賽機(jī)器人控制系統(tǒng)分為四個(gè)模塊：機(jī)械模塊，主控制模塊，驅(qū)動(dòng)模塊和數(shù)據(jù)采集模塊。機(jī)械模塊為基本模塊的安裝和功能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的載體。接著，主控制模塊選擇高性能的Xscale PXA270的，適用于電動(dòng)機(jī)控制。該驅(qū)動(dòng)模塊是整個(gè)機(jī)器人的動(dòng)力機(jī)制。信息取得模塊負(fù)責(zé)環(huán)境信息的感知，并且信息被發(fā)送給主控制系統(tǒng)。其次，控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，主要包括電源電路、舵機(jī)控制電路、攝像頭及音頻電路、網(wǎng)絡(luò)接口等。在實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上對(duì)控制系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行了模塊化的設(shè)計(jì)，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)試和測(cè)試的硬件和軟件是質(zhì)在系統(tǒng)的要求作為一個(gè)整體來(lái)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 關(guān)鍵詞：機(jī)器人；Mu

5、ltiFlex；創(chuàng)意設(shè)計(jì)；模塊化設(shè)計(jì)。第一章 緒論1.1 研究背景1920年，捷克的作家恰佩克卡雷爾在一部科幻劇本，第一次提出了機(jī)器人的概念，那時(shí)候人們把機(jī)器人作為新科技的一個(gè)專(zhuān)用名詞。1950年，美國(guó)作家阿西莫夫首先提出Robotics，即機(jī)器人學(xué)，同時(shí)提出了的“機(jī)器人三原則”的理論，是公認(rèn)的機(jī)器人的研究和發(fā)展的基本準(zhǔn)則。1954年，美國(guó)的喬治·德沃爾創(chuàng)造了第一個(gè)可編程的機(jī)器人，機(jī)器人逐漸向現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)變，為現(xiàn)代機(jī)器人的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)代科技的發(fā)展給了機(jī)器人技術(shù)無(wú)限的創(chuàng)新能量。目前，在國(guó)內(nèi)外各種機(jī)器人和機(jī)械手成為研究的熱點(diǎn)，研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)如下： 1.機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊化開(kāi)發(fā)。例如，將具有減速

6、器的馬達(dá)模塊，檢測(cè)系統(tǒng)，伺服馬達(dá)等獨(dú)立的模塊整合，以達(dá)到減少體積，精確控制的目的；關(guān)節(jié)模塊和連桿模塊用于構(gòu)建所述機(jī)器人在重組，這是方便的機(jī)器人的組件的形式。2. 采用PC機(jī)控制系統(tǒng)控制機(jī)器人，這是標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)管理的發(fā)展趨勢(shì);3.設(shè)備的模塊化開(kāi)發(fā)，一體化持續(xù)改進(jìn)的。這使得系統(tǒng)的可靠性、操作性、可維護(hù)性有了很大的提高。4.傳感器使用在機(jī)器人的設(shè)計(jì)中越來(lái)越重要。一次性使用系統(tǒng)的位置和速度不能滿(mǎn)足現(xiàn)代機(jī)器人的需要。目前的視覺(jué)傳感器、力傳感器成為用于組裝和焊接機(jī)器人中不可缺少的傳感器。多傳感器融合技術(shù)也是近年來(lái)一個(gè)新的研究領(lǐng)域，多傳感器融合技術(shù)有助于遙控機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了決策控制。智能機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)是配置技

7、術(shù)的融合。在一般情況下，機(jī)器人的發(fā)展是大致如下兩個(gè)方向：一種是智能機(jī)器人，使用多傳感器、多控制器、先進(jìn)的控制算法、復(fù)雜的機(jī)械和電氣控制的系統(tǒng)；第二個(gè)是方向性，機(jī)器人的研究和應(yīng)用是密切相關(guān)的，例如，對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的研究，其要求研究對(duì)象和生產(chǎn)加工的需求有著密切的聯(lián)系，為特定任務(wù)來(lái)完成特定設(shè)定，在同一時(shí)間，以滿(mǎn)足工作的要求。1.2選題的背景近年來(lái)，為了實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)振興國(guó)家的戰(zhàn)略，中國(guó)舉行了各類(lèi)機(jī)器人大賽，這為學(xué)生提供了一個(gè)平臺(tái)來(lái)展示自己的想象力和創(chuàng)造力。在武術(shù)擂臺(tái)賽技術(shù)挑戰(zhàn)中，場(chǎng)地圖示如下：圖1-1武術(shù)擂臺(tái)1比賽擂臺(tái)（即場(chǎng)地，如圖1所示）尺寸為長(zhǎng)，寬分別為2400毫米，高150毫正方形平臺(tái)，工作臺(tái)表

8、面即擂臺(tái)場(chǎng)。從外面看，以四色的中心角呈黑色到灰色白色漸變。兩個(gè)斜坡的位于的場(chǎng)地的兩個(gè)角，從機(jī)器人的起始區(qū)域的開(kāi)始，沿著傾斜上升。該場(chǎng)地是圍繞著一個(gè)方形的黑色柵欄，距離平臺(tái)700毫米高500毫米。比賽開(kāi)始后，柵欄的區(qū)域中不得出現(xiàn)任何障礙物或人。2起始區(qū)域和斜坡涂敷有正藍(lán)色和黃色的標(biāo)志。起步區(qū)的平板尺寸為300x400毫米。3斜坡長(zhǎng)度400毫米，寬400毫米，斜坡和平臺(tái)齊平，即150毫米為頂部的高度。4擂臺(tái)場(chǎng)地的材料是木，地表面的最大承載能力可達(dá)50千克。表面材料為亞光PVC膜，各種顏色和所使用的線(xiàn)條是由電腦彩色印刷的形式生產(chǎn)。5技術(shù)挑戰(zhàn)賽，對(duì)于使用圓柱尺寸：直徑為100毫米，高300毫米，重量0

9、。5千克左右，白色的表面（技術(shù)挑戰(zhàn)賽，兩個(gè)圓柱，分別是白色和綠色）塑料電工膠帶。它的重心位于幾何中心。圖1-2比賽專(zhuān)用圓柱6現(xiàn)場(chǎng)的照明：該部位的區(qū)域的賽場(chǎng)，照明的照度在600Lux到1200Lux，應(yīng)柔軟，均勻，區(qū)域照明差不超過(guò)300Lux。實(shí)際場(chǎng)地四角將安裝兩個(gè)20W的節(jié)能燈，色溫40006000K，光源高度為2和2.5米之間。1.3競(jìng)賽細(xì)則 1.比賽中的所有內(nèi)容必須由機(jī)器人自主完成。2.競(jìng)賽內(nèi)容：機(jī)器人自主地從黃色出發(fā)區(qū)走到平臺(tái)上，找到麥克風(fēng)的位置，由揚(yáng)聲器為主體進(jìn)行自我介紹;然后找到放置繡球的圓柱臺(tái)，拿起球自主扔進(jìn)了臺(tái)（不能將圓柱弄倒），然后找到銅鑼?zhuān)檬只蚰_擊打銅鑼。完成以上動(dòng)作后，回

10、到場(chǎng)地中央，自行表演一段傳統(tǒng)武術(shù)動(dòng)作，最后向觀(guān)眾語(yǔ)音致謝，并自主地走下擂臺(tái)。（實(shí)際無(wú)白色引導(dǎo)軌跡）。整個(gè)內(nèi)容的最大時(shí)間限制是 3 分鐘。 各尺寸規(guī)格如下：1) 放置繡球和麥克風(fēng)的圓柱體為 PVC 材質(zhì)，； 2) 正綠色和正黃色圓形圖案直徑為 500mm；材質(zhì)為 PVC 亞光膜；其位置大約在擂臺(tái)中心與對(duì)應(yīng)角 連線(xiàn)的中點(diǎn)。注意：為鼓勵(lì)實(shí)時(shí)非特定物體識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)際開(kāi)賽前，各道具的位置擺放可能有 100200mm 的尺寸偏差。但一旦開(kāi)始比賽后將沿用第一次擺放的位置。3) 繡球采用紡布，軟表面，直徑120毫米左右，重量約為0。3千克，繞了一個(gè)4-5條200300毫米絲帶。照片示于圖6：圖1-3比賽

11、專(zhuān)用繡球4) 放置繡球的柱子為白色，放置麥克風(fēng)的柱子為綠色，砂袋的架子為黃色； 5) 銅鑼為黃銅材質(zhì)，噴涂黃色（顏色接近與黃色圓形圖案和出發(fā)區(qū)）直徑約 200毫米，中心高約 300400毫米，重約 3千克；1.4 本文研究的主要內(nèi)容 研究機(jī)器人是一個(gè)很好的學(xué)習(xí)平臺(tái)，通過(guò)機(jī)器人的裝配，可以讓我們了解單片機(jī)的輸入和輸出接口特性以及傳感器的作用。同時(shí)，通過(guò)機(jī)器人的編程，可以提高我們C語(yǔ)言的運(yùn)用能力，通過(guò)不同編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)一些動(dòng)作能夠讓我們從中掌握和理解分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的根本方法。本文主要研究武術(shù)擂臺(tái)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)。在理論上和實(shí)際應(yīng)用上盡可能的使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)高靈活的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)比

12、賽規(guī)則和以往的經(jīng)驗(yàn)。提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)武術(shù)擂臺(tái)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。機(jī)器人各部分設(shè)計(jì)包括控制部分、驅(qū)動(dòng)部分、檢測(cè)部分。三部分對(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)都是至關(guān)重要的。對(duì)機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定了機(jī)器人的整體布局。本文設(shè)計(jì)了機(jī)器人的主要活動(dòng)部件、外殼、電機(jī)和輪子。針對(duì)距離、位置等的測(cè)試。選擇了紅外傳感器。選擇由博創(chuàng)科技公司提供的各種零件。對(duì)機(jī)器人進(jìn)行搭建。并且對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試和分析。以及為了達(dá)到更好的狀態(tài)。對(duì)機(jī)器人測(cè)試中的不足之處進(jìn)行改進(jìn)。第二章 武術(shù)擂臺(tái)機(jī)器人設(shè)計(jì)方案2.1 機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案基于中國(guó)機(jī)器人大賽暨RoboCup公開(kāi)賽，機(jī)器人設(shè)計(jì)以模擬人形為基礎(chǔ)，底盤(pán)采用強(qiáng)度大的DB材質(zhì)，并以花鍵和螺母加

13、以緊固。使用四個(gè)防滑輪胎行走，手臂與腰身采用舵機(jī)控制，至于感知方面，我們使用了大量傳感器和攝像頭，包括灰度、紅外、測(cè)距傳感器等。機(jī)器人以完成指定動(dòng)作為設(shè)計(jì)目的。圖2-1機(jī)器人總體方案圖2-2機(jī)器人總體方案2.2 機(jī)械模塊設(shè)計(jì)圖2-3機(jī)器人底部設(shè)計(jì)2.2.1運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)底盤(pán)采用四個(gè)Faulhaber大功率減速電機(jī)，以提供大的輸出扭矩。底盤(pán)使用雙DB材質(zhì)板，四個(gè)減速電機(jī)分布在底板的左右兩側(cè)，四個(gè)電機(jī)安置在底盤(pán)的菱角處，這樣有利于齒輪的精確輸出。并且在底板安置了四個(gè)灰度傳感器和一個(gè)紅外傳感器進(jìn)行檢測(cè)，然后反饋給控制系統(tǒng)。圖2-4機(jī)器人腰部設(shè)計(jì)腰部采用四個(gè)CDS5516數(shù)字舵機(jī)控制機(jī)器人進(jìn)行一定動(dòng)作，比如

14、在抱柱子處需要機(jī)器人稍后仰，在靠近綠色柱子的地方稍前傾，在武術(shù)擂臺(tái)的中央表演區(qū)域，需要機(jī)器人前傾后仰等。圖2-5機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)機(jī)器人以模擬人形為基礎(chǔ)，兩側(cè)手臂各采用三個(gè)CDS5516數(shù)字舵機(jī)控制機(jī)器人抱柱子、繡球、擊鑼等相關(guān)動(dòng)作。2.2.2感知系統(tǒng)圖2-6傳感器正面設(shè)計(jì)正面使用五個(gè)紅外傳感器，用來(lái)檢測(cè)和精確對(duì)齊包括柱子、銅鑼等一些主要目標(biāo)的距離。右側(cè)使用一個(gè)紅外傳感器，用來(lái)退后檢測(cè)白色柱子，使機(jī)器人旋轉(zhuǎn)正對(duì)柱子。底部采用四個(gè)灰度傳感器，分別收集不同區(qū)域的閾值，確定機(jī)器人的位置和移動(dòng)方向，從而反饋給控制系統(tǒng)，及時(shí)自我調(diào)正。機(jī)器人胸部的測(cè)距傳感器，用來(lái)不斷檢測(cè)與目標(biāo)的直線(xiàn)距離，使機(jī)器人及時(shí)作出相應(yīng)

15、動(dòng)作。2.3控制系統(tǒng)模塊表1 MultiFLEX2-PXA270控制器的電氣規(guī)范項(xiàng)目數(shù)據(jù)說(shuō)明電池電壓6.58.4VDC使用2節(jié)鋰聚合物電池，標(biāo)稱(chēng)電壓7.4V，使用過(guò)程電壓范圍為6.5V8.4V充電電壓控制器內(nèi)置智能充電器，充電過(guò)程會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓。外接電源12V外接直流穩(wěn)壓電源，電壓 12V，正常使用電流05A保護(hù)反接保護(hù)過(guò)流保護(hù)長(zhǎng)時(shí)間電源反接仍可能損壞控制器。過(guò)流保護(hù)生效后，需要重新上電才能工作。靜態(tài)功耗1.5W無(wú)外接設(shè)備下的靜態(tài)功耗。保護(hù)電流68A超過(guò)此電流后，自動(dòng)切斷。約10秒后才能再次工作。I/O電平低電平 < GND + 1.5V；高電平 > VCC 1.5V數(shù)字量輸入/輸

16、出12個(gè)GND/VCC/SIG三線(xiàn)制（SIG可以設(shè)為輸入或者輸出，在NorthSTAR軟件中配置或通過(guò)協(xié)議配置）。模擬量輸入8個(gè)GND/VCC/SIG三線(xiàn)制，10位精度機(jī)器人舵機(jī)接口6個(gè)1M速率的半雙工異步串行總線(xiàn)，理論可接255個(gè)機(jī)器人舵機(jī)，由于供電能力限制，建議同時(shí)使用時(shí)不超過(guò)30個(gè)。舵機(jī)工作電壓等于控制器工作電壓。R/C舵機(jī)接口8個(gè)GND/VCC/SIG 三線(xiàn)制（SIG為信號(hào)輸出），工作電壓5VUSB接口4個(gè)USB2.0在接口板上有兩個(gè)對(duì)外USB接口，一個(gè)USB接口固化為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡專(zhuān)用端口，一個(gè)USB接口固化為調(diào)試接口。以太網(wǎng)接口1個(gè)100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口音頻接口1輸入1輸出無(wú)線(xiàn)通訊支持

17、54M無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)卡（選配部件） 圖2-7 PXA270控制器控制系統(tǒng)采用MultiFLEX2-PXA270控制器，數(shù)字舵機(jī)0到7號(hào)，AD接口0到11號(hào)，IO接口0到11號(hào)。使用網(wǎng)線(xiàn)與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，使用USB口與攝像頭連接。2.4 電源電路設(shè)計(jì)MultiFLEX2-PXA270控制器內(nèi)置一組7.4V的鋰離子電池。（PXA270與外圍電路連接）電源模塊提供了最小系統(tǒng)的核心電路板上的電源以及伺服驅(qū)動(dòng)電路。圖2-8 PXA270內(nèi)部電路圖2-9 控制器及舵機(jī)電源根據(jù)電路的需要，電源為8.4V，AD和IO傳感器，USB等，需要5V電源供電，基于此基礎(chǔ)上，為電路接入8.4V電源或直接連接電池，使用L

18、M25576電源穩(wěn)壓芯片使8.4V電源轉(zhuǎn)換到5V電源。2.5驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 圖2-10舵機(jī)實(shí)物圖圖2-11 驅(qū)動(dòng)電路大扭矩：16Kgfcm的輸出轉(zhuǎn)矩的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，大于為20kgfcm位置以保持扭矩; 高速：最高0.16s/60的輸出速度;位置伺服控制模式下轉(zhuǎn)動(dòng)范圍0300;在速度控制模式下可連續(xù)旋轉(zhuǎn)，速度控制;6.8V14V的電源電壓范圍寬;總線(xiàn)連接，理論上可以串聯(lián)連接254單位;0.32位分辨率;波特率高達(dá)1M;兩個(gè)端子輸出軸，適合安裝在機(jī)器人的關(guān)節(jié);0.25KHz的伺服更新率;高精密金屬齒輪組，雙滾珠軸承;有位置，溫度，電壓，速度反饋;結(jié)O型密封圈，防塵防水濺。圖2-12 舵機(jī)電路這里將Rob

19、otis UART直接連接到舵機(jī)的信號(hào)線(xiàn)，以及該網(wǎng)絡(luò)的另一端兩個(gè)74HCl26緩沖器被連接到主控制芯片的TXD0和RXD0，然后通過(guò)主控制核心。芯片的兩個(gè)IO端口，用來(lái)確定數(shù)據(jù)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。當(dāng)PA0高TXD0為低，PA1已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自主控制，如圖上圖中，U1B，TXD0信號(hào)傳導(dǎo)，數(shù)據(jù)可以被發(fā)送到轉(zhuǎn)向舵機(jī)。相反，當(dāng)PA1是高和PA0低，TXD0失去了控制，而RXD0已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的自主控制，主控制卡可以接收舵機(jī)返回的數(shù)據(jù)。2.6通信模塊的選用機(jī)器人控制系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)在本文中主要使用兩種通信方法：USB實(shí)現(xiàn)串行端口、網(wǎng)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)串行端口。即全雙工串行通信和半雙工串行通信。RS422 接口采用 RJ11 接口插座

20、，對(duì)應(yīng)的 RJ11 插頭如圖 2-13 所示，線(xiàn)序定義如表所示：圖2-13傳輸網(wǎng)線(xiàn)（CJ-45）表2網(wǎng)線(xiàn)內(nèi)部線(xiàn)序表水晶頭線(xiàn)序定義顏色1、VCC白2、GND黑3、422_A紅4、422_B綠5、422_Y黃6、422_Z藍(lán)由于控制器模塊已集成串行端口，所以我們使用網(wǎng)線(xiàn)接入，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)下載反饋。2.7采集模塊設(shè)計(jì)2.7.1傳感器選型及其原理1紅外接近傳感器原理：它被用于檢測(cè)光束的遮擋或反射，由同步電路選擇，從而檢測(cè)對(duì)象。光電開(kāi)關(guān)在發(fā)射機(jī)將輸入電流轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，接收器可以根據(jù)接收的光的強(qiáng)度檢測(cè)目標(biāo)對(duì)象。工作原理如下圖所示圖2-13紅外接近傳感器工作原理表3光電開(kāi)關(guān)分類(lèi)表漫反射式光電開(kāi)關(guān)是一組有發(fā)射器和

21、接收器中的一個(gè)傳感器，當(dāng)檢測(cè)到對(duì)象，該對(duì)象將被發(fā)送到光電開(kāi)關(guān)到足夠的光量反射到接收器。這個(gè)光電開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)物體的表面光亮或它的反射率極高的上，漫反射型光電開(kāi)關(guān)是首選的檢測(cè)模式。反射鏡反射式光電開(kāi)關(guān)它在一個(gè)設(shè)置發(fā)射器和接收器，由光電開(kāi)關(guān)發(fā)射機(jī)發(fā)射的光被反射回接收器，對(duì)象被檢測(cè)到并且完全阻斷光，這個(gè)光電開(kāi)關(guān)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)檢測(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào)時(shí)。檢測(cè)方法都反應(yīng)比較快、高解析、精度度高、靈敏度高易散熱、無(wú)鉛，使用壽命比較長(zhǎng)，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)，是新一代的綠色環(huán)保能源，而且可測(cè)參數(shù)多，它的結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，形式靈活多樣對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)它包括發(fā)射器和接收器，發(fā)射機(jī)在結(jié)構(gòu)和光軸的位置相對(duì)于的接收機(jī)。當(dāng)對(duì)象是不透

22、明的，對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)是最可靠的檢測(cè)裝置。插槽型光電開(kāi)關(guān)它通常采用標(biāo)準(zhǔn)的U型結(jié)構(gòu)，它的發(fā)射器和接收器都位于U形槽的兩側(cè)，合成一個(gè)光軸，當(dāng)對(duì)象是由U形槽檢測(cè)并阻止光軸的形成，光電開(kāi)關(guān)形成開(kāi)關(guān)信號(hào)。這個(gè)光電開(kāi)關(guān)是適合對(duì)象高速運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)，并且它可以在透明和半透明的對(duì)象中分辨，使用安全和可靠。光纖式光電開(kāi)關(guān)它使用塑料或玻璃光纖傳感器來(lái)引導(dǎo)光，可以對(duì)距離遠(yuǎn)的被檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)。光纖式光電開(kāi)關(guān)精度高，反應(yīng)速度快，安裝環(huán)境可多樣選擇。由于比賽環(huán)境的復(fù)雜以及比賽場(chǎng)地的光亮等一些不可避免的問(wèn)題，我們采用漫反射式光電開(kāi)關(guān)。創(chuàng)意之星機(jī)器人套件有許多個(gè)漫反射光電開(kāi)關(guān)，50cm左右的有效距離。通過(guò)漫反射型光電開(kāi)關(guān)所發(fā)出的

23、光被反射回接收器，以使對(duì)象的表面反射率可以通過(guò)接收器的表面反射率來(lái)確定。粗糙表面的光強(qiáng)度小于所述光滑表面的光強(qiáng)度，并且該材料的反射率是影響光電開(kāi)關(guān)的有效距離的重要參數(shù)。常見(jiàn)的材料的反射率示于下表中表4常用材料的反射率材料反射率材料反射率白畫(huà)紙90%不透明黑色塑料14%報(bào)紙55%黑色橡膠4%餐巾紙47%黑色布料3%包裝箱硬紙板68%未拋光白色金屬表面130%潔凈松木70%光澤淺色金屬表面150%干凈粗木板20%不銹鋼200%透明塑料杯40%木塞35%半透明塑料瓶62%啤酒泡沫70%不透明白色塑料87%人手掌心75%紅外線(xiàn)開(kāi)關(guān)又稱(chēng)紅外線(xiàn)光電開(kāi)關(guān)，利用紅外光束的的遮光或反射紅外光束的特性，并通過(guò)檢測(cè)

24、到同時(shí)同步電路，選擇對(duì)應(yīng)檢測(cè)對(duì)象。優(yōu)點(diǎn)該對(duì)象不限定于金屬，所有能反射的物體都可以作為被檢測(cè)的對(duì)象?，F(xiàn)有的光電傳感器在近紅外光的波長(zhǎng)為780nm，3um，并且具有產(chǎn)品相對(duì)穩(wěn)定的整合，以及數(shù)字電路也很簡(jiǎn)單。所以我們使用這個(gè)傳感器用途：如圖所示，所用的“創(chuàng)意之星”機(jī)器人的紅外光電開(kāi)關(guān)的型號(hào)為E18-B0，數(shù)據(jù)是：VCC：5V。工作電流：小于100mA。輸出方式：NPN晶體管OC輸出。封裝類(lèi)型：工程塑料。圖2-14 紅外接近傳感器紅外接近傳感器是開(kāi)關(guān)傳感器，任何接口的IO0IO11可以由NorthSTAR讀取和編程。因?yàn)檩敵鍪情_(kāi)關(guān)量，只能判斷距離中的障礙物，不能給出障礙物的實(shí)際距離。但具有靈敏度調(diào)節(jié)旋

25、鈕的傳感器，可以調(diào)整感測(cè)觸發(fā)的距離。創(chuàng)意之星套件觸發(fā)距離已被設(shè)置為50cm左右。2.紅外測(cè)距傳感器原理：用于測(cè)量對(duì)象的前部，傳感器探頭之間的距離的。優(yōu)點(diǎn)是傳感器的體積小，重量輕（小于10克的重量）及接口簡(jiǎn)單，而且它是用于微型機(jī)器人的理想選擇。GP2D12主要由紅外線(xiàn)發(fā)射器，PSD（位置敏感檢測(cè)器）以及相關(guān)的處理電路，紅外線(xiàn)發(fā)射器發(fā)射的紅外線(xiàn)光束，紅外線(xiàn)被反射回來(lái)，并投影到中心位置。優(yōu)點(diǎn)是和障礙物的反射角度不太相關(guān)，誤差的輸出值是非常小的。不同的反射率材料。但能保持一定范圍內(nèi)。下圖使用創(chuàng)意之星GP2D12紅外測(cè)距傳感器，和普通GP2D12不同的是，我們?cè)O(shè)計(jì)類(lèi)似于貝殼頭的機(jī)器人，可以方便地安裝到創(chuàng)

26、意之星的一部分。紅外線(xiàn)范圍傳感器，用于將模擬傳感器，那么任何接口的AD0AD7可以由NorthSTAR進(jìn)行編程。傳感器規(guī)格如下：檢測(cè)范圍：10-80cm工作電壓：4-5。5V標(biāo)準(zhǔn)電流消耗：33-50mA輸出：非比例相關(guān)的模擬輸出，輸出電壓和檢測(cè)范圍MultiFLEX2-AVR控制器和MultiFLEX2-PXA270控制器的AD精度為10位，測(cè)量電壓范圍 05V，對(duì)應(yīng)輸出值 01023。您如果要得到真實(shí)的距離值需要做 2 次換算，假設(shè)您從NorthSTAR讀取的AD值為491，換算為真實(shí)電壓值為5*(491/1023)=2.4V，從2-15的對(duì)照?qǐng)D可以知道當(dāng)前傳感器探頭到障礙物的距離是50cm

27、。 圖2-15 紅外測(cè)距傳感器3. 灰度傳感器灰度傳感器是由自身明亮的白色LED照明，以檢測(cè)對(duì)象，并且檢測(cè)對(duì)象的反射的LED。由于不同顏色的白色光的反射能力，最高的同種材料的白色反射，最低的黑色反射。灰度級(jí)傳感器的前端有一個(gè)光敏電阻，優(yōu)點(diǎn)是它可以被用于檢測(cè)的反射光，這可以從所檢測(cè)的對(duì)象的灰度值來(lái)推斷的強(qiáng)度。圖2.16的灰度傳感器輸出的模擬信號(hào)的創(chuàng)意之星，那么任何接口的AD0AD7可以由NorthSTAR讀取和編程。在武術(shù)賽場(chǎng)上比賽的機(jī)器人或機(jī)器人足球比賽中，使用多個(gè)灰度傳感器陣列可以判斷出顏色漸變的場(chǎng)地。在機(jī)器人的情況下，可以作為一個(gè)傳感器來(lái)區(qū)分與周?chē)拙€(xiàn)上。圖2-16 灰度傳感器4.視覺(jué)模塊

28、視覺(jué)傳感器，可被用作機(jī)器人的眼睛。 MultiFLEXTM2-PXA270控制器可以訪(fǎng)問(wèn)常用的USB攝像頭，并且具有圖像搜索引擎，可以識(shí)別各種顏色，有綠色和白色兩種圓柱和黃銅鑼?zhuān)褂脭z像頭可以讓機(jī)器人更清楚地認(rèn)識(shí)圓柱顏色外觀(guān)的區(qū)別。272采集信息處理模擬信號(hào)：時(shí)間和價(jià)值是連續(xù)物理量稱(chēng)為模擬量，如電壓，電流，聲音，速度，壓力，溫度等，我們將顯示該信號(hào)的物理量作為模擬信號(hào)，其中將工作在電子電路的模擬信號(hào)作為模擬信號(hào)，并且把傳感器輸出信號(hào)稱(chēng)為模擬傳感器的模擬信號(hào)。開(kāi)關(guān)信號(hào)：該計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是由0和1，所以0和1數(shù)據(jù)的兩個(gè)狀態(tài)是最容易處理。在數(shù)字信號(hào)，最簡(jiǎn)單的信號(hào)是僅0和1的高低的水平。只有0和1的

29、數(shù)字信號(hào)是被稱(chēng)為切換信號(hào)，同樣可以是在傳感器只有高或低的電路水平被稱(chēng)為開(kāi)關(guān)傳感器輸出。從傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)以收集來(lái)自外部數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬和開(kāi)關(guān)量信息的兩個(gè)不同的信息需要不同的接口和處理方法。可以被發(fā)送到主控制芯片識(shí)別，開(kāi)關(guān)的量也比較簡(jiǎn)單，只有相應(yīng)的接口電路，用于開(kāi)關(guān)的量無(wú)需處理。2.8驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)舵機(jī)控制有以下幾種方法：1）通過(guò)使用所述軟件的PWM信號(hào)波形，將GPIO端口的輸出由軟件進(jìn)行控制;2）使用的串行端口（機(jī)器人現(xiàn)在使用）和數(shù)字伺服通信，來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向器的控制;3)通過(guò)定時(shí)器輸出PWM波，控制舵機(jī)運(yùn)動(dòng)；- 45 -圖2-17舵機(jī)調(diào)式圖2-18舵機(jī)連接CDS5516有專(zhuān)用的調(diào)試環(huán)境Robot

30、Servo Terminal，在這個(gè)環(huán)境下，您可以設(shè)置舵機(jī)ID、波特率、工作模式、速度限制、角度限制、電壓限制等等。CDS5516采用總線(xiàn)式通訊, 需要注意的是：每個(gè)CDS5516需要使用不同ID；每串CDS5516的數(shù)量不能太多，最好是6個(gè)以下。正常工作下單個(gè)CDS5516的電流可能達(dá)到500mA1A，堵轉(zhuǎn)電流可達(dá)到2.5A，單組6個(gè)CDS5516的工作電流可能達(dá)到3-8A。這樣的電流會(huì)讓舵機(jī)線(xiàn)發(fā)熱，并產(chǎn)生比較大的電壓降，最后一個(gè) CDS5516可能因?yàn)檠赝径鏅C(jī)線(xiàn)的分壓而導(dǎo)致工作電壓過(guò)低，CDS5516在電壓過(guò)低時(shí)會(huì)出現(xiàn)復(fù)位、數(shù)據(jù)通訊不正常等等狀況。2.9通信模塊2.9.1網(wǎng)絡(luò)下載接口模塊U

31、P-調(diào)試多功能調(diào)試器集成USB到RS-232，半雙工異步串行總線(xiàn)，AVRISP下載三個(gè)功能，在“創(chuàng)意之星”套件里，我們可以用它來(lái)進(jìn)行程序下載、串口通訊和CDS5516調(diào)試。本節(jié)主要介紹如何用調(diào)試器進(jìn)行控制器的程序燒錄和串口通訊。如圖2.77所示為調(diào)試器的配線(xiàn)：圖2-19調(diào)試器配線(xiàn) 圖2-20 UP-Debugger 下載調(diào)試器配線(xiàn)一端是10針I(yè)DC頭，另一端是3針和5針杜邦頭，杜邦頭有“”的為GND。給控制器的ATmega128和ATmega8下載程序1、 將調(diào)試器設(shè)為AVRISP模式。2、 控制板上有M128_ISP和M8_ISP，分別是ATmega128和ATmega8的程序下載接口。3、

32、 把調(diào)試器的USB線(xiàn)接到PC機(jī)上，將5針杜邦頭接到控制器左側(cè)的M128_ISP或M8_ISP插針上，杜邦頭有“”號(hào)的為GND針腳，注意線(xiàn)的GND針腳和控制板的GND針腳對(duì)應(yīng)（第二版控制器的插針位置和第一版控制器不同，但線(xiàn)序相同）。圖2-21 下載和調(diào)試接口2.9.2網(wǎng)絡(luò)通信接口模塊圖2-22適配器屬性適配器位于本地連接處，將IP地址修改為192.168.0.12。并默認(rèn)網(wǎng)關(guān)192.168.0.1這樣才能通過(guò)PC機(jī)與各類(lèi)傳感器相連接，以便方面查詢(xún)相應(yīng)的閾值。2.9.3攝像頭接口電路設(shè)計(jì)圖2-23攝像頭成像原理圖像的二值化的基本原理就是將圖像上的點(diǎn)的灰度置為0或255，也就是將整個(gè)圖像呈現(xiàn)出明顯的

33、黑白效果。即將256個(gè)亮度等級(jí)的灰度圖像通過(guò)適當(dāng)?shù)拈撝颠x取而獲得仍然可以反映圖像整體和局部特征的二值化圖像。在數(shù)字圖像處理中，二值圖像占有非常重要的地位，特別是在實(shí)用的圖像處理中，以二值圖像處理實(shí)現(xiàn)而構(gòu)成的系統(tǒng)是很多的，要進(jìn)行二值圖像的處理與分析，首先要把灰度圖像二值化，得到二值化圖像，這樣子有利于在對(duì)圖像做進(jìn)一步處理時(shí)，圖像的集合性質(zhì)只與像素值為0或255的點(diǎn)的位置有關(guān)，不再涉及像素的多級(jí)值，使處理變得簡(jiǎn)單，而且數(shù)據(jù)的處理和壓縮量小.視覺(jué)模塊位于外掛設(shè)備，主要應(yīng)用于控制器實(shí)現(xiàn)有顏色的物體的識(shí)別。二值化主要通過(guò)標(biāo)定目標(biāo)顏色閾值，并將背景中相近的顏色去除掉，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的識(shí)別。利用控制器上的USB

34、接口，通過(guò)以太網(wǎng)將PC機(jī)和控制器連接，調(diào)正H、S、I的設(shè)定范圍。這就是二值化。2.10本章小結(jié) 這章節(jié)武術(shù)擂臺(tái)賽機(jī)器人方案的分析和設(shè)計(jì)，包括機(jī)械，傳動(dòng)，控制和信息獲取的四個(gè)部分。這四個(gè)部分是機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，為硬件電路設(shè)計(jì)。表5為模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)名稱(chēng)型號(hào)功能描述數(shù)量控制決策系統(tǒng)MultiFLEXTM2-PXA270控制機(jī)器人的核心控制單元 1感知系統(tǒng)灰度傳感器確定機(jī)器人的位置和移動(dòng)方向 2紅外測(cè)距傳感器 安裝在控制器上 調(diào)整機(jī)器人和柱子的精確距離5紅外測(cè)距傳感器 安裝在底盤(pán)上近距離檢測(cè)柱子，是機(jī)器人正對(duì)柱子1運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)Faulhaber大功率減速電機(jī)機(jī)器人底盤(pán)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器

35、人運(yùn)動(dòng)4CDS5516數(shù)字舵機(jī)（舵機(jī)模式）機(jī)器人機(jī)械臂，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)6CDS5516數(shù)字舵機(jī)（舵機(jī)模式）機(jī)器人腰部，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人軀干運(yùn)動(dòng)4機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)意之星及手工制作的部件搭建競(jìng)賽機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)/工作電源一組7.2V2.6Ah機(jī)器人系統(tǒng)電源1第三章 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)硬件是機(jī)器人控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，但只有硬件是不夠的。軟件是系統(tǒng)的靈魂。軟件只能根據(jù)硬件和游戲的實(shí)際要求寫(xiě)入。機(jī)器人完成既定任務(wù)和功能。3.1軟件總體策略設(shè)計(jì)圖3-1 軟件總體策略本次項(xiàng)目的程序主要通過(guò)Nor-star圖形化編程環(huán)境來(lái)編寫(xiě)和下載，主要邏輯和流程如下圖所示：首先，按從起始區(qū)域自主上臺(tái)，自主發(fā)現(xiàn)在起步區(qū)右側(cè)的綠色圓柱體的前

36、面。這需要精確的設(shè)定時(shí)間為機(jī)器人前進(jìn)，右轉(zhuǎn)，為了確保機(jī)器人在最短的時(shí)間可以檢測(cè)綠色圓筒。通過(guò)灰度傳感器探測(cè)的平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，向前一定距離，機(jī)器人切換到狀態(tài)，然后打開(kāi)攝像頭找到綠色柱子從而達(dá)到機(jī)器人的定位精度，采用紅外距離傳感器和紅外接近傳感器靠近綠色缸即可。在該機(jī)器人達(dá)到綠色柱子，并通過(guò)麥克風(fēng)的自我介紹，考慮到攝像頭上的白色校正受外部環(huán)境因素是大的，麥克風(fēng)的位置和放置的白色圓柱距離更近的，所以機(jī)器人后退和左轉(zhuǎn)，利用紅外接近傳感器來(lái)檢測(cè)繡球放在白色的圓柱。為了確保成功撿起球和機(jī)器人手臂由下移動(dòng)首先，要滿(mǎn)足繡球的圓柱體，手臂加力，繡球從白色圓筒脫離，走到拋繡球的邊緣地方，后退左轉(zhuǎn)180度前進(jìn)，通過(guò)左邊的

37、紅外接近傳感器和攝像頭檢測(cè)白色柱子停下左轉(zhuǎn)，兩只手護(hù)住白色柱子，將柱子推至邊緣，先后退右在后退，前進(jìn)走到柱子旁邊，用左手將柱子打下臺(tái)。下一步是找到銅鑼?zhuān)仁箼C(jī)器人前進(jìn)一段距離，通過(guò)紅外測(cè)距傳感器檢測(cè)到銅鑼?zhuān)缓笥肄D(zhuǎn)，通過(guò)攝像頭找到綠色的柱子，前進(jìn)當(dāng)左側(cè)檢測(cè)到停止前進(jìn)，用左手擊打，鑼響起。最后，機(jī)器人返回到平臺(tái)中央上，武術(shù)表演，感謝下臺(tái)，演出結(jié)束。3.2尋找柱子策略設(shè)計(jì)尋找柱子圖3-2 尋找柱子邏輯機(jī)器人尋找柱子主要應(yīng)用于上臺(tái)后尋找綠色柱子進(jìn)行自我介紹、后退尋找柱子進(jìn)行抱繡球、前進(jìn)尋找柱子并成功推下臺(tái)等三個(gè)方面。一般通過(guò)開(kāi)啟各種傳感器進(jìn)行定位，并將計(jì)算結(jié)果反饋給控制系統(tǒng)。首先先通過(guò)紅外對(duì)齊目標(biāo)，

38、獲得相應(yīng)的坐標(biāo)，并前進(jìn)至靠近目標(biāo)一定距離的位置，停止進(jìn)行下一輪判斷。此時(shí)將進(jìn)行紅外識(shí)別物體策略。3.3尋找銅鑼策略設(shè)計(jì)圖3-3 尋找銅鑼邏輯機(jī)器人進(jìn)行尋找銅鑼主要應(yīng)用于擊鑼和通過(guò)銅鑼后退定位武術(shù)擂臺(tái)表演的位置信息等方面。一般通過(guò)開(kāi)啟各種傳感器進(jìn)行定位，并將計(jì)算結(jié)果反饋給控制系統(tǒng)。首先先通過(guò)紅外對(duì)齊目標(biāo)，獲得相應(yīng)的坐標(biāo)，并前進(jìn)至靠近目標(biāo)一定距離的位置，停止進(jìn)行下一輪判斷。此時(shí)將進(jìn)行紅外識(shí)別物體策略。3.4紅外檢測(cè)策略設(shè)計(jì)圖3-4通過(guò)紅外檢測(cè)邏輯紅外傳感器檢測(cè)物體應(yīng)用于尋找柱子、銅鑼等方面，當(dāng)1號(hào)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，此時(shí)已經(jīng)偏離目標(biāo)，原地左旋轉(zhuǎn)60度，使其正對(duì)目標(biāo)。當(dāng)1、2號(hào)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，此時(shí)已

39、經(jīng)偏離目標(biāo)，原地左旋轉(zhuǎn)45度，使其正對(duì)目標(biāo)。當(dāng)2號(hào)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，此時(shí)已經(jīng)稍偏離目標(biāo)，原地左旋轉(zhuǎn)30度，使其正對(duì)目標(biāo)。當(dāng)2、3號(hào)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，此時(shí)已經(jīng)微偏離目標(biāo)，原地左旋轉(zhuǎn)15度，使其正對(duì)目標(biāo)。當(dāng)3號(hào)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，此時(shí)正對(duì)目標(biāo)，直行到目標(biāo)出進(jìn)行下一步操作。當(dāng)3、4號(hào)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，此時(shí)已經(jīng)微偏離目標(biāo)，原地右旋轉(zhuǎn)15度，使其正對(duì)目標(biāo)。當(dāng)4號(hào)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，此時(shí)已經(jīng)稍偏離目標(biāo)，原地右旋轉(zhuǎn)30度，使其正對(duì)目標(biāo)。當(dāng)4、5號(hào)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，此時(shí)已經(jīng)偏離目標(biāo)，原地右旋轉(zhuǎn)45度，使其正對(duì)目標(biāo)。當(dāng)5號(hào)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，此時(shí)已經(jīng)偏離目標(biāo)，原地右旋轉(zhuǎn)60度，使其正對(duì)目標(biāo)。另外機(jī)器人右側(cè)與底部都放置

40、一個(gè)紅外傳感器，當(dāng)機(jī)器人在進(jìn)行后退作業(yè)，此時(shí)，這兩個(gè)傳感器就負(fù)責(zé)檢測(cè)到物體來(lái)達(dá)到定位的效果。至于旋轉(zhuǎn)方面，不同地方旋轉(zhuǎn)方法不同。3.5旋轉(zhuǎn)策略設(shè)計(jì)圖3-5 左右旋轉(zhuǎn)邏輯不同地方旋轉(zhuǎn)的方法與方向都不同，當(dāng)機(jī)器人位于上臺(tái)后進(jìn)行第一次旋轉(zhuǎn)，此時(shí)將進(jìn)行前側(cè)兩輪向右轉(zhuǎn)，后側(cè)兩輪向左轉(zhuǎn)。當(dāng)機(jī)器人位于抱繡球處，因?yàn)槿油昀C球后，機(jī)器人背面比賽擂臺(tái)，此時(shí)就要原地左轉(zhuǎn)，前側(cè)兩輪向左轉(zhuǎn)，后側(cè)兩輪向右轉(zhuǎn)。而且需要旋轉(zhuǎn)一周，由于旋轉(zhuǎn)過(guò)快無(wú)法及時(shí)反饋信息，所以將一周旋轉(zhuǎn)分成兩次90度的直角旋轉(zhuǎn)。至于左側(cè)兩輪旋轉(zhuǎn)和右側(cè)兩輪旋轉(zhuǎn)，一般用在尋找柱子和銅鑼。因?yàn)榻咏繕?biāo)，所以需要效率高的旋轉(zhuǎn)使機(jī)器人更容易尋找目標(biāo)。至于擂臺(tái)四周的

41、行走，我們使用灰度傳感器來(lái)進(jìn)行正確定位。3.6灰度策略設(shè)計(jì)圖3-6 通過(guò)灰度檢測(cè)邏輯機(jī)器人在整個(gè)任務(wù)過(guò)程中，很多次需要接近邊緣進(jìn)行作業(yè)。比如扔繡球、推柱子下臺(tái)以及最后下臺(tái)都需要接近邊緣。扔繡球、推柱子下臺(tái)都使用前置和后置灰度傳感器進(jìn)行檢測(cè)。最后下臺(tái)需要使用底盤(pán)四個(gè)灰度進(jìn)行檢測(cè)。37本章小結(jié)這一章主要闡述各種策略檢測(cè)，這為機(jī)器人控制提供了理論基礎(chǔ)的研究。1）機(jī)器人的整體性能的研究?jī)?nèi)容包括：自主機(jī)芯，自動(dòng)測(cè)距，智能判斷，智能決策和執(zhí)行。2）其中，我們?yōu)榱藴?zhǔn)確尋找柱子并對(duì)準(zhǔn)柱子中央，充分的運(yùn)用了紅外接近傳感器、紅外測(cè)距傳感器和攝像頭，我們采用攝像頭尋找和識(shí)別顏色代替機(jī)器人的“眼睛”，來(lái)找到并確認(rèn)柱子

42、的準(zhǔn)確位置，在靠近柱子過(guò)程中為了不把柱子撞倒，我們采用紅外測(cè)距傳感器來(lái)和柱子保持距離，為了保證機(jī)器人能夠準(zhǔn)確的對(duì)準(zhǔn)柱子中央，我們通過(guò)5個(gè)紅外接近傳感器來(lái)進(jìn)行糾偏，這樣讓機(jī)器人可以正對(duì)柱子中央，達(dá)到相對(duì)應(yīng)的位置技術(shù)挑戰(zhàn)賽。3）危險(xiǎn)狀態(tài)：為了保證的機(jī)器人需要確定其危險(xiǎn)的狀態(tài)，這主要是由兩方面決定的正常操作：首先，要設(shè)置機(jī)器人巡航的危險(xiǎn)半徑，并確定危險(xiǎn)半徑;其次，邊緣是由紅外接近傳感器來(lái)確定。4）執(zhí)行步驟：在一般情況下，機(jī)器人一般是通過(guò)設(shè)置延遲執(zhí)行的動(dòng)作，這種方法簡(jiǎn)單，但也有因?yàn)檫@種編程思想的明顯缺陷，系統(tǒng)執(zhí)行是一個(gè)單一的線(xiàn)程狀態(tài)，即，所述系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)已滿(mǎn)資源延遲系統(tǒng)，這種情況會(huì)出現(xiàn)在系統(tǒng)延遲處理，

43、即使系統(tǒng)無(wú)法應(yīng)對(duì)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，它是需要?jiǎng)澐秩蝿?wù)分成多個(gè)步驟。多線(xiàn)程處理的實(shí)施不會(huì)使某個(gè)進(jìn)程占用的系統(tǒng)資源，保證了機(jī)器人的穩(wěn)定性和安全性。5）優(yōu)先級(jí)設(shè)置：在主程序功能模塊的優(yōu)先級(jí)設(shè)置是實(shí)現(xiàn)功能模塊和實(shí)施策略，實(shí)現(xiàn)的邏輯順序是保證重要保障系統(tǒng)中的每個(gè)策略的系統(tǒng)安全運(yùn)行必須要檢查其優(yōu)先順序，優(yōu)先級(jí)應(yīng)該是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)，如機(jī)器人的危險(xiǎn)狀態(tài)的檢測(cè)，以確保順利完成任務(wù)。特別是在多模塊執(zhí)行時(shí)，確定的優(yōu)先級(jí)是非常重要的。第四章調(diào)試與在線(xiàn)監(jiān)控4.1開(kāi)發(fā)環(huán)境本文中的機(jī)器人是一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，因此調(diào)試工具操作方便。考慮到方方面面的因素，本文選取的Visual C +微軟。Visual C +微軟（C + MSV

44、C，視覺(jué)，VC +或VC）是Microsoft公司推出的Win32環(huán)境程序，面向?qū)ο蟮目梢暬删幊滔到y(tǒng)的開(kāi)發(fā)。它不僅具有自動(dòng)生成程序框架，靈活，方便的管理，代碼編寫(xiě)和界面設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，并可以開(kāi)發(fā)出多種方案，還可以通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)置方案框架，支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)接口，OLE2，的WinSock網(wǎng)絡(luò)，3D控制接口。圖4-1編寫(xiě)窗口圖4-2編譯窗口圖4-3編譯窗口4.2程序模塊設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)4.2.1 IO端口分配表表1為IO端口分配表IO端口對(duì)應(yīng)硬件AD端口對(duì)應(yīng)硬件USB接口0前方左邊接近傳器0后方灰度傳感器攝像頭1前方左中接近傳器11、2號(hào)舵機(jī)2前方中間接近傳器23、4號(hào)舵機(jī)3前方右中接近傳器35、6、7號(hào)舵機(jī)4

45、前方右邊接近傳器47、8、9號(hào)舵機(jī)5后方左邊接近傳器510、11號(hào)舵機(jī)6左邊接近傳感器7后方右邊接近傳器4.2.2尋找柱子策略通過(guò)紅外傳感器對(duì)準(zhǔn)柱子，首先定義一個(gè)函數(shù)，不斷循環(huán)選擇不同位置的的紅外進(jìn)行檢測(cè)和反饋數(shù)值，當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到靠近目標(biāo)時(shí)，此時(shí)進(jìn)入不同選擇項(xiàng)。當(dāng)1號(hào)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，此時(shí)已經(jīng)偏離目標(biāo)，原地左旋轉(zhuǎn)60度，使其正對(duì)目標(biāo)。當(dāng)1、2號(hào)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，此時(shí)已經(jīng)偏離目標(biāo)，原地左旋轉(zhuǎn)45度，使其正對(duì)目標(biāo)。當(dāng)2號(hào)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，此時(shí)已經(jīng)稍偏離目標(biāo)，原地左旋轉(zhuǎn)30度，使其正對(duì)目標(biāo)。當(dāng)2、3號(hào)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，此時(shí)已經(jīng)微偏離目標(biāo)，原地左旋轉(zhuǎn)15度，使其正對(duì)目標(biāo)。當(dāng)3號(hào)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，此

46、時(shí)正對(duì)目標(biāo)，直行到目標(biāo)出進(jìn)行下一步操作。當(dāng)3、4號(hào)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，此時(shí)已經(jīng)微偏離目標(biāo)，原地右旋轉(zhuǎn)15度，使其正對(duì)目標(biāo)。當(dāng)4號(hào)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，此時(shí)已經(jīng)稍偏離目標(biāo)，原地右旋轉(zhuǎn)30度，使其正對(duì)目標(biāo)。當(dāng)4、5號(hào)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，此時(shí)已經(jīng)偏離目標(biāo)，原地右旋轉(zhuǎn)45度，使其正對(duì)目標(biāo)。當(dāng)5號(hào)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，此時(shí)已經(jīng)偏離目標(biāo)，原地右旋轉(zhuǎn)60度。詳細(xì)程序設(shè)計(jì)見(jiàn)附錄53頁(yè)。4.2.3尋找銅鑼策略尋找銅鑼前期利用紅外傳感器進(jìn)行精確定位，當(dāng)1號(hào)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，此時(shí)已經(jīng)偏離目標(biāo)，原地左旋轉(zhuǎn)60度，使其正對(duì)目標(biāo)。當(dāng)1、2號(hào)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，此時(shí)已經(jīng)偏離目標(biāo)，原地左旋轉(zhuǎn)45度，使其正對(duì)目標(biāo)。當(dāng)2號(hào)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，此

47、時(shí)已經(jīng)稍偏離目標(biāo)，原地左旋轉(zhuǎn)30度，使其正對(duì)目標(biāo)。當(dāng)2、3號(hào)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，此時(shí)已經(jīng)微偏離目標(biāo)，原地左旋轉(zhuǎn)15度，使其正對(duì)目標(biāo)。當(dāng)3號(hào)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，此時(shí)正對(duì)目標(biāo)，直行到目標(biāo)出進(jìn)行下一步操作。當(dāng)3、4號(hào)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，此時(shí)已經(jīng)微偏離目標(biāo)，原地右旋轉(zhuǎn)15度，使其正對(duì)目標(biāo)。當(dāng)4號(hào)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，此時(shí)已經(jīng)稍偏離目標(biāo)，原地右旋轉(zhuǎn)30度，使其正對(duì)目標(biāo)。當(dāng)4、5號(hào)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，此時(shí)已經(jīng)偏離目標(biāo)，原地右旋轉(zhuǎn)45度，使其正對(duì)目標(biāo)。當(dāng)5號(hào)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，此時(shí)已經(jīng)偏離目標(biāo)，原地右旋轉(zhuǎn)60度。完成上述步驟，靠近銅鑼時(shí)，啟用攝像頭并且使用打開(kāi)攝像頭的二值化，銅鑼的閾值是207,112，99,29。尋找到

48、合適的擊鑼位置，然后右手臂抬起，不斷來(lái)回?fù)舸颉Ｍ瓿杉榷ㄈ蝿?wù)。詳細(xì)程序設(shè)計(jì)見(jiàn)附錄57頁(yè)。4.2.4尋找邊緣策略機(jī)器人在位于扔繡球和推下柱子時(shí)，都使用灰度傳感器不斷檢測(cè)是否已經(jīng)到達(dá)擂臺(tái)邊緣。不斷獲取灰度信息，當(dāng)前置灰度傳感器檢測(cè)到閾值過(guò)大，超過(guò)既定范圍，此時(shí)，機(jī)器人向后退行，同樣，當(dāng)后置灰度傳感器檢測(cè)到超出范圍，機(jī)器人前進(jìn)。左右灰度傳感器一般用在直角邊，配合前后灰度傳感器使用，詳細(xì)程序設(shè)計(jì)見(jiàn)附錄55頁(yè)。擂臺(tái)的灰度呈圓形分布。如下圖所示，這樣才能不斷反饋信息給控制系統(tǒng)，使機(jī)器人不掉下擂臺(tái)。圖4-4擂臺(tái)賽場(chǎng)地圖4.3調(diào)試流程N(yùn)orthSTAR具有調(diào)試和在線(xiàn)監(jiān)控功能，可以實(shí)時(shí)查詢(xún)傳感器的值、舵機(jī)位置，或

49、者設(shè)置舵機(jī)速度和位置。NorthSTAR中的調(diào)試功能分為兩種：模塊調(diào)試和流程圖調(diào)試。模塊調(diào)試有“IO Input”模塊，“AD Input”模塊和“Servo” 模塊調(diào)試三種。當(dāng)控制器選擇為MultiFlex2-PXA270時(shí)，打開(kāi)“IO Input”模塊屬性，如圖4-11所示。用網(wǎng)線(xiàn)連接上位機(jī)和控制器，點(diǎn)擊“Connect”按鈕，稍等片刻建立連接后，“Query”啟用，此時(shí)選擇要查詢(xún)的通道，點(diǎn)擊“Query”即可進(jìn)行查詢(xún)。如果控制器為MultiFlex2-AVR，模塊屬性如圖4-5所示。把調(diào)試器接到控制器上，將模式設(shè)置為AVRISP模式，點(diǎn)擊“Start service”啟動(dòng)服務(wù)，開(kāi)始下載服

50、務(wù)程序。服務(wù)程序下載完成之后，將調(diào)試器設(shè)置為RS-232模式，打開(kāi)串口，此時(shí)“Query”啟用，點(diǎn)擊即可查詢(xún)當(dāng)前中通道的IO值。圖4-5“IO Input”模塊調(diào)試MutliFlex2-PXA270 “AD Input”模塊和“IO Input”模塊的調(diào)試功能用法相同。如圖4-5，“Servo”模塊的調(diào)試和“IO Input”調(diào)試模塊相似。如圖4-6所示。當(dāng)控制器為MultiFLEX2-PXA270控制器時(shí)，先和控制器建立網(wǎng)絡(luò)連接，然后就可以查詢(xún)舵機(jī)位置、保存舵機(jī)位置、調(diào)試舵機(jī)、卸載舵機(jī)。圖4-6“Servo”模塊調(diào)試MutliFlex2-PXA270 舵機(jī)模式此外可以通過(guò)“Query IO/

51、AD”功能查詢(xún)當(dāng)前IO或者AD通道的值，如圖4-6所示。還可以通過(guò)“Test Servo”功能單獨(dú)調(diào)試舵機(jī)，如圖4-7所示。具體操作和模塊調(diào)試類(lèi)似。圖4-7 IOMultiFLEX2-PXA270控制器圖4-8“Test Servo”MultiFLEX2-PXA270控制器流程圖調(diào)試時(shí)，從菜單ToolsàDebug調(diào)出“Debug”對(duì)話(huà)框，如圖4-8為調(diào)試窗口。調(diào)試有兩種模式：?jiǎn)尾剑⊿tep）和連續(xù)（Continue）。點(diǎn)擊開(kāi)始，在“Step”模式下，可以不斷點(diǎn)擊“Next”按鈕，軟件就會(huì)按照流程圖的邏輯從“start”模塊一直執(zhí)行到“end”模塊后停止；在“Continue”模式下

52、，“Next”按鈕處于禁用狀態(tài)，軟件會(huì)自動(dòng)從“start”模塊執(zhí)行到“end”模塊。在“Continue”模式下，可以點(diǎn)擊“Pause”來(lái)暫時(shí)停止調(diào)試，然后可以點(diǎn)擊“Resume”恢復(fù)調(diào)試。點(diǎn)擊“Stop”可以終止調(diào)試。流程圖中當(dāng)前執(zhí)行的模塊會(huì)處于選中狀態(tài)。在“Step”模式下，可以在點(diǎn)擊“Next”之前修改任意模塊的屬性，然后點(diǎn)擊“Next”，將按照修改后的屬性執(zhí)行；“Continue”模式下，流程圖不可編輯，只有停止調(diào)試后才可以編輯。 調(diào)試前，需要先和控制器建立連接：MultiFlex2-PXA270需要建立網(wǎng)絡(luò)連接，。圖4-9 調(diào)試流程圖表2 調(diào)式記錄離柱子距離4244464850525

53、6586062646668從出發(fā)穩(wěn)定運(yùn)行的平均時(shí)間20.119.818.921.420.120.519.218.418.216.915.413.112.5危險(xiǎn)次數(shù)0000000011101其他異常情況無(wú)忽然轉(zhuǎn)向無(wú)無(wú)無(wú)忽然轉(zhuǎn)向無(wú)忽然轉(zhuǎn)向無(wú)忽然轉(zhuǎn)向無(wú)無(wú)無(wú)電量0.80.80.711111111114.4監(jiān)控流程圖4-10 各傳感器調(diào)試情況機(jī)器人通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)與PC機(jī)連接，設(shè)置IP地址為192.168.0.111?；叶葌鞲衅骱途嚯x傳感器為AD數(shù)據(jù)，紅外傳感器為IO數(shù)據(jù)。不同傳感器具有不同作用。圖4-11攝像頭二值化使用機(jī)器人通過(guò)捕捉圖像信息來(lái)對(duì)齊柱子和銅鑼?zhuān)脠D中的二值化，采用不同的RGB值，不斷調(diào)正個(gè)色

54、值的大小，使其完全覆蓋被檢測(cè)物體。實(shí)現(xiàn)精確定位，完成既定目標(biāo)。4.5本章小結(jié)在機(jī)器人控制，最基本的要求是保證機(jī)器人不能有脫落的部位，以便確保機(jī)器人可以正常位置調(diào)整的領(lǐng)域中，防止機(jī)器人在任務(wù)摔下平臺(tái)，機(jī)器人邊緣檢測(cè)是非常重要的。機(jī)器人的邊緣檢測(cè)主要依賴(lài)于在底部的灰度傳感器，并在底盤(pán)的前部加有紅外接近傳感器。首先，紅外線(xiàn)傳感器是開(kāi)關(guān)傳感器，它主要由一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射器和接收器二極管，利用紅外線(xiàn)反射原理到障礙物的距離的檢測(cè);灰度傳感器是一種模擬傳感器，主要由一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)發(fā)光二極管的兩個(gè)光。主要使用于不同顏色的表面的內(nèi)置光敏電阻反射光檢測(cè)。首先，利用紅外范圍內(nèi)傳感器的檢測(cè)是否移動(dòng)到原點(diǎn)的邊緣，當(dāng)沒(méi)有檢測(cè)到邊緣，它可以被認(rèn)為是機(jī)器人在安全范圍內(nèi)。此時(shí)，機(jī)器人可以繼續(xù)保持其巡航狀態(tài)，使用灰度感器來(lái)計(jì)算其位置和空間狀態(tài)，使用該結(jié)果來(lái)調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。其次，當(dāng)紅外線(xiàn)距離測(cè)量到的邊緣，有幾種情況：1機(jī)器人已達(dá)到場(chǎng)邊緣;2紅外測(cè)距傳感器失效;3紅外傳感器檢測(cè)到黑或吸收平面紅外線(xiàn)。在這種情況下，需要使用灰度傳感器驗(yàn)證的底盤(pán)。如果灰度級(jí)傳感器在安全范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)，就可以判斷所述紅外線(xiàn)傳感器可以是第二或第三例。當(dāng)灰度級(jí)傳感器返回值的異常，該機(jī)器人具有到