大学毕业设计---智能环保卫士机器人白色垃圾拾取系统.doc
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1、摘要 摘 要本文设计了基于数字图像处理和远程控制的智能环保卫士机器人白色垃圾拾取系统。设计了基于数字图像处理技术的智能白色垃圾识别系统,采用CMOS数字图像传感器识别白色垃圾;采用以太网通信技术同Internet联网,实现双向互通;设计了斩波恒流细分步进电机驱动方案,驱动机器人拾取和回收目标垃圾;软件上采取了模糊PID算法,实现灵活的机器人控制;设计了最优化的垃圾搜寻路线确定算法,使机器人高效快捷地寻找目标垃圾。系统采用数字图像处理技术对白色垃圾图像进行识别,运用模糊PID算法的舵机系统控制电机驱动部分,采用步进电机对目标垃圾进行拾取和回收,同时,根据服务性机器人的特点及需求,采用无线以太网接
2、入Internet网,对机器人进行智能远程操控。基本完成了环保卫士机器人的车体和电路部分,实现了白色垃圾的识别、拾取和回收功能。基于数字图像处理技术结合以太网通信技术的环保机器人代替手动人力清扫白色垃圾的方案是可行的。关键词:以太网通信;PID模糊算法;图像采集;环保机器人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 sys
3、tem. 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 Intern
4、et 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
5、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
6、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 RobotsI目录目 录摘 要I目 录I第一章绪论11.1本系统设计的意义11.2 环保机器人我国
7、的发展前景11.3国内外技术水平比较分析21.4 环保机器人在我国发展趋势21.5论文结构3第二章环保机器人系统分析以及硬件设42.1系统功能42.2系统组成42.3系统介绍62.3.1主控器模块72.3.2图像采集模块72.3.3通信模块112.3.4电机模块152.3.5舵机模块162.3.6电源模块18第三章系统软件设计203.1系统软件工作流程203.1.1 HCS12X(图像采集及处理)工作流程203.1.2 XGATE(电机控制及以太网通信)工作流程233.2 系统软件实现及算法分析243.2.1 图像采集系统及数据处理243.2.2 提高系统的工作速率27第四章试验及数据分析28
8、4.1 模糊PID控制在电机中的试验284.2 以太网通信试验数据294.2.1站点数目( N) 对通信延迟的影响294.2.2通信速率对通信延迟的影响304.2.3 改善以太网实时特性314.3数据结果分析32结 束 语33参考文献I致 谢II第一章 绪论1.1本系统设计的意义本系统设计出了一个能在特定场所,按高效的路径进行搜索,实现预定垃圾搜索识别,然后拾取目标垃圾的环保智能小车。实现智能机器人代替手动人力来对街道、公园等大中小型平面场所的白色垃圾的清洁环保工作。1.2 环保机器人我国的发展前景目前市场上销售的保洁机器人有北京利而浦电器有限责任公司的福玛特保洁机器人、浙江海星电子科技有限公
9、司的HA C-2智能吸尘器、深圳银星智能电器有限公司的kv8家用清洁机器人、台湾公司的QQ-2保洁机器人、上海罗宝公司的罗宝智能吸尘器机器人等。服务机器人在家庭中的应用是其发展的一个重要方向,势必涉及到智能传感器单元的应用、通信协议接口、无线通信网络等技术,这也是服务机器人技术在广义上的应用,并有可能带动服务机器人在家用领域的产业应用。国内,以海尔和联想牵头成立的网络家电组织都推出了其实施应用的标准和规范,如海尔集团、清华同方、中国网通等发起组建了家庭网络标准产业联盟e家佳(IT on Home),并由海尔集团推出了“卡萨帝”(Casarte)品牌的UHome网络家电产品。环保机器人是现今科技
10、应用领域的朝阳产业,在未来的服务性机器人发展领域中前景广阔,有待进一步大力推广和实现。1.3国内外技术水平比较分析 根据WTEC评估结果,环保机器人室外导航、机器人体系结构( 控制、机构和计算的集成)、以及部分服务和个人机器人领域,美国始终保持领先地位:日本和韩国在机器人移动技术、人形机器人和部分服务和个人机器人( 包括娱乐) 领域处于领先位置。欧洲在结构化环境的移动技术, 包括城市交通领域保持领先。欧洲还在助老和家庭服务机器人领域资助了重大计划。澳大利亚在定位和导航的理论和应用方面具有优势。我国学术界和企业界在863计划和国家自然科学基金等项目的支持下,先后针对上述技术进行攻关,并取得大量研
11、究成果。但值得指出的是,上述研究成果大都停留在理论研究层面,并没有将研究成果在产品技术上体现出来。从成果应用上看,我国的服务机器人主要以吸尘器机器人和教育平台为主。1.4 环保机器人在我国发展趋势纵观国内外服务机器人的发展,可以发现服务机器人在我国具有广阔的市场空间。首先是老龄化社会和残疾人服务对服务机器人的市场需求。目前我国60岁以上人口已超过总人口的10%,预计到2015年国老年人口总数将达到2亿人,人口的老龄化问题将成为中国面临的前所未有的新挑战;此外,我国残疾人占总人口比重位居全世界较高国家之列。可以预计,在不远的将来,老年人和残疾人的护理将成为社会的一个重要负担 需要一大批护理机器人
12、提供诸如取物、喂饭、翻书等服务,帮助、照顾老年人和残疾人的日常生活,提高他们的生活质量,从而减少社会对护理人员的数量和要求。其次当前,随着城市化的现象日益加剧,城市面积日益加大,相应的城市环卫工作量随城市的发展而日益增大。在公共场所,特别是在公园里人流量较大,对清洁程度要求较高的场所,不仅需要定时清洁,而且要求随时巡逻,清洁少量白色垃圾。本作品研发旨在设计一个能代替环卫工人完成公共场所的巡逻任务并清理垃圾的智能环保机器人,以保持巡逻场所随时保持一个清洁的环境,提高环境清洁效率,同时减少社会清洁员的数量和工作量,节省人力,从而提高现今人群生活的舒适度,以及同自然环境保持一个和谐的关系。1.5论文
13、结构本文阐述以以太网为通信,基于数字摄像头识别的环保卫士机器人的系统设计。系统采用图像识别技术以及特殊图像算法对白色垃圾图像识别,以太网通信技术同Internet联网,并对机器人进行无线智能控制。采用模糊PID算法设计了搞精度,稳定性的舵机控制系统,系统地从理论分析到硬件设计,给出了相应具体的设计方案和模拟仿真。3第二章 环保机器人系统分析以及硬件设2.1系统功能本课题的目标是设计一个能实现在特定平面场所,按高效的搜索路径进行搜索,实现垃圾搜索识别,然后拾取目标的环保智能小车,研究内容大致包括以下三个方面:(1)目标识别:即垃圾的识别,需要在确定背景环境下识别满足要求的目标。此为执行拾取回收的
14、前提条件。(2)目标拾取与回收:在识别出目标之后,需要跟踪目标并拾取。(3)定位与规划搜索路径:对一定区域内的巡逻,需要定位小车的当前位置,并决定如何高效的搜索完该区域。 2.2系统组成本系统选用FREESCALE公司的16位双核微控制器MC9S12XEP100作为主控芯片,选用数字CMOS图像传感器OV6620获取环境信息。微控制器内置两块处理器芯片,分别是S12X处理器和XGATE处理器。S12X处理器负责完成采集摄图像,获取环境信息,根据白色垃圾特征,进行特征匹配等工作,以完成自动垃圾识别。XGATE处理器完成车的移动控制、拾取垃圾机构控制以及通信任务,控制系统框图如图2-1所示。垃圾拾
15、取机构的设计基于模糊PID算法控制舵机驱动并完成垃圾回收,采用步进电机驱动小车移动,以方便定位,机构俯视简图如图2-2所示。 图2-1 系统框图 图2-2 环保卫士机器人的俯视图2.3系统介绍本系统依次通过六个模块进行介绍,分别是主控器模块、图像采集模块、通信模块、电机驱动模块、舵机模块以及电源模块。总体硬件电路图如图2-3所示。 图2-3 系统总体硬件电路图 2.3.1主控器模块本系统以MC9S12XEP100为核心控制器的控制板原理图,从而协调控制各个模块之间的工作,如图2-4是主控芯片电路原理图。图2-4主控器原理2.3.2图像采集模块本系统采用图像传感器对图像信号进行采集,其图像传感器
16、的原理是利用光电器件的光电转换功能,将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的“图像”电信号的一种功能器件。图像传感器的两大主流是CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体元件)和CCD(ChargedCoupled Device电荷耦合元件)。CMOS图像传感器的发展得益于CMOS集成电路工艺的成熟,相对于CCD图像传感器,它具有较低的电源功耗、较高的感光度以及更灵活的图像捕获能力等特点。随着芯片制造技术和信号处理技术的发展,CMOS图像传感器日益受到重视,其应用领域也越来越广,已成为固体图像传感器的研发热点。CMOS图像传感器
17、的总体结构框图如图2-5所示。它们一般由光敏像元阵列、行选通逻辑、列选通逻辑、定时和控制电路、片上模拟信号处理器(ASP)构成,数字式CMOS图像传感器还集成有片上模数(A/D)转换器。 环保机器人的图像采集系统采用了CMOS图像传感器OV6620的摄像头,OV6620的最大分辨率为352288。OV662O是美国OmniVision公司生产的CMOS图像传感器,以其高性能、低功耗适合应用在嵌入式图像采集系统中,本系统图像数据的输入都是通过0V6620采集进来的。 OV6620集成在一个板卡上,有独立的17 MHz晶振。输出3个图像同步的时序信号:像素时钟PCLK、帧同步VSYNC和行同步HR
18、EF。同时,还可以通过8位或16位的数据总线输出RGB或YCrCb格式的图像数据。硬件设计上,有2个问题需要解决,一个是图像采集的严格时序同步,另一个就是双CPU 共享SRAM的总线仲裁。图2-5 CMOS图像传感器的总体结构框图同时,为使数字图像传感器OV6620工作在符合使用要求的状态下,需少量外围电路支持。此外,单芯片图像传感器的使用必须结合透镜镜头组来实现成像功能,镜头组的合理安装也是值得注意的问题。这里根据系统要求设计了一个摄像头模块,模块包括一块安装了OV6620图像传感器的40*28mmPCB、外围电路以及一个定焦镜头。OV6620数字图像传感器的外围电路主要分为时钟输入、电源去
19、耦两个部分,实际没必要对这288行中的每一行视频信号都进行采样,如此会增大S12存储和数据处理的负担,甚至超出S12的处理能力。事实上,机器人的定位系统在纵向上只要有60到80个像素的分辨能力就足够了。因此,我们只需对这288行视频信号中的某些行进行采样就行了。由于特定的白色垃圾信息相对比较简单,每行采集100个点就足以描绘废弃物主要信息。故每帧图像的分辨率为10070。OV6620可以通过IIC总线配置片内寄存器,以使其输出原始RGB数据。在同样照明条件下,各种物体的亮度决定于物体对入射光的反射能力(郎反射系数)。例如白石膏具有最大反射系数100,黑绒有最小反射系数1,因而大部分景物的对比度
20、不超过100。就这个意义上讲,一般图像取样后按256级(8位)灰度层量化是足够的。图2-6是基于以上原理分析和设计的硬件原理电路图。图 2-6 图像采集模块2.3.3通信模块若以太网能作为广域网标准的话,终端用户肯定是最大的拥护者。一是因为用户能用同样的月租租用更大的带宽;二是因为局域网和办公室网络标准统一化,网络升级和维护变得更为方便;三是因为技术人员无需培训不同广域网技术;四是因为减少由于不同标准而附加的多余网络设备。 可是以太网的廉价带宽可能会为运营商带来一些烦恼,唯恐他会蚕食现有数据业务的收入,降低利润,吃力不讨好。但另一方面,他们也意识到以太网业务带来新的数据业务增长点,以太网设备的
21、灵活性可促使用户购买更多的带宽,不再受到传统TDM、 ATM或帧中继设备的制约。在汇聚方面他的高成本效益是传统数据标准如ATM无法比拟的。如今运营商们已普遍把以太网视为新的业务亮点,利用他来填补网络泡沫后的业务损失。基于以上的优势,不少运营商已在计划或正在铺设以太网到他们的广域网中。使他们头痛的是哪一种网络模式既具有高度的灵活性及可靠性,而投入又较低。这就是我们要提倡的“高效能以太网”。到底是全网统一成一个标准,还是把网络分割使用不同网络标准于不同逻辑层呢?如若全网统一标准,那么互联互通将不再是个问题。可事实说明某种标准在网络某个部分可能是最佳、最高效的,但用在其他部分可能是不符合经济效益和难
22、以扩展的。如若基于不同的网络部分使用不同的网络技术,那么每项技术将得以最佳的发挥,网络得以合理的铺展。当然,技术间的互联互通需要非常好地解决。然而互联互通问题近年已得到非常大的改善,如使用MPLS使不同的网络数据(IP, ATM, 帧中继, Ethernet, etc.)在同网络上传送。基于以上优势,本系统采用以太网通信。为实现没有操作系统的Internet 连接,系统选用以太网控制器W5100扩展以太网通信功能。W5100集TCPIP协议栈、以太网MAC和PHY为一体,支持ICP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE等网络协议。它提供多种总线,包括两种并行总线(直接总线接
23、口和间接总线接口),以及SPI串行总线等接口方式。内置16 kbyte发送接收数据缓冲区,可快速进行数据交换,W5100支持且自动识别。全双工或半双工的传输模式,并可实现且兼容100 M以太网络W5100 是一款多功能的单片网络接口芯片,内部集成有10/100 以太网控制器,主要应用于高集成、高稳定、高性能和低成本的嵌入式系统中。使用W5100可以实现没有操作系统的Internet连接。W5100与IEEE802.3 10BASE-T 和802.3u 100BASE-TX 兼容。W5100 内部集成了全硬件的、且经过多年市场验证的TCP/IP 协议栈、以太网介质传输层(MAC)和物理层(PHY
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