【正文】 儀數(shù)字化改造中光電成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，《河北理工大學(xué)學(xué)報(bào)》（自然科學(xué)版） 2021年 3月 5）基于 Sobel算子的弧形材料邊緣檢測(cè)，《煤礦機(jī)械》 2021年 1月 一、申請(qǐng)理由 （ 包括自身具備的知識(shí)條件、自己的特長(zhǎng)、興趣、已有的實(shí)踐創(chuàng)新成果等 ） 本人通過(guò)大學(xué)三年的學(xué)習(xí)，基本掌握了一些基本的單片機(jī)、電路、 PLC、圖像處理、模式識(shí)別等相關(guān)知識(shí)，也 曾獨(dú)自制作過(guò)小收音機(jī)等器件，具有一定的動(dòng)手能力，敢于挑戰(zhàn)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，這次想通過(guò)這次機(jī)會(huì)將理論用于實(shí)踐，進(jìn)一步檢驗(yàn)自己對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握程度 二、項(xiàng)目方案 具體內(nèi)容包括： 項(xiàng)目研究背景（國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及研究意義、項(xiàng)目已有的基礎(chǔ)，與本項(xiàng)目有關(guān)的研究積累和已取得的成績(jī)，已具備的條件，尚缺少的條件及方法等） 一、 項(xiàng)目研究意義：足球機(jī)器人是屬于代表發(fā)展方向的第三代智能機(jī)器人，它是高科技的集成，足球機(jī)器人視覺(jué)面對(duì)的是真彩色圖像和動(dòng)態(tài)目標(biāo)的實(shí)時(shí)識(shí)別，這是機(jī)器人視覺(jué)領(lǐng)域的挑戰(zhàn)性課題，而機(jī)器人足球的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是 50 年后的人機(jī)大戰(zhàn)，它是一個(gè)劃時(shí)代的工程，意義重大，目前日本在這方面做的最好。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，采用電能驅(qū)動(dòng)，不會(huì)造成環(huán)境污染，噪聲低不會(huì)妨礙人們的日常生活。包括彎道，直道以及在路面設(shè)置障礙物等。在彎、直道上，小車沿著預(yù)定軌道自由行駛，當(dāng)小車遇到障礙物時(shí)脈沖調(diào)制的紅外傳感器，將檢測(cè)到的信息傳送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)程序發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，控制小車自動(dòng)避開(kāi)障礙物，進(jìn)行倒車、前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動(dòng)作。 成果形式及數(shù)量： 成果形式：實(shí)物 數(shù)量： 1 指導(dǎo)教師意見(jiàn)： 簽字： 年 月 日 學(xué)校專家組建議： 專家組成員簽字： 年 月 日 學(xué)校意見(jiàn) 教務(wù)處負(fù)責(zé)人簽字： 年 月 日 江蘇省高等學(xué)校 大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目申報(bào)表 推 薦 學(xué) 校 ： （蓋章） 項(xiàng) 目 名 稱 ： 機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究（足球機(jī)器人） 項(xiàng) 目 類 型 ： 省級(jí)指導(dǎo)項(xiàng)目 所屬一級(jí)學(xué)科名稱： 工學(xué) 項(xiàng) 目 負(fù) 責(zé) 人 ： 程杰 聯(lián) 系 電 話 ： 18861338697 指 導(dǎo) 教 師 ： 徐蘇 聯(lián) 系 電 話 ： 13815651719 申 報(bào) 日 期 ： 江蘇省教育廳 制 二○一三年三月 項(xiàng)目申報(bào)書(shū) 項(xiàng)目名稱 機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究（足球機(jī)器人） 項(xiàng)目所屬 一級(jí)學(xué)科 工學(xué) 項(xiàng)目所屬 二級(jí)學(xué)科 自動(dòng)化類 項(xiàng)目類型 （ ）重點(diǎn)項(xiàng)目 （ ）一般項(xiàng)目 （ √ ）指導(dǎo)項(xiàng)目 項(xiàng)目實(shí)施時(shí)間 起始時(shí)間： 2021 年 4 月 完成時(shí)間： 2021 年 7 月 項(xiàng) 目 簡(jiǎn) 介 (100 字以內(nèi)） 足球機(jī)器人視覺(jué)子系統(tǒng)由攝像頭、圖像采集卡和圖像處理軟件組成，在視覺(jué)系統(tǒng)工作之前必須對(duì)系統(tǒng)的一些數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，初始化工作主要包括攝像頭標(biāo)定和機(jī)器人色標(biāo)的標(biāo)定，通過(guò)攝 像頭捕捉圖像，然后圖像采集卡進(jìn)行采集，最后通過(guò)圖像處理軟件進(jìn)行圖像處理，達(dá)到圖像識(shí)別，從而使機(jī)器人做出相應(yīng)的動(dòng)作。 二、項(xiàng)目研究目標(biāo)及主要內(nèi)容： 項(xiàng)目主要研究機(jī)器人對(duì)真色彩圖像及動(dòng)態(tài)目標(biāo)的實(shí)時(shí)識(shí)別，從而達(dá)到人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人研究的一個(gè)創(chuàng)新，在研究過(guò)程中如何更好的捕捉動(dòng)態(tài)圖像，以及如何及時(shí)有效的對(duì)圖像進(jìn)行處理將是項(xiàng)目的關(guān)鍵之處，這里需要用到很多圖像處理方面的知識(shí)，牽扯到一些復(fù)雜的算法計(jì)算。 — ： 在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用研究、分析，語(yǔ)言的編程，簡(jiǎn) 單測(cè)試。 六、項(xiàng)目組成員分工 程杰 :主要負(fù)責(zé)項(xiàng)目的總體規(guī)劃，硬件設(shè)計(jì)及軟件編寫 朱恩澤：電路板的接線，資料收集整理，軟件的仿真和測(cè)試。通過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)，可以提高學(xué)生的科研能力，以及對(duì)知識(shí)的掌握和靈活應(yīng)用的能力。但在做項(xiàng)目的過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了我們有很多的不足，在專業(yè)知識(shí)方面的掌握還有待提高。系統(tǒng)由 51 單片機(jī)通過(guò) IO 口控制小車的前進(jìn)后退以及轉(zhuǎn)向。 （ 3）小車在行駛過(guò)程中若遇到障礙物能夠自動(dòng)避讓，繞過(guò)障礙物后將會(huì)自動(dòng)安全行駛。單片機(jī)就是否收到反射回來(lái)的紅外光為依據(jù)來(lái)確定黑線的位置和小車的行走路線。 為較好的實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，我們分別設(shè)計(jì)了幾種方案并分別進(jìn)行了論證。其次，這種電動(dòng)車一般都是前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動(dòng)，不能適應(yīng)該題目的方格地圖，不能方便迅速的實(shí)現(xiàn)原地保持坐標(biāo)轉(zhuǎn) 90 度甚至 180 度的彎角。 方案 2：自己制作電動(dòng)車。 在安裝時(shí)我們保證兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)同軸。 綜上考慮，我們選擇了方案 2。但本系統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯功能，對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高。但是當(dāng)凌陽(yáng)單片機(jī)應(yīng)用語(yǔ)音處理和辨識(shí)時(shí)，由于其占用的 CPU 資源較多而使得凌陽(yáng)單片機(jī)同時(shí)處理其它任務(wù)的速度和能力降低。 方案 3： AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。 電源模塊 由于本系統(tǒng)需要電池供電，我們考慮了如下集中方案為系統(tǒng)供電。鋰電池的電量比較足，并且可以充電，重復(fù)利用，因此，這種方案可行。 方 案 2：采用兩片 7812 將電壓穩(wěn)壓至 12V后給直流電機(jī)供電，然后采用 2576將電壓穩(wěn)至 5V。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。 但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。 RPR220 采用 DIP4 封裝，其具有如下特點(diǎn)：塑料透鏡可以提高靈敏度。此光電對(duì)管調(diào)理電路簡(jiǎn)單，工作性能 穩(wěn)定。因此，我們選擇了這個(gè)值得我們?nèi)L試的方案。 方案 1：采用直流減速電機(jī)。由于其轉(zhuǎn)過(guò)的角度可以精確的定位，可以實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)路程和位置的精確定位。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 方 案 1：采用專用芯片 ULN2021 作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。所以有必要考慮這個(gè)方案。 方案 2：對(duì)于直流電機(jī)用分立元件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。 無(wú)線發(fā)射接收模塊 方案 1： PT2262 和 PT2272 無(wú)線模塊。 方案 2：其他無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，如 nRF40紅外線或藍(lán)牙模塊，由于其價(jià)格較昂貴，不利于調(diào)試，而且系統(tǒng)中不需傳輸大量的數(shù)據(jù)，因此我們放棄了此方案。紅外具有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射與接收二極管，發(fā) 射管發(fā)射一定頻率的紅外信號(hào)，接收管接收這種頻率的紅外信號(hào)，當(dāng)紅外的檢測(cè)方向遇到障礙物（反射面）時(shí)，紅外信號(hào)反射回來(lái)被接收管接收，經(jīng)過(guò)處理之后，通過(guò)數(shù)字傳感器接口返回到機(jī)器人主機(jī)，機(jī)器人即可利用紅外波的返回信號(hào)來(lái)識(shí)別周圍環(huán)境的變化。 超聲波是一種一定頻率范圍的聲波。 通過(guò)兩種方案的比較，紅外傳感器的性能較穩(wěn)定，我們選擇了方案 1。 （ 4）用 ST188 光電傳感器進(jìn)行尋跡。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 所示： 圖 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 二、硬件實(shí)現(xiàn)及單元電路設(shè)計(jì) 微控制器模塊的設(shè)計(jì) 我們?cè)陂_(kāi)發(fā)過(guò)程中使用 51 單片機(jī)，方便程序的調(diào)試和整機(jī)的測(cè)試，待系統(tǒng)調(diào)試完成后，將單片機(jī)從開(kāi)發(fā)板上取下，安裝在小車系統(tǒng)板的單片機(jī)座中，由于本次設(shè)計(jì)要求中，小車需要完成的任務(wù)比較簡(jiǎn)單，因此我們只在小車系統(tǒng)板的單片機(jī)系統(tǒng)中保留了晶振和復(fù)位電路。 在小車具體的循跡行走過(guò)程中，為了能精確測(cè)定黑線位置并確定小車行走的方向，需要同時(shí)在底盤裝設(shè) 4 個(gè)紅外探測(cè)頭，進(jìn)行兩級(jí)方向糾正控制，提高其循跡的可靠性。小車行走時(shí)，始終保持黑線（如圖 2 中所示的 行走軌跡黑線）在 InfraredMR 和 InfraredML 這兩個(gè)第一級(jí)傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時(shí)，第一級(jí)探測(cè)器一旦探測(cè)到有黑線，單片機(jī)就會(huì)按照預(yù)先編定的程序發(fā)送指令給小車的控 制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再對(duì)小車路徑予以糾正。 該電路的特點(diǎn)如下 : ULN2021 的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè) ,在 5V 的工作電壓下它能與 TTL 和 CMOS 電路 直接相連 ,可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器。接收模塊采用具有鎖存功能的 PT2272L4 芯片 ,該芯片能夠較好的控制小車按預(yù)置的黑線行駛。 我們把小車直線行進(jìn)時(shí)分成三種狀態(tài)，當(dāng)中間四個(gè)傳感器都檢測(cè)到白線時(shí)，小車在跑道的正上方，這時(shí) 控制兩電機(jī)同速度全速運(yùn)行。 該檢測(cè)傳感器子程序的流程圖如圖 6 所示： 圖 6 傳感器信息處理子程序流程圖 四、系統(tǒng)功能測(cè)試 表 1 測(cè)試儀器設(shè)備清單 儀器名稱 型號(hào) 用途 數(shù)量 PC機(jī) 聯(lián)想 調(diào)試及下載程序 1 數(shù)字萬(wàn)用表 MASTECH my－ 65 測(cè)量各電路工作情況 1 秒表 記錄時(shí)間 1 小車從啟動(dòng)區(qū)開(kāi)始行駛能夠較好的按著預(yù)置的黑線軌跡運(yùn)動(dòng)，且在遇到障礙物時(shí)有著較好的避障的效果，在偏離軌跡較大時(shí)可以通過(guò)無(wú)線很好的控制它，使它從新按著黑線行駛，從而做到了完全控制小車按巡跡要求行駛，達(dá)到了該項(xiàng)目設(shè)計(jì)之初的任務(wù) 。由于設(shè)計(jì)要求并不復(fù)雜，我們沒(méi)有在電路中增加冗余的功能，但是我們保留了各種硬件接口和軟件子程序接口，方便以后的擴(kuò)展和進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)。在此，還感謝下指導(dǎo)老師盡心的指導(dǎo)和學(xué)長(zhǎng)們熱心的幫助。傳感器和信號(hào)調(diào)節(jié)，第 2版。宗光華，楊 洋，唐伯雁譯。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)。單片微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)。 如果實(shí)際電路是：遇到白線輸出 1，遇到黑線輸出 0， 這種情況下只需要將第四，第五句改成： define m0 1 define m1 0 即可。 sbit IN2=P2^1。