【導(dǎo)讀】術(shù)于一體，成為當(dāng)今機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點之一。計算機(jī)視覺具有信息。量豐富，信號探測范圍廣，獲取信息完整等優(yōu)點。近年來廣泛應(yīng)用于自。AGV控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自主移動機(jī)器人的視覺導(dǎo)航功能。下幾個方面的研究內(nèi)容。機(jī)器人視覺導(dǎo)航圖像處理算法設(shè)計，驅(qū)動部分。位機(jī)進(jìn)行通信，下位機(jī)根據(jù)路徑信息指定模糊控制算法。動機(jī)器人，提供了良好的實驗平臺。

　　

【正文】 27 圖 35 路徑中值 可以看到我們已經(jīng)可以得到一條可以提現(xiàn)路徑特性的曲線，此時我們采用最小二乘法以提取出這條道路的對應(yīng)參數(shù)。 曲線擬合中最基本和最常用的是直線擬合。設(shè) x 和 y 之間的函數(shù)關(guān)系為： baxy ?? （ ） 式中有兩個待定參數(shù)， a 代表截距， b 代表斜率。對于等精度測量所得到的 N 組數(shù)據(jù)（ xi， yi ）， i＝ 1， 2…… ， N， xi 值被認(rèn)為是準(zhǔn)確的，所有的誤差只聯(lián)系著 yi。下面利用最小二乘法把觀測數(shù)據(jù)擬合為直線。 用最小二乘法估計參數(shù)時，要求觀測值 yi 的偏差的加權(quán)平方和為最小。對于等精度觀測值的直線擬合來說，可使下式的值最?。? ?? ??Ni ii bxay1 2)]([ （ ） 上式分別對 a、 b 求偏導(dǎo)得： ?????????????????????????????????NiiiNiiiNiiiNiiibxaybaybbxaybaya1211210)(2)]([0)(2)]([ （ ） 整理后得到方程組 ???????????? ? iiii ii yxxbxayxbaN2 （ ） 解上述方程組便可求得直線參數(shù) a 和 b 的最佳估計值。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 222~)()( ))(())(( ?? ???? ??? ii iiiii xxN yxxyxa （ ） 22~ )()( ))(()( ?? ?? ???iiiiii xxN yxyxNb （ ） 現(xiàn)在給出 OpenCV 的實現(xiàn)算法： double t1=0, t2=0, t3=0, t4=0。 double s_row=row/semble_set。 for(int i=0。 irow。 ++i) { if( i%semble_set !=0) continue。 t1 += x[i]*x[i]。 t2 += x[i]。 t3 += x[i]*y[i]。 t4 += y[i]。 } a = (t3*s_row t2*t4) / (t1*s_row t2*t2)。 b = (t1*t4 t2*t3) / (t1*s_row t2*t2)。 由此得到的擬合直線如圖 38 所示。 圖 38 擬合直線 可以看出，即便在實際道路中對 比度很差的情況下，依然可以將道路的相關(guān)信息提取出來。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 信息傳輸 經(jīng)過以上的操作，已經(jīng)可以得到道路的斜率以及截距的路徑特征信息。下位機(jī)需要根據(jù)這兩個信息以控制小車的運動，這就涉及上位機(jī)與下位機(jī)的通信問題。本系統(tǒng)采用的是最簡單的串口通信，其實物連接圖如 39 所示。因為 raspberryPi 所采用的通信電平為 0—，而Arduino 所采用的通信電平為 0—5v，需要對其電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 圖 39 串口通信電路圖 上位機(jī)對應(yīng)的發(fā)送程序如下： 設(shè)置波特率 SimpleSerial Serial(/dev/ttyAMA0,9600)。 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)并發(fā)送 Void main() { ... slope = a。 intercept = bcolumn/。 sprintf(san1,%f,slope)。 //浮點數(shù)據(jù)變字符串 sprintf(san2,%f,intercept)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 str1 = san1。 str2 = san2。 str3 = str1+ +str2。 (str3)。 cout str3 endl。 ... } 通過以上的程序，可以把得到的浮點數(shù)據(jù)合并為一個字符串的形式發(fā)送給下位機(jī)。 下位機(jī)對應(yīng)的程序如下： void setup() { (9600)。 // 設(shè)置波特率 } void get_data() { if(()) { int i=0,j=0。 data = 。 char s1[20]=。 char s2[20]=。 i = 0。 j = 0。 while (() 0) { data +=char(())。 delay(2)。 } while(data[i]!=39。 39。) // 讀取斜率 { 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 s1[i]=data[i]。 i++。 } i++。 while(data[i]!=39。\039。) // 讀取截距 { s2[j]=data[i]。 i++。 j++。 } if (() 0) { data = 。 } slope = atan(atof(s1))*180/PI。 intercept = atof(s2)。 ()。 //清空緩存 } } 下位機(jī)接收到形式如 “ ”的數(shù)據(jù)，從中分離出斜率以及截距。 本章小結(jié) 本章詳細(xì)的介紹了圖像處理過程中的 圖像采集、 RGB 圖像轉(zhuǎn) HSV圖像、 HSV 圖像增強(qiáng)、灰度二值化、去離散噪聲這些基本的圖像預(yù)處理方法，并給出了它們的 Matlab 以及 OpenCV 的實現(xiàn)方法。同時對中值法提取曲線、最小二乘法提取直線進(jìn)行了推導(dǎo)并給出了相應(yīng)的實現(xiàn)方法。最后結(jié)合串口通信，介紹了上位機(jī) 與下位機(jī)的通信方式。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 32 4. 驅(qū)動控制部分的設(shè)計與分析 引言 本章對各種移動機(jī)器人驅(qū)動結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析對比，根據(jù)機(jī)器人應(yīng)用場合，選擇適合的結(jié)構(gòu)。設(shè)計并制作移動機(jī)器人。之后，對所選擇的帶一個萬向輪的差速驅(qū)動結(jié)構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)分析，從而得到機(jī)器人在運動空間范圍內(nèi)的數(shù)學(xué)模型。 驅(qū)動方式分析 相對于任何步態(tài)的機(jī)器人，無論是地面移動的還是壁面移動的機(jī)器人，輪式移動機(jī)器人在移動速度上都存在著極大的優(yōu)勢。本章主要對常用的輪式驅(qū)動方式性能進(jìn)行分析對比，如表 41 所示。常用的輪式驅(qū)動方式分別為：差速驅(qū)動方式、同步驅(qū)動方式、三輪車結(jié)構(gòu)驅(qū)動 方式和汽車結(jié)構(gòu)驅(qū)動方式。結(jié)合本課題的需求，通過分析對比，最終選擇了帶一個萬向輪的差速驅(qū)動結(jié)構(gòu)的移動機(jī)器人，如圖 41 所示。因為采用這種驅(qū)動方式的機(jī)器人運動靈活，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，適合于室內(nèi)機(jī)器人的工作環(huán)境。 圖 41 機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖 本章采用的帶一個萬向輪的差速驅(qū)動結(jié)構(gòu)的驅(qū)動方式，最終制作的哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 33 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖 41 所示。 雙 輪差分驅(qū)動的運動學(xué)分析 本系統(tǒng)采用雙輪差分驅(qū)動的模型如圖 42 所示。對于平臺做如下假設(shè)： 圖 42 模型示意圖 （ 1） 平臺具有剛性外殼，且兩個輪子不變形； （ 2） 輪面與接觸面垂直并保持點接觸，忽略所有輪厚度對于平臺的運動影響； （ 3） 輪子與接觸面間不發(fā)生與軸向平行的滑動，而只發(fā)生繞軸方向的純滾動； （ 4） 平臺在二維平面內(nèi)運動； （ 5） 兩個驅(qū)動輪具有相同的尺寸，且兩輪軸心線同平臺的前后運動方向相垂直。 在 上 述 假 設(shè) 下 ， 移 動 機(jī) 器 人 的 位 姿 可 由 廣 義 坐 標(biāo) 向 量Tpp yxq ][ ??表示，其中),( pp yx為平臺參考點 P 在二維平面的投影坐標(biāo)， θ 為平臺的導(dǎo)航角，即平臺前進(jìn)方向同坐標(biāo)系 X 軸之間的夾角。取兩輪中間點 M 為觀察點，對于該點有如下數(shù)學(xué)關(guān)系。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 34 ??????????????????drrSinrryCo srrxLRLRMLRM?????????2)(2)( （ ） 方程可以簡化為 ????????????????????????????????????????RLMMdrdrSinrSinrCo srCo sryx???????2222 （ ） 對于圖 42 所示的移動平臺模型，可將兩個驅(qū)動輪簡化為居于軸連線中點 M 處的單個驅(qū)動輪，則該虛擬單輪系統(tǒng)所受的非完成約束為 0?? ?? ?? C osySinx MM （ ） 移動平臺的廣義坐標(biāo)向量有三個分量：?,yx，而平臺的控制分量只有兩個驅(qū)動輪的旋 轉(zhuǎn)角速度 L?和 R，這是典型的非完整約束問題。平臺在運動中，約束方程始終滿足，這就意味著平臺運動的瞬時速度方向，同平臺朝向相同。平臺方向的改變只能通過兩個輪子之間的速度差值實現(xiàn)，而平臺運動軌跡則由一系列繞瞬時圓心旋轉(zhuǎn)的小段圓弧組成。 對于本系統(tǒng)，轉(zhuǎn)彎半徑可由以下計算得出。由 式知系統(tǒng)的線速度、角速度分別為 2)( RLMMM ryxv ?? ???? ?? （ ） dr LR )( ???? ??? ? （ ） 因 Rv MM ??，可得 M 點的拐彎半徑 LRLRMM dvR ?? ??? ???? 2 （ ） 由式（ ）可以看出：當(dāng) RL???時，旋轉(zhuǎn)角速度為 0，轉(zhuǎn)彎半徑為哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 35 無窮大，平臺在前后方向上直線運動；當(dāng) RL?? ??時，轉(zhuǎn)彎半徑等于0，平臺圍繞 M 點做原地旋轉(zhuǎn)運動。 測速模塊設(shè)計 旋轉(zhuǎn)編碼器又稱為碼盤，通常安裝于電機(jī)的輸出軸，將連續(xù)輸入的軸旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行離散化和量化后輸出。 本系統(tǒng)采用增量式光電編碼器，當(dāng)正傳時，只輸出正向脈沖信號；當(dāng)反轉(zhuǎn)時，只輸出反向脈沖信號。測速采用 M 方 法與 T 方法結(jié)合的M/T 方法。 M 法通過測量規(guī)定時間內(nèi)的編碼器脈沖數(shù)目來獲得被測速度。假設(shè)在時間 T 內(nèi)檢測到 M 個編碼器脈沖，則被測速度可以計算為 ZTMn 60? （ ） 其中， Z 為旋轉(zhuǎn)一周編碼器輸出的脈沖數(shù)目， n 的單位為 r/min，表示每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)。 M 法測速的分辨率為 ZTQ 60? （ ） 誤差為 %1001max ?? M? （ ） 由式（ ）可以看出， M 法的測速誤差率同檢測到的脈沖數(shù)目成正比。在規(guī)定的視覺內(nèi)，脈沖數(shù)目越多，說明轉(zhuǎn)速越快，此時檢測誤差越小。隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差增大，轉(zhuǎn)速過低時將有可能小于 1，測速裝置不能正常工作。因此， M 法只適用于測高速。 T 法通過測量相鄰兩個編碼器輸出脈沖之間的時間的長度來獲取速度。在編碼器脈沖的上升沿啟動計數(shù)器 ，該計數(shù)器對某一頻率為 f 的高頻進(jìn)行計數(shù)；當(dāng)下一個編碼器脈沖來臨時停止計數(shù)。假設(shè)此時的計數(shù)值為 M，被測速度可以計算為 ZMfn 60? （ ） T 法測速的分辨率和誤差率可以分別確定為 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 36 )1(6060)1(60 ????? MZM fZM fMZ fQ （ ） %10011%1006060)1(60m ax ??????? MZMfZMfMZf? （ ） 由式（ ）可以看出：在低速時，編碼器相鄰脈沖間隔時間長，測得的高頻脈沖個數(shù) M 多，所以誤差率小，測量精度高，因此 T 法測速適用于低速段。 M 法和 T 法測速分別在高速段和低速段具有較高的分辨率，因此將這兩種方法相結(jié)合：既檢測某段時間內(nèi)的編碼器輸出脈沖個數(shù)，又檢測同一時間間隔內(nèi)的高頻脈沖數(shù)目，利用這倆個計數(shù)值計算轉(zhuǎn)速，這種方法為 M/T 法。假設(shè)這兩個計數(shù)值為 M1 和 M2，高頻脈沖頻率為 f，則M/T 法的測速公式為 2160ZMfMn? （ ）