一种自动跟随移动机器人的研究与实现

摘要

随着机器人技术研究越来越深入，将视觉技术应用在移动机器人成为新的研究方向。自动跟随移动机器人应该具有目标识别和自主导航的功能，可以服务于特定的目标对象，帮助人们完成任务。本文设计的移动机器人通过单目视觉系统识别目标，并通过运动控制实现对人物目标自动跟随。
　　首先，对跟随移动机器人进行了总体方案设计。其采用双轮驱动的机器人移动平台，利用直流电机实现指定方式的运动。机器人的嵌入式系统采用两级系统，即运动控制子系统和视觉子系统，并分析了电机的选用和视觉核心的选型。
　　其次，对运动控制子系统进行了硬件和软件设计。运动控制子系统以MC9S12XE256芯片为控制核心，采用LMD18200T实现电机驱动。运动控制包括PWM调速、PID速度反馈和超声波避障等模块，实现了机器人的自主运行。软件部分通过CodeWarrior软件编写运动控制程序，使机器人的运动具有较好的快速性和稳定性。
　　再次，针对识别目标的任务要求，设计了视觉子系统，包括图像采集模块和图像处理模块。通过OV7620数字摄像头获取图像，经过FIFO数据缓存器，完成图像数据的采集。图像处理由DSP完成，其中整个过程的时序逻辑控制都由CPLD芯片完成。图像处理后得到的结果通过串口通信传到运动控制子系统。
　　接下来，针对跟随的实时性要求，对图像处理软件部分进行了设计，提出了一种快速有效的识别方案。以目标衣服色彩作为特征值，通过数据恢复、色彩空间转换、特征匹配、中值滤波和目标位置提取等一系列运算，可以准确得到目标与机器人的相对位置。
　　最后，对跟随移动机器人进行了调试和实验。实验结果表明，本文所设计的跟随移动机器人的嵌入式系统，能够满足功能要求，所提出的算法正确、有效。在简单环境下，机器人能够完成跟随目标的任务。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 移动机器人概述

1．2．1 移动机器人国内外研究概况

1．2．2 移动机器人发展趋势

1．3 跟随移动机器人关键技术探讨

1．3．1 跟随移动机器人机械结构

1．3．2 跟随移动机器人体系结构

1．3．3 跟随移动机器人的运动控制

1．3．4 跟随移动机器人的导航

1．4 论文主要研究内容

第二章 总体方案设计

2．1 功能需求分析

2．2 跟随方案制定

2．3 机械结构设计

2．4 嵌入式系统设计

2．4．1 运动控制子系统设计

2．4．2 视觉子系统设计

2．5 电源设计

2．6 本章小结

第三章 运动控制子系统设计

3．1 运动控制总体设计

3．2 运动控制硬件实现

3．2．1 核心电路设计

3．2．2 直流电机驱动电路

3．2．3 速度反馈电路

3．3 运动控制软件设计

3．3．1 软件系统总体设计

3．3．2 PWM电机控制

3．3．3 PID参数调节

3．3．4 避障模块

3．4 本章小结

第四章 视觉子系统硬件设计

4．1 视觉子系统框架设计

4．2 图像处理母板

4．2．1 DSP控制核心

4．2．2 DSP的储存空间扩展

4．2．3 DSP与运动控制的通信

4．3 图像采集子板设计

4．3．1 图像采集方案

4．3．2 OV7620采集设备

4．3．3 数据缓存模块

4．4 本章小结

第五章 视觉子系统软件设计

5．1 图像的读取

5．1．1 OV7620控制协议

5．1．2 CPLD逻辑控制

5．1．3 DSP读取数据

5．2 自动跟随算法研究

5．2．1 图像数据的恢复

5．2．2 色彩空间的转换

5．2．3 目标特征值提取

5．2．4 目标区域提取

5．2．5 目标位置获取

5．3 自动跟随判别实现

5．4 本章小结

第六章 跟随移动机器人实现和算法验证

6．1 自动跟随移动机器人原型

6．2 运动控制子系统调试

6．3 视觉子系统调试

6．4 自动跟随算法验证

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

硕士期间发表论文