完整版智能环保卫士机器人白色垃圾拾取系统毕业论文.docx
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完整版智能环保卫士机器人白色垃圾拾取系统毕业论文
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
Thisarticleisdesignedbasedondigitalimageprocessing,intelligentrobotsinsteadofmanualcleaningofhumanwasteinpublicplacesofthewhitesystem.Identificationbasedondigitalcameratechnologytoidentifythewhitetrash,afteridentificationbyservocontroltopickupongarbageandrecyclingtargetsand,basedonthecharacteristicsofservicerobotsanddemand,notthroughtheoperationofthehardwaredesigntorealizeTheInternetconnectionandintelligentcontrol.Thesystemusesimagerecognitiontechnology,andspecialimagesofwhitetrashimagerecognitionalgorithm;withEthernetnetworkingtechnologywiththeInternet,andwirelessintelligentrobotcontrol;fuzzyPIDalgorithmdesignedoutprecision,stabilityoftheruddermachinecontrolsystem.Thetestanddataanalysis,theidentificationprocessofthewhitetrash,whitetrashontheidentificationofmoreaccuratetomeettheneedsofordinarypeople;andintrials,intelligentrobotworkenvironmentfastresponse,youcanachievecleanandefficientenvironment.Basedonthedigitalcamerarecognitiontechnologytoidentifythewhitetrash,Ethernetcommunicationtechnologycontroltheenvironmentalrobotsystemisfeasible.
Keywords:
Ethernet;PIDFuzzyalgorithm;ImageAcquisitionEnvironmentalRobots
目录
摘要I
目录I
第一章绪论1
1.1本系统设计的意义1
1.2环保机器人我国的发展前景1
1.3国内外技术水平比较分析2
1.4环保机器人在我国发展趋势2
1.5论文结构3
第二章环保机器人系统分析以及硬件设4
2.1系统功能4
2.2系统组成4
2.3系统介绍6
2.3.1主控器模块7
2.3.2图像采集模块7
2.3.3通信模块11
2.3.4电机模块15
2.3.5舵机模块16
2.3.6电源模块18
第三章系统软件设计20
3.1系统软件工作流程20
3.1.1HCS12X（图像采集及处理）工作流程20
3.1.2XGATE（电机控制及以太网通信）工作流程23
3.2系统软件实现及算法分析24
3.2.1图像采集系统及数据处理24
3.2.2提高系统的工作速率27
第四章试验及数据分析28
4.1模糊PID控制在电机中的试验28
4.2以太网通信试验数据29
4.2.1站点数目（N）对通信延迟的影响29
4.2.2通信速率对通信延迟的影响30
4.2.3改善以太网实时特性31
4.3数据结果分析32
结束语33
参考文献I
致谢I
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司的HAC-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（ITonHome），并由海尔集团推出了“卡萨帝”（Casarte）品牌的U—Home网络家电产品。
环保机器人是现今科技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。
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（ComplementaryMetalOxideSemiconductor金属氧化物半导体元件）和CCD（ChargedCoupledDevice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352×288。
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17MHz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HREF。
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2-5CMOS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100×70。
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TCP／IP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（直接总线接口和间接总线接口），以及SPI串行总线等接口方式。
内置16kbyte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100M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IEEE802.310BASE-T和802.3u100BASE-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）。
硬件TCP/IP协议栈支持TCP，UDP，IPv4，ICMP，ARP，IGMP和PPPoE，这些协议已经在很多领域经过了多年的验证。
W5100内部还集成有16KB存储器用于数据传输。
使用W5100不需要考虑以太网的控制，只需要进行简单的端口（Socket）编程。
W5100提供3种接口：
直接并行总线、间接并行总线和SPI总线。
W5100与MCU接口非常简单，就像访问外部存储器一样。
总结以上部分归纳以太网如下特点：
（1）支持硬件化TCP/IP协议：
TCP，UDP，ICMP，IPv4ARP，IGMP，PPPoE，以太网；
（1）内嵌10BaseT/100BaseTX以太网物理层；
（2）支持自动通信握手（全双工和半双工）；
（3）支持自动MDI/MDIX，自动校正信号极性；
（4）支持ADSL连接（支持PPPoE协议中的PAP/CHAP认证模式）；
（5）支持4个独立端口同时运行；
（6）不支持IP的分片处理；
（7）内部16KB存储器用于数据发送/接收缓存；
（8）0.18μmCMOS工艺；
（9）3.3V工作电压，I/O口可承受5V电压；
（10）80脚LQFP小型封装；
（11）环保无铅封装；
（12）支持SPI接口（SPI模式0）；
（13）多功能LED信号输出（TX、RX、全双工/半双工、地址冲突、连接、速度等）。
通信模块具体电路如下图2-7所示。
图2-7通信模块
2.3.4电机模块
为了使电机的走位更为准确，达到精密控制的目的，本系统采用一种高精度的步进电机驱动方案。
L297+L298（L6203）的经典架构，使用斩波恒流细分的驱动方法，在实际运行中具有良好的升降速曲线。
实际运行表明，步进电机运行稳定，且具有步距角小、转矩恒定、功耗低等优点。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的控制元件。
在额定功率范围内，电机的转速只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在，加上步进电机累积误差较小等特点，使得在速度、位置等领域用步进电机来控制变得较为简单。
但步进电机并不能像普通的直流电机、交流电机在常规下使用。
它必须由双环形脉冲信号发生器、功率驱动电路等组成控制系统驱动后方可使用。
在本文中，详细介绍了一种新颖的电机驱动方案，它具有功耗低，精度高，使用灵活等优点。
在步进电机驱动系统中，最重要的就是电流驱动及功率放大部分。
本系统中，该部分选用的是L297+L298构架，适用于对双极性两相步进电机或单极性四相步进电机的控制。
L297主要用来接收信号脉冲，从而产生对功率级电路控制信号。
L298为双H桥驱动器，可用来驱动电压为46V、每相电流为2.5A以下的步进电机。
若负载需更大电流驱动，可使用L297+双L6203组合。
L297的主要功能是译码器，它根据接受驱动脉冲信号产生所需的相序。
为了获得电动机良好的速度和转矩特性，相序信号是通过两个PWM斩波器对电动机控制，每个斩波器用于双极性步进电动机的其中一相或用于单极性步进电机的每对绕阻。
电机驱动模块电路硬件设计如图2-8。
图2-8电机驱动模块
2.3.5舵机模块
目前的工业控制一般采用PID控制，拥有结构简单、工作稳定、鲁棒性强等优点，然而对于数学模型难以建立的复杂非线性系统，控制效果却很难达到要求。
模糊PID控制是近年来逐步发展起来的一种新型智能PID控制方法，将模糊控制与PID控制结合起来，既具有模糊控制灵活的特点，又具有传统PID控制精度高、鲁棒性好的特点。
这种控制器无论对复杂系统还是高精度系统，都有较好的控制效果。
为克服AUV舵机系统摩擦、饱和等非线性因素的影响，全面改善系统的动、静态特性，本系统采用模糊PID控制方式，设计出了舵机控制器。
由于普通的模糊PID控制器隶属度函数和控制规则一经确定无法更改，因此适应性较差。
针对此情况，采用变论域思想对模糊PID控制器做了改进。
舵机系统正常工作时，由指令控制信号与反馈信号组成综合控制信号，经过舵机控制器，产生脉宽调制信号，驱动功率放大器，从而带动伺服电机进行转动，通过减速器至舵机轴输出，从而形成一个闭环的控制系统。
舵机回路基本结构图如图2-9所示。
图2-9舵机的控制结构
模糊PID控制器由一个模糊控制器和PID控制器并联组成。
当系统偏差较大时，模糊PID控制器的输出主要取决于模糊控制输出。
当系统偏差较小时，模糊PID控制器的输出主要取决于PID控制输出。
对于此舵机系统，取切换点为0.5。
设计步骤如下：
（1）取偏差和偏差变化率c作为输入，控制量U作为输出，基本论域为：
（-6．6v，6．6v）；CC：
（-10v／S，10v／s）；（-3．3v，3．3v）。
取7个语言变量：
{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}，输入
输出变量的模糊子集均为：
{NB，ⅣM，MS，ZO，P-S，PM，PB），论域均为：
{-3，-2，-1，0，1，2，3}；
（2）确定隶属度函数。
输人输出变量的隶属度函数均选取高斯型分布；
（3）确定模糊规则。
根据偏差和偏差的变化率对输出特性的影响；
（4）去模糊。
本文采用工业控制中常用的加权平均法来实现去模糊。
该法以论域中的每个元素（-1，2，⋯，n）为待判决输出模糊集合的隶属度／（）的加权系数，即取乘积，再计算对隶属度函数和的平均值。
2.3.6电源模块
系统的工作都离不开电，为了解决各个模块之间的电源问题，控制板电源选用CS51414、MIC4690开关稳压芯片分别提供5V和3.3V电压，CS51414是1.5A，520KHz固定频率工作的降压型DC/DC转换器。
C51414能够在输入电压4.5V到40V范围内工作，采用V2TM控制结构能提供无与伦比的瞬态反应，非常适合当今的高速逻辑电路的应用。
CS51414提供高偏压功能，从而达到最大的电压驱动效率，静态电流仅为85μA。
器件采用标准的8引脚小尺寸集成电路封装，可完全兼容LT1376。
所以本系统控制板电源选用CS51414、MIC4690开关稳压芯片分别提供5V和3.3V电压。
电源模块硬件电路的具体设计如下图2-10。
图2-10电源模块
第三章系统软件设计
3.1系统软件工作流程
系统软件设计主要有HCS12X（图像采集及处理）核的程序及XGATE（电机控制及以太网通信）核的程序两部分。
HCS12X（图像采集及处理）主要完成图像采集及处理，以提取目标位置，确定搜索路径等提供上层策略。
XGATE（电机控制及以太网通信）
升级会员 