哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文模板-共享杯

1、第五屆 “共享杯”大學(xué)生科技資源共享服務(wù)創(chuàng)新大賽共享自動跟隨載物機器人不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印- I -千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行- II -第五屆 “共享杯”大學(xué)生科技資源共享服務(wù)創(chuàng)新大賽共享自動跟隨載物機器人第五屆 “共享杯”大學(xué)生科技資源共享服務(wù)創(chuàng)新大賽技術(shù)論文論文題目： 共享自主跟隨載物機器人參賽單位：哈爾濱理工大學(xué)隊伍名稱：新主樓E1009指導(dǎo)老師： 徐 軍、馬 靜參賽隊員：陳怡佳、李輝、楊雄、湯亞男、王繼霞完成時間：2017-9-13共享自主跟隨載物

2、機器人 摘要隨著科技的不斷進(jìn)步,人們對于生活水平的要求不斷提高，跟隨機器人在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。例如，特定人群監(jiān)護(hù)、軍用目標(biāo)跟蹤以及機械化制造工廠內(nèi)提高物料運載效率等方面，并成為一個穩(wěn)步增長的研究趨勢。本設(shè)計是一種基于OpenMV機器視覺模塊的機器人，它具有跟隨消費者行走，幫助消費者裝載貨物的功能。它可以應(yīng)用在超市、機場、停車場、火車站、生產(chǎn)車間等地方，幫助人運載物品、減輕負(fù)荷、解放雙手。本文旨在設(shè)計一種基于OpenMV機器視覺攝像頭模塊的具有人物特征辨識功能的智能可跟隨人物的機器人。且機器人具有辨識度高、成本低、操作便捷、安全性高等優(yōu)點。首先,機器人系統(tǒng)通過攝像頭采集視覺圖像并顯示在液晶

3、屏上。然后識別圖像中目標(biāo)的位置，通過算法轉(zhuǎn)換為三維坐標(biāo)值。然后傳送給移動平臺使其跟隨用戶移動。系統(tǒng)配備APP無線解鎖和報警功能，提供安全保障。系統(tǒng)使用雙模控制方法，包括自主跟隨模式和遙控模式。遙控模式用于擁擠、光線不足等特殊環(huán)境導(dǎo)致無法實時自主跟隨時，可關(guān)閉自主跟隨功能，改為手動遙控其移動，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。最后，搭建跟隨機器人系統(tǒng)模型，通過對系統(tǒng)功能進(jìn)行測試，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的識別目標(biāo)，并與目標(biāo)保持相應(yīng)距離并自主跟隨，達(dá)到了較好的跟隨效果，滿足整體設(shè)計要求。關(guān)鍵詞目標(biāo)識別；移動跟隨；無線控制；Shared autonomous following robot AbstractWith t

4、he continuous progress of science and technology ,the requirements of living standards is improved,so following robot has been applied in many field. Following robot has become a steady growth trend in many aspects,for example, the guardianship of a particular group,the track of military target, Imp

5、rove the material delivery efficiency of mechanical manufacturing factory and so on.The research is a kind of robot based on openmv machine vision module.It has the function of following the consumer and helping the consumer load the goods .Whats more,It can be used in supermarket, airport, train st

6、ation, parking lot, production workshop and other places,to help people carry goods and reduce the load. This text aims to design a following robot which bases on openmv intelligent machine vision camera module and has the identification function of the characters.The robot has the advantages of hig

7、h identification, low cost, convenient operation,high safety and so on. Firstly, the robot system uses camera to collect visual images and displays the image on the LCD screen.Secondly, identify the target position in the image, which through the algorithm into the three-dimensional coordinates. The

8、n it is transfered to the mobile platform to move along with the user. The system is equipped with app wireless unlock and alarm function to provide security protection. In addition,the system uses two mode control, including autonomous following mode and remote control mode. When the remote control

9、 mode for congestion, insufficient light and other special circumstances results in failure to follow autonomously in real time, it can turn off the automatic following function, change the manual remote control to move it, and ensure the stability and safety of the system.Finally, build the followi

10、ng robot system model, through the test of system function, the system can identify the target stably and keep the corresponding distance with the target, so as to achieve a better follow-up effect and meet the overall design requirements.Keyword target recognition; mobile following; wireless contro

11、l;不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印- IV -目 錄摘要IIAbstractIII第1章 緒論11.1 設(shè)計背景11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3 作品難點與創(chuàng)新41.3.1 作品難點41.3.2 創(chuàng)新點5第2章 方案論證與設(shè)計62.1 共享自主跟隨載物機器人系統(tǒng)組成及功能總述62.1.1 系統(tǒng)組成62.1.2 功能總述72.2 視覺攝像頭72.3 主控模塊92.4 電機驅(qū)動102.5 無線通訊模塊102.5.1 系統(tǒng)與手機端通訊102.5.2 遙控輔助部分無線通訊112.6 手機端APP設(shè)計132.7 本章小結(jié)14第3章 原理分析與硬件電路圖153.1 共享自主跟隨載物機器人控制系統(tǒng)原理

12、分析153.1.1 系統(tǒng)需求分析153.1.2 標(biāo)靶制作和識別原理163.1.3 目標(biāo)跟隨原理163.2 硬件電路圖173.2.1 主控Atmega328P-PU173.2.2 MC33886電機驅(qū)動模塊183.2.3 遙控裝置電路193.2.4 通訊模塊ESP8266無線模塊203.2.5 電源模塊20第4章 軟件設(shè)計與流程214.1 目標(biāo)識別與顯示214.2 遙控裝置設(shè)計234.3 手機端APP設(shè)計244.4 移動跟隨設(shè)計24第5章 系統(tǒng)測試與誤差分析255.1 目標(biāo)識別系統(tǒng)測試255.2 三維位置數(shù)據(jù)測試與誤差分析265.3 APP與系統(tǒng)通訊測試295.4 系統(tǒng)運動測試31總結(jié)33心得體

13、會34參考文獻(xiàn)35附錄36千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行- VI -第1章 緒論1.1 設(shè)計背景隨著社會的進(jìn)步科技日新月異，機器人等高新科技被應(yīng)用到服務(wù)行業(yè)。例如送餐機器人、路萌機器人、Cassie 的動態(tài)雙足機器人以及共享單車等。多種多樣的機器人使我們的生活更加的方便且豐富，結(jié)束了人們重復(fù)勞累的工作，讓工作更加高效的進(jìn)行，使現(xiàn)代化面向更多的人群，跟上時代發(fā)展的步伐1。下面我們來詳細(xì)介紹這些科技的功能和用途。送餐機器人如圖1-1(a)，它有自動送餐、自主充電、自主導(dǎo)航、避讓等實

14、用功能，可以進(jìn)行簡單的互動交流，主要用途有迎賓、送餐、導(dǎo)購、送茶、送鮮花、送傳單、送禮品等；路萌機器人個人服務(wù)機器人如圖1-1(b)，有可陪伴、可拓展、可自主移動、可供騎行的功能。路萌機器人可以模擬人眼所看到的 3D 世界，并判斷空間距離、外部環(huán)境、人臉表情等，可以自動跟隨，可以自動避障、繞行；Cassie 的動態(tài)雙足機器人如圖1-1(c)，它可以站立，蹲起，像人類一樣雙足直立行走，還能自如的面對草地、水灣、泥地等復(fù)雜的地形和路面，它是未來為你極速送貨上門的快遞小哥；共享最經(jīng)典的例子是共享單車如圖1-1(d)。共享單車是指企業(yè)在校園、地鐵站點、公交站點、居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、公共服務(wù)區(qū)等提供自行車共

15、享服務(wù)，是一種分時租賃模式，共享單車是一種新型共享經(jīng)濟。除了較早入局的摩拜單車、ofo外，整個2016年至少有25個新的共享單車品牌洶涌入局，其中甚至還包括電動自行車共享品牌。 (a) (b) (c) (d)圖1-1 科技的應(yīng)用在日常生活中，機器人可以代替人來搬運各種各樣的不易攜帶或者超過自身負(fù)荷的物品，從而減少勞動力以及搬運次數(shù)，節(jié)約了時間，并可以保護(hù)易損壞物品使其不被損壞。所以本設(shè)計著力研究一種跟隨機器人，通過對目標(biāo)物體的識別定位和近距離跟隨，有效的減輕人物的負(fù)重，提高運載效率。本文主要設(shè)計共享自主跟隨載物機器人機器人，主要應(yīng)用場所是機場、車站、倉庫、工廠、市場等地方，可以以共享模式自主跟

16、隨用戶，并幫助用戶運送沉重的行李、物料以及物品等，提高用戶的運輸效率和生活質(zhì)量。本文所采用的OpenMV機器視覺模塊的優(yōu)點有開源、成本低、功能強大等。主要機器視覺算法包括尋找色塊、人臉檢測、眼球跟蹤、邊緣檢測、標(biāo)志跟蹤等?？梢詭椭鷻C器人增加辨識人物的能力；幫助智能車增加視覺巡線功能；幫助智能機器增加識別人臉功能；甚至可以幫助工廠產(chǎn)品線增加殘次品篩選功能等，所以適合做機器人、智能車、以及其他機器的視覺感知機構(gòu)。同時，OpenMV模塊上搭載了一個MicroPython解釋器，能夠使用Python編程來實現(xiàn)一系列功能，包括IO 端口的控制、讀取文件系統(tǒng)等基礎(chǔ)功能，也可以實現(xiàn)人臉檢測和跟蹤、關(guān)鍵點提取

17、、顏色跟蹤等功能。該語言精簡高效易操作，并可以實現(xiàn)對硬件底層的訪問和控制。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在機器人領(lǐng)域中，跟隨機器人開發(fā)已經(jīng)成為一個穩(wěn)步增長的研究趨勢2。美國權(quán)威科技媒體連線曾經(jīng)就跟隨型機器人作了詳細(xì)報道，報道認(rèn)為跟隨機器人是機器人發(fā)展的下一個重大趨勢。開發(fā)一種帶自動跟隨功能的機器人具有眾多現(xiàn)實需求。例如私人貨物運輸機器人Gita和沃爾瑪購物車Budgee都具有跟隨和識別定位的功能。私人貨物運輸機器人Gita如圖1-2(a)，是一款智能、靈活的貨物運輸裝置，它不僅可以跟隨用戶進(jìn)行購物，并且還可以幫助用戶將所購商品搬運回家。Gita使用的是視頻攝像機來定位周圍的環(huán)境。辦法是使用一個立體攝像

18、頭抓取不同角度的照片進(jìn)行對比，并使用這個差異來推斷場景的三圍結(jié)構(gòu)（跟視差效應(yīng)差不多）。Gita還使用了幾個魚眼攝像頭，給機器人提供一個360度的視角如圖1-2(b)。這個機器人并非靠追蹤人來跟隨人走，它識別自己和用戶的位置，靠的是通過它身上的攝像頭捕捉到的視覺，和佩戴在用戶身上的腰帶（上有攝像頭）捕捉到的畫面進(jìn)行比較得來的。一旦跟隨你到達(dá)目的地，那么Gita就會創(chuàng)建跟隨你行走的地圖路徑。然后Gita能夠使用相同的地圖自動回到原點。此外用戶還能設(shè)置中途點，從而讓Gita在某個位置有所停留。如果Gita離開你的視線，那么它能夠使用地圖上你所經(jīng)過的路徑跟上你的步伐。 圖1-2私人貨物運輸機器人Git

19、a 圖1-3 沃爾瑪購物車Budgee沃爾瑪購物車將升級為機器人如圖1-3所示：自動跟隨還能導(dǎo)購。Five Elements公司已經(jīng)研發(fā)了自家的機器人Budgee，此次雙方的新計劃焦點聚集在Budgee上。Budgee能自動跟著顧客走，“上山下坡”都能行。他有存放空間，能裝載各種物品。不僅如此，Budgee還能提供購物建議，接受到購物清單就能定位商品，并規(guī)劃出購物路線，為消費者省時省力。在該領(lǐng)域中還有許多的研究。日本大阪大學(xué)研制了一種基于雙目視覺的伺服系統(tǒng)，可以預(yù)測運動物體的下一步運動方向，并且實現(xiàn)自適應(yīng)跟蹤3。Bertozzi等利用立體攝像機，通過立體匹配和坐標(biāo)映射對障礙物進(jìn)行實時檢測與定位

20、4。Eade 使用 SLAM 單目視覺技術(shù)通過生成環(huán)境地圖實現(xiàn)移動機器人的定位5。中國海洋大學(xué)對光照變化條件下提出分段拉格朗日插值的快速目標(biāo)定位算法，實現(xiàn)全景視覺的目標(biāo)識別與定位6。哈工大研制了異構(gòu)雙目視覺系統(tǒng)，應(yīng)用于全自主足球機器人的視覺導(dǎo)航7。總結(jié)目前國內(nèi)外在目標(biāo)識別與定位技術(shù)方面的研究，可歸納為兩種識別與定位方式。一種是基于立體攝像系統(tǒng)的視覺技術(shù)，即通過模擬人的雙眼，利用智能處理算法實現(xiàn)目標(biāo)識別與定位，但是視覺控制器設(shè)計復(fù)雜，開發(fā)難度較大。另一種是固定攝像頭的全景定位技術(shù)，通過對攝像頭進(jìn)行預(yù)先標(biāo)定，利用視覺處理算法實現(xiàn)二維平面的定位，但是這種方式不適用于移動的機器人平臺上。對于跟隨機器人

21、而言，能否成功對目標(biāo)進(jìn)行識別與跟蹤是跟隨功能實現(xiàn)的關(guān)鍵。要實現(xiàn)機器人的自動跟隨，必須解決兩個問題，如何檢測目標(biāo)物體，檢測后如何跟蹤目標(biāo)物體。OpenMV 機器視覺模塊和Atmega328P-PU運動平臺為目標(biāo)物體檢測與定位跟蹤提供了非?？煽康慕鉀Q方案。跟隨機器人具有未來產(chǎn)業(yè)鏈長，行業(yè)帶動性強，以及戰(zhàn)略布局分散等特點。通過對跟隨機器人核心技術(shù)的研究，對國家民生科技與戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要推動作用；通過對交互、決策系統(tǒng)的探索，對于傳統(tǒng)行業(yè)升級與探索具有更好的指導(dǎo)作用，并有力地推動其發(fā)展。從眾多的現(xiàn)實需求來看，跟隨機器人具有綜合性、滲透性、經(jīng)濟效益明顯等特點。同時，與之相對應(yīng)的機器人關(guān)鍵技術(shù)對行

22、業(yè)的發(fā)展具有重要的推動作用。著手于跟隨機器人的研究將有益于人類的服務(wù)工作，尤其在醫(yī)療、服務(wù)行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。1.3 作品難點與創(chuàng)新1.3.1 作品難點1可以識別并跟隨目標(biāo)，以STM32為核心， 包含具有MicroPython板載解析器的OpenMv視覺模塊，該模塊搭載OV7725攝像頭，用來采集圖像信息。2運動平臺搭載貨物平穩(wěn)跟隨目標(biāo)運動，運動平臺控制系統(tǒng)與目標(biāo)識別控制系統(tǒng)相互對獨立運行。目標(biāo)識別系統(tǒng)將識別到的目標(biāo)位置信息傳送給運動平臺，提高目標(biāo)識別速率，確保實時性。運動平臺獲取目標(biāo)位置信息，設(shè)計跟隨算法，使用PID調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)穩(wěn)定跟隨；3存儲空間與系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)設(shè)計互不干擾，保證系統(tǒng)的魯

23、棒性；4手機端APP與系統(tǒng)無線連接，在WiFi模塊的SDK基礎(chǔ)上二次開發(fā)，具有高效透傳性能。1.3.2 創(chuàng)新點1AprilTags標(biāo)靶即為機器人應(yīng)用開發(fā)的2D條形碼，利用OpenMv硬件平臺模塊采集標(biāo)靶信息，識別目標(biāo)物體的特征信息，通過算法實現(xiàn)對目標(biāo)物體的識別與定位，從而得到目標(biāo)物體的位置信息。將位置信息進(jìn)行處理分析，獲取目標(biāo)的X、Y、Z位置信息，打包發(fā)給運動平臺。運動平臺主控與目標(biāo)識別系統(tǒng)主控相互獨立，提高整體系統(tǒng)運行速度；2使用Python語言編程，加載機器學(xué)習(xí)算法，提供識別準(zhǔn)確度；3內(nèi)置24V可充放電鋰電，提高系統(tǒng)續(xù)航能力；4采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線通訊，通過Processing編

24、寫手機端APP，控制系統(tǒng)運行開關(guān)，從而實現(xiàn)機器人的共享，大大的提高機器人是使用效率；5配置自主跟隨模式和簡易遙控模式，可以以共享式存在于大型商場、機場、超市等，給攜帶一定體積物品的人員提供便捷。6當(dāng)共享自主跟隨載物機器人失去目標(biāo)物體信息后會發(fā)生報警，并自動關(guān)閉車輪和儲物箱，從而保護(hù)用戶的財物，也能使機器人不會丟失。第2章 方案論證與設(shè)計2.1 共享自主跟隨載物機器人系統(tǒng)組成及功能總述2.1.1 系統(tǒng)組成共享自主跟隨載物機器人系統(tǒng)組成總要有視覺感知識別部分、運動平臺部分、電源部分、載物倉，報警部分、無線通訊部分、手機APP解鎖實現(xiàn)以及遙控控制部分。系統(tǒng)的核心是視覺感知部分和運動跟隨部分，獲取跟隨

25、目標(biāo)的位置后，才能實現(xiàn)跟隨效果。共享自主跟隨載物機器人 特點：1目標(biāo)識別準(zhǔn)確率高，跟隨實時性良好；2自備電源管理，充電時間短，待機時間長；3手機端遠(yuǎn)程控制開關(guān)，安全性高；4提供雙模式控制，即自主跟隨和遙控跟隨；5外觀和諧，用戶體驗良好。共享自主跟隨載物機器人機器人系統(tǒng)總體框圖如2-1所示。圖2-1 共享自主跟隨載物機器人機器人系統(tǒng)總體框圖2.1.2 功能總述共享自主跟隨載物機器人機器人核心功能是幫助用戶裝載物品，跟隨用戶行走，解放用雙手，服務(wù)用戶。1視覺感知部分：感知視覺環(huán)境，識別跟隨目標(biāo)并實時顯示在液晶屏上，獲取目標(biāo)位置信息，通過SPI通訊將目標(biāo)位置信息傳遞給運動平臺，作為跟隨的基礎(chǔ)；2運動

26、平臺：是實現(xiàn)跟隨效果的運動控制部分，包含接收目標(biāo)位置信息，通過跟隨算法實時跟隨目標(biāo)移動。3遙控輔助部分：在擁擠、光線不足等特殊環(huán)境導(dǎo)致無法實時自主跟隨效果時，可關(guān)閉自主跟隨功能，改為手動遙控其移動，確保裝載的物品的安全性；4手機APP控制系統(tǒng)功能開關(guān)。共享自主跟隨載物機器人將所有模塊集合組裝起來，包括感知模塊、運動部分、電源模塊、載物倉、報警模塊以及輔助元件。形成一個可以幫助人們裝載物品的跟隨機器人，具體應(yīng)用可為：(1)工業(yè)使用，節(jié)省員工體能，完成大量的物品搬運工作；(2)商場、超市、機場以及火車站幫助購物者和旅行者提供便捷，樂趣；共享自主跟隨載物機器人的宗旨在于解放雙手，應(yīng)用不限于上述提到的

27、，共享自主跟隨載物機器人可提供類似“共享單車”式運營方式，在商場、機場、超市、火車站、市場等場合給過往用戶使用，服務(wù)大家。2.2 視覺攝像頭視覺攝像頭的選擇是本設(shè)計的基礎(chǔ)，決定了本產(chǎn)品的最終實現(xiàn)功能的效果。通過對比分析目前用于圖像識別的攝像頭模塊，本設(shè)計主要考慮了兩款視覺傳感器：1CMUcam5 Pixy機器視覺傳感器，如圖2-2所示，該模塊在Kickstarter網(wǎng)站眾籌，是由Charmed實驗室聯(lián)合卡內(nèi)基梅隆大學(xué)共同推出的一款圖像傳感器。其強大的處理器上搭載著一個圖像傳感器，它會選擇性的處理有用的信息，因為它采用以顏色為中心的辦法使該產(chǎn)品只是將特定顏色的物體的視覺數(shù)據(jù)發(fā)送給相互配合的微型控

28、制器，而不是輸出所有視覺數(shù)據(jù)以進(jìn)行圖像處理。Pixy是一個開源的圖像識別傳感器，支持多物體，多色彩的顏色識別，最高支持7種顏色。你可以告訴它你想要的顏色，教它找東西。Pixy支持多種通信方式，如SPI，I2C等。雖然Pixy具有強大的硬件，但是，其功能單一，只支持顏色識別，只適合特定場合使用，對于復(fù)雜環(huán)境，和其他標(biāo)志識別效果低，且二次開發(fā)困難，無法滿足本設(shè)計要求。（產(chǎn)品鏈接：圖2-2 Pixy視覺傳感器2OpenMV 是一個基于STM32F4xx ARM Cortex-M7 單片機和OV7725 圖像傳感器的開源微型機器視覺模塊，并由5V電源供電。OpenMV上搭載了一個MicroPython

29、解釋器，能夠使用Python編程來實現(xiàn)一系列功能，包括IO 端口的控制、讀取文件系統(tǒng)、人臉檢測、眼球跟蹤、邊緣檢測、標(biāo)志跟蹤等基礎(chǔ)功能，也可以實現(xiàn)人臉檢測和跟蹤、關(guān)鍵點提取、顏色跟蹤等功能。OpenMV采用的STM32F427擁有豐富的硬件資源，如圖2-3所示，引出UART，I2C，SPI，PWM，ADC，DAC以及GPIO等接口方便擴展外圍功能。USB接口用于連接電腦上的集成開發(fā)環(huán)境OpenMVIDE，協(xié)助完成編程、調(diào)試和更新固件等工作。TF卡槽支持大容量的TF卡，可以用于存放程序和保存照片等。OpenMV的定位是“帶機器視覺功能的“Arduino”。它可以通過UART，I2C，SPI，As

30、yncSerial以及GPIO等控制其他的硬件，甚至是單片機模塊，如Arduino、RaspberryPi(樹莓派)等。它也可以被其他的單片機模塊控制。這個特點使得它可以很靈活的和其他流行的模塊配合，實現(xiàn)復(fù)雜的產(chǎn)品功能。圖2-3 OpenMv視覺傳感器綜合兩款視覺傳感器的優(yōu)缺點，本設(shè)計最終視覺采集方案采用OpenMv視覺傳感器，Python語言編程，實現(xiàn)對目標(biāo)標(biāo)志的定位跟蹤。2.3 主控模塊通過對比分析了市面上的常用芯片，在綜合考慮視覺控制器應(yīng)具有體積小、靈敏度高、待機時間長、低功耗、程序算法可移植性強、可二次開發(fā)，開源，開發(fā)門檻低、操作舒適等特點的基礎(chǔ)上，決定主控采用Atmega 328芯片

31、。Atmega328P-PU主控芯片介紹：該芯片內(nèi)部設(shè)有SPI總線，IIC總線，UART串行總線，USB控制總線，通用IO口及模擬量輸入輸出口，其IO口輸入輸出能力比其他一般單片機要強，最大輸入輸出電流可以達(dá)到50mA，這樣就省去了大量的上拉、下拉等外圍電氣元件。2.4 電機驅(qū)動電機驅(qū)動模塊采用MC33886全橋電機驅(qū)動芯片，如圖2-4所示，電流最高5A，電壓采用24V電源供電。MC33886作為一個單片電路H-橋，是理想的功率分流直流馬達(dá)和雙向推力電磁鐵控制器。它的集成電路包含內(nèi)部邏輯控制、電荷泵、門控驅(qū)動、及金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管輸出電路。其特點包括：與MC33186DH1類似的增

32、強特性；5.0 v至40 v連續(xù)運轉(zhuǎn)；120 m RDS(ON) H橋 MOSFETs ；TTL/CMOS兼容輸入；PWM的頻率可達(dá)10千赫；通過內(nèi)部常定時關(guān)閉對PWM有源電流限制(依靠降低溫度的閾值) ；輸出短路保護(hù)；欠壓關(guān)閉；故障狀況報告等。圖2-4 MC33886全橋電機驅(qū)動芯片2.5 無線通訊模塊2.5.1 系統(tǒng)與手機端通訊本設(shè)計中系統(tǒng)與手機APP通訊實現(xiàn)采用的無線模塊是ESP8266，它是一款超低功耗的UART-WiFi 通訊模塊，擁有業(yè)內(nèi)極富競爭力的封裝尺寸和超低能耗技術(shù)，專為移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計，可將用戶的物理設(shè)備連接到Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)

33、功能。ESP8266支持五種封裝形式，天線可支持板載PCB天線，IPEX接口和郵票孔接口三種形式；ESP8266可廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)、智能交通、智能家具、手持設(shè)備、工業(yè)控制等領(lǐng)域。ESP8266可以實現(xiàn)的主要功能包括：串口透傳，PWM 調(diào)控，GPIO控制。（1）串口透傳：數(shù)據(jù)傳輸，傳輸?shù)目煽啃院?，最大的傳輸速率為?60800bps。（2）PWM 調(diào)控：燈光調(diào)節(jié)，三色LED 調(diào)節(jié)，電機調(diào)速等。（3）GPIO控制：控制開關(guān)，繼電器等。ESP模塊具備如下特性：（1）支持無線802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)（2）支持STA/AP/STA+AP三種工作模式（3）內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，支持多路TCPClie

34、nt連接（4）支持豐富的SocketAT指令（5）支持UART/GPIO數(shù)據(jù)通信接口（6）支持SmartLink智能聯(lián)網(wǎng)功能（7）支持遠(yuǎn)程固件升級（OTA）（8）內(nèi)置32位MCU，可兼作應(yīng)用處理器（9）超低能耗，適合電池供電應(yīng)用（10）3.3V單電源供電本設(shè)計中采用的是ESP8266中的ESP8266-11型號，其工作電壓為3.3V，硬件接口有UART，IIC，PWM，GPIO，ADC五種，采用STA+AP無線網(wǎng)絡(luò)類型，且其尺寸較小，適合于本文設(shè)計的共享自主跟隨載物機器人機器人系統(tǒng)。2.5.2 遙控輔助部分無線通訊遙控輔助部分是在擁擠、光線不足等特殊環(huán)境導(dǎo)致無法實時自主跟隨時，可關(guān)閉自主跟隨功

35、能，改為手動遙控其移動，確保裝載的物品的安全性。遙控器是個單獨的部分，主控采用Atmega328芯片，配備前進(jìn)后退電位器，左右方向電位器，按鍵開關(guān)，遙控靈敏度控制元件，最后通過2.4G射頻模塊NRF24L01將遙控信號發(fā)送給共享自主跟隨載物機器人機器人系統(tǒng)。nRF24L01射頻芯片是由挪威的Nordic公司所生產(chǎn)的，該模塊主要由nRF24L01及其外圍電路組成的，nRF24L01是一款單片射頻收發(fā)芯片，工作的ISM頻段為2.4GHz2.5GHz，該頻段為世界通用頻段，工作的電壓范圍是1.9V3.6V。內(nèi)部包括頻率合成器、晶體振蕩器、功率放大器和調(diào)制器等功能模塊，該芯片具有多種低功率工作模式（空

36、閑模式和掉電模式），通過在這些模式之間互相切換就可以實現(xiàn)低功耗設(shè)計，MCU可以通過SPI接口與其進(jìn)行通信。音頻信號無線傳輸模塊實物圖如圖2-5所示。圖2-5 nRF24L01實物圖nRF24L01射頻芯片擁有兩種工作模式，ShockBurst模式與Enhanced ShockBurst模式。在ShockBurst的模式下工作的時候，當(dāng)有效地址與數(shù)據(jù)被接收到之后，IRQ便會告知MCU，然后MCU就會從RX FIFO讀出接收到的數(shù)據(jù)，在此模式下，nRF24L01會通過自動進(jìn)行CRC校驗以及生成前導(dǎo)碼來減少MCU的工作量。相比較而言，當(dāng)nRF24L01在Enhanced ShockBurst的模式下

37、工作時，雙向鏈路協(xié)議就能夠更加容易、高效地執(zhí)行，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)之后就會給發(fā)送方發(fā)送一個應(yīng)答信號，這樣發(fā)送方可以根據(jù)應(yīng)答信號檢測是否有數(shù)據(jù)丟失，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，那么就使用重新發(fā)送功能來恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)，這樣一來外界的微控制器就不需要介入，從而極大地提高系統(tǒng)工作效率并降低系統(tǒng)的功率損耗。將nRF24L01設(shè)置為接收模式時，它的6個數(shù)據(jù)通道都可以接收數(shù)據(jù)，并且每一個通道都擁有唯一的地址，如果使用同一個頻道，那么6個發(fā)送模式的nRF24L01便可以與一個設(shè)置為接收模式的nRF24L01同時進(jìn)行通信，由于有多個發(fā)送方，此時接收方就需要通過數(shù)據(jù)通道地址來區(qū)分不同的發(fā)送方。當(dāng)nRF24L01設(shè)置為發(fā)送模式時，

38、一旦檢測到MCU有數(shù)據(jù)發(fā)送過來，它就會啟動ShockBurst模式，然后發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完成會產(chǎn)生中斷以進(jìn)行下一步操作。nRF24L01芯片在設(shè)計過程中添加了增強式ShockBurst技術(shù)，可以通過程序來配置其輸出頻率和通信頻道，同時還擁有自動應(yīng)答以及自動再發(fā)射功能。該芯片的功耗非常低，當(dāng)發(fā)射的功率為6dBm時，該芯片的工作電流僅僅只有9mA，在接收信號時的工作電流也僅為12.3mA，其應(yīng)用設(shè)計非常方便。nRF24L01的主要特性可以概括為以下幾點：1數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mb/s或2Mb/s；220腳QFN 44mm封裝；3供電電壓范圍：1.9V-3.6V；4GFSK單片式收發(fā)芯片，硬件集成OSI鏈

39、路層；5SPI接口速率為0Mb/s-10Mb/s；6片內(nèi)自動生成報頭及CRC校驗功能；7125個工作頻道與其他nRF24系列射頻器件相兼容；8具有自動應(yīng)答和自動重發(fā)功能；9頻道切換時間短，可用于跳頻；10低成本電感和雙面PCB；2.6 手機端APP設(shè)計使用processing計算機語言編寫手機APP。processing是 Java 語言的延伸，并支持許多 Java 語言架構(gòu)，在語法 (syntax) 上相對簡單，并具有許多人性化的設(shè)計。它可以在 Windows、MAC OS X、MAC OS 9 、Linux 等操作系統(tǒng)上使用。目前最新版本為Processing 3。以 Processing

40、 完成的作品可在手機端作用，或以Java Applets 的模式外輸至網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布。 Processing將Java的語法簡化，并將其運算結(jié)果“感官化”，讓用戶能很快享受更多的多媒體作品。它的源代碼是開放的，和近來廣受歡迎的Linux 操作系統(tǒng)、Mozilla瀏覽器、或Perl語言等一樣，用戶可依照自己的需要自由裁剪出最合適的使用模式。它的應(yīng)用非常豐富，并遵守開放源代碼的規(guī)定，所以這樣的設(shè)計大幅提高了整個社群的互動性與學(xué)習(xí)效率。2.7 本章小結(jié)本章首先提出了自動跟隨機器人的系統(tǒng)需求分析，然后介紹了硬件系統(tǒng)的各個功能模塊。并設(shè)計了跟隨機器人的硬件系統(tǒng)，對硬件系統(tǒng)關(guān)鍵部件進(jìn)行選型與分析。選用 Ope

41、nMV攝像頭作為跟隨機器人的視覺模塊，以ESP8266芯片作為無線模塊，履帶式智能車為運動平臺，最后搭建跟隨機器人的硬件系統(tǒng)。第3章 原理分析與硬件電路圖共享自主跟隨載物機器人所具有的移動、感知等功能是依靠硬件系統(tǒng)下各個功能模塊協(xié)同運行來完成的。而每個模塊間的相互配合程度將直接影響控制系統(tǒng)的整體性能。本章將對共享自主跟隨載物機器人系統(tǒng)進(jìn)行原理分析，同時給出設(shè)計電路圖。3.1 共享自主跟隨載物機器人控制系統(tǒng)原理分析3.1.1 系統(tǒng)需求分析為使共享自主跟隨載物機器人能夠滿足設(shè)計要求，應(yīng)用于日常生活，本文提出的基于機器視覺的載物機器人系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：1視覺顯示與目標(biāo)識別：將系統(tǒng)攝像頭采集到的視覺

42、顯示到液晶屏上，相當(dāng)于系統(tǒng)的“眼睛”，可以更好地指導(dǎo)用戶使用本控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)具有更高操作性和穩(wěn)定性。目標(biāo)識別是系統(tǒng)所有功能的基礎(chǔ)，共享自主跟隨載物機器人識別系統(tǒng)設(shè)定的跟隨目標(biāo)轉(zhuǎn)換為相對于系統(tǒng)的三維坐標(biāo)值；2載物功能：共享自主跟隨載物機器人宗旨在于解放雙手，幫助用戶搬運物品，即載物是系統(tǒng)的核心；3移動跟隨：移動跟隨是系統(tǒng)最終目標(biāo)，載物跟隨用戶，達(dá)到真正意義上解放雙手，跟隨前進(jìn)；4共享APP解鎖：此部分功能將共享自主跟隨載物機器人運行在共享模式下，存在于商場、超市以及機場等場合，為過往用戶帶來方便；5雙?？刂疲鹤灾鞲S模式和遙控模式，遙控模式用于擁擠、光線不足等特殊環(huán)境導(dǎo)致無法實時自主跟隨時，可

43、關(guān)閉自主跟隨功能，改為手動遙控其移動，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性；6報警功能：當(dāng)共享自主跟隨載物機器人失去跟隨目標(biāo)一定時間后會發(fā)生報警，并自動關(guān)閉車輪和儲物箱，從而保護(hù)用戶的財物，也能使機器人不會丟失。3.1.2 標(biāo)靶制作和識別原理AprilTags是一套虛擬視覺識別系統(tǒng)，是EdOlson為機器人應(yīng)用開發(fā)的2D條形碼，可用于各種任務(wù)，包括增強現(xiàn)實、機器人識別和攝像機標(biāo)識。該庫檢測給定圖像中的任何AprilTags標(biāo)靶，提供標(biāo)簽的唯一ID以及其在圖像中的位置。這種標(biāo)靶只需普通的打印機打印出來，并貼在人物身上即可，DPI-8能自動識別AprilTags標(biāo)靶，并計算出精確的三維位置、方向以及該標(biāo)靶的I

44、D。如果相機被校準(zhǔn)并且標(biāo)靶的物理尺寸已知，還提供標(biāo)靶和相機之間的相對變換。3.1.3 目標(biāo)跟隨原理自動跟隨一般有兩種方式：分別是特征跟隨模式和路徑跟隨模式。特征跟隨模式：根據(jù)提取的標(biāo)靶特征信息進(jìn)行跟隨。其特點是系統(tǒng)可以快速的捕捉這些明顯的特征，實現(xiàn)更加可靠地跟蹤。特征跟隨可以有效的捕捉標(biāo)靶的信息，并通過機器人與目標(biāo)物體前進(jìn)方向的相對偏角誤差，使機器人迅速地跟隨人的前進(jìn)方向角的變化。跟隨機器人在實現(xiàn)特征跟隨過程中，由于物體運動速度始終處于變化狀態(tài)，為達(dá)到跟隨的目的，跟隨機器人還需要在運行速度上，與目標(biāo)保持一致。圖 3-1 是利用機器人 ROS 系統(tǒng)對方向跟隨模式仿真結(jié)果。在 Oxy 平面內(nèi)，跟隨

45、機器人在運動速度上追趕目標(biāo)，并且最終停止時，機器人仍然與目標(biāo)保持預(yù)設(shè)距離，方向指向目標(biāo)。特征跟隨無需對機器人進(jìn)行全局定位，系統(tǒng)實現(xiàn)難度較小，計算量小，但無法嚴(yán)格對目標(biāo)運動軌跡跟隨，因此必須考慮未知環(huán)境下的避障問題。圖 3-1 方向跟隨原理示意圖路徑跟隨模式：嚴(yán)格地對目標(biāo)物體的歷史運動軌跡進(jìn)行路徑跟隨。其特點是，系統(tǒng)必須依賴全局目標(biāo)定位技術(shù)才能得以實現(xiàn)。路徑跟隨模式對系統(tǒng)硬件要求較高，容易出現(xiàn)誤差積累，系統(tǒng)開發(fā)難度較大。考慮跟隨機器人能夠應(yīng)用于一般場合，目前的大范圍全局定位技術(shù)還不夠成熟，本文采用特征跟隨的方式進(jìn)行目標(biāo)跟隨，同時結(jié)合路徑規(guī)劃技術(shù)，提出跟隨機器人的自動跟隨方案。3.2 硬件電路圖3

46、.2.1 主控Atmega328P-PU主控模塊電路連接圖如圖3-2所示。圖3-2主控模塊電路圖3.2.2 MC33886電機驅(qū)動模塊MC33886電機驅(qū)動電路如圖3-3所示。圖3-3 MC33886電機驅(qū)動模塊3.2.3 遙控裝置電路遙控裝置電路如圖3-4所示。圖3-4 遙控裝置電路3.2.4 通訊模塊ESP8266無線模塊通訊模塊電路設(shè)計圖如圖3-5所示。圖3-5通訊模塊電路圖3.2.5 電源模塊電源模塊電路連線圖如圖3-6所示。圖3-6電源模塊電路圖第4章 軟件設(shè)計與流程4.1 目標(biāo)識別與顯示本設(shè)計采用基于STM32F4xx ARM Cortex-M7 單片機和OV7725 圖像傳感器的

47、開源微型機器視覺模塊OpenMv，作為系統(tǒng)的感知元件，板載MicroPython解釋器，能夠使用Python實現(xiàn)機器視覺算法識別，最終將識別結(jié)果顯示到液晶屏幕上，下面附上主函數(shù)和程序流程圖如圖4-1所示。img = sensor.snapshot()for tag in img.find_apriltags(fx=f_x, fy=f_y, cx=c_x, cy=c_y) img.draw_rectangle(tag.rect(), color = (255, 0, 0)img.draw_cross(tag.cx(), tag.cy(), color = (0, 255, 0)print_arg

48、s = (tag.x_translation(), tag.y_translation(), tag.z_translation(), degrees(tag.x_rotation(), degrees(tag.y_rotation(),degrees(tag.z_rotation()img.draw_string(0,0, Tx + str(tag.x_translation()img.draw_string(0,8, Ty + str(tag.y_translation()img.draw_string(0,16, Tz + str(tag.z_translation()dat_buf =

49、 struct.pack(h, 0xAA55)dat_buf += struct.pack(fff,tag.x_translation(), tag.y_translation(), tag.z_translation()dat_buf += struct.pack(b,keyData)# Translation units are unknown. Rotation units are in degrees.#print(Tx: %f, Ty %f, Tz %f, Rx %f, Ry %f, Rz %f % print_args)if(keyData):write(dat_buf+ rn)l

50、cd.display(img)程序首先獲取攝像頭一幀圖像信息，利用img.find_apriltags函數(shù)尋找圖像信息中的目標(biāo)，如果找到目標(biāo)，將數(shù)據(jù)打包以便將其傳送到運動平臺，數(shù)據(jù)格式為：“0XAA55，TX，TY，YZ，keyDatarn”其中0XAA55是數(shù)據(jù)頭，TX，TY，TZ，分別是目標(biāo)與系統(tǒng)的相對三維坐標(biāo)值，keyData是按鍵開關(guān)值，rn是數(shù)據(jù)結(jié)尾。圖4-1 目標(biāo)識別流程圖4.2 遙控裝置設(shè)計本文設(shè)計了一款雙通道遙控裝置，通過無線傳輸控制共享自主跟隨載物機器人機器人行走，采集雙通道電位器電壓值，將其轉(zhuǎn)換為速度值，并配備調(diào)速功能。功能流程圖如4-2所示。圖4-2 遙控裝置程序流程圖4

51、.3 手機端APP設(shè)計采用Processing軟件編寫上位機APP，首先連接上共享自主跟隨載物機器人唯一WiFi信號，建立網(wǎng)絡(luò)連接，配備解鎖、鎖住和退出功能。Apk應(yīng)用程序和代碼詳見附錄。4.4 移動跟隨設(shè)計移動平臺開機處于待機狀態(tài)，等待上位機解鎖命令，判斷控制模式。自主跟隨模式時，移動平臺按照規(guī)定的通訊協(xié)議獲取跟隨目標(biāo)的三維坐標(biāo)值，計算相對偏差值，代入跟隨函數(shù)，從而使移動平臺運載用戶物品，跟隨用戶移動。若判斷為遙控控制模式，那么運動平臺會接收遙控裝置發(fā)送的速度和方向值，用遙控控制運動平臺載物運行，程序代碼詳見附錄，程序流程圖如4-3所示。圖4-3 移動平臺程序流程圖第5章 系統(tǒng)測試與誤差分析

52、5.1 目標(biāo)識別系統(tǒng)測試目標(biāo)識別系統(tǒng)程序部分是有Python語言編寫，程序代碼如下：img = sensor.snapshot()for tag in img.find_apriltags(fx=f_x, fy=f_y, cx=c_x, cy=c_y): # defaults to TAG36H11img.draw_rectangle(tag.rect(), color = (255, 0, 0)img.draw_cross(tag.cx(), tag.cy(), color = (0, 255, 0)print_args = (tag.x_transl1ation(), tag.y_tran

53、slation(), tag.z_translation(), degrees(tag.x_rotation(), degrees(tag.y_rotation(),degrees(tag.z_rotation()img.draw_string(0,0, Tx + str(tag.x_translation()img.draw_string(0,8, Ty + str(tag.y_translation()img.draw_string(0,16, Tz + str(tag.z_translation()dat_buf = struct.pack(h, 0xAA55)dat_buf += st

54、ruct.pack(fff,tag.x_translation(), tag.y_translation(), tag.z_translation()dat_buf += struct.pack(b,keyData)# Translation units are unknown. Rotation units are in degrees.#print(Tx: %f, Ty %f, Tz %f, Rx %f, Ry %f, Rz %f % print_args)if(keyData):write(dat_buf+ rn)lcd.display(img)程序顯示結(jié)果如圖5-1所示，在顯示的圖像中

55、將目標(biāo)用紅色外框圈住，并在液晶左上角顯示位置信息（由于字體過小，照片顯示不清晰，詳細(xì)見附錄視頻介紹）。經(jīng)過測試，在光線，視野良好的環(huán)境下，系統(tǒng)識別率高，基本無誤判，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，正常情況下，最遠(yuǎn)識別距離在5m范圍內(nèi)。圖5-1 目標(biāo)識別顯示結(jié)果5.2 三維位置數(shù)據(jù)測試與誤差分析對于目標(biāo)的三維數(shù)據(jù)，為保證系統(tǒng)的精度，滿足系統(tǒng)的靈活性能，三維數(shù)據(jù)定位為Double類型，而數(shù)據(jù)在傳輸過程中是單個字節(jié)的傳輸，Double類型占有四字節(jié)，所以在接收端，定義了一個Union聯(lián)合體，代碼與下：/定義聯(lián)合體union Data_double double Double; byte Byte4;/目標(biāo)XY

56、Z位置Data_double X,Y,Z;解析位置信息函數(shù)定義為：void getLocation(String S) int i; if(S0 = 0x55) for(i = 0; i 4; i+) X.Bytei = Si + 2; for(i = 0; i 4; i+) Y.Bytei = Si + 6; for(i = 0; i 4; i+) Z.Bytei = Si + 10; OpenMvKey = boolean(S14);Arduino數(shù)據(jù)類型存儲方式是小端存儲，解析函數(shù)首先判斷數(shù)據(jù)頭是否正確，然后再將數(shù)據(jù)解析出來，確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)解析結(jié)果如圖5-2所示。圖5-2 未處理三維坐