移動機器人技術-課件 項目五：移動機器人自動控制綜合實踐

項目五：移動機器人自動控制綜合實踐移動機器人綜合實踐任務需求分析任務一：移動機器人綜合實踐任務需求分析課程目標：一、理解機器人開發(fā)需求分析的基本概念及基本流程；二、掌握結構圖、流程圖的繪制；三、增強動手實踐能力和團隊合作能力。移動機器人綜合實踐任務需求分析知識儲備一：任務需求分析任務需求分析就是分析機器人的具體任務是什么，全面地理解對機器人的各項要求，解決機器人“做什么”的問題。如果投入大量的人力、物力、財力和時間開發(fā)出的機器人無法完成規(guī)定任務，無法滿足預期要求，那么就需要再重新設計開發(fā)，造成資源浪費。因此，一個合理的、優(yōu)秀的、詳細的需求分析是機器人很好完成任務的前提。需求分析具有決策性、方向性、策略性的作用，在機器人開發(fā)的過程中具有舉足輕重的地位。移動機器人綜合實踐任務需求分析知識儲備一：任務需求分析機器人任務需求分析階段的工作，可以分為四個方面：（1）問題識別（2）分析與綜合（3）制訂規(guī)格說明書（4）評審移動機器人綜合實踐任務需求分析知識儲備一：任務需求分析需求分析的方法：（1）原型化方法（2）結構化方法（3）動態(tài)分析法原型的類型：（1）探索型（2）實驗型（3）進化型移動機器人綜合實踐任務需求分析工程實踐一任務場地搭建實踐內(nèi)容：按照理論設計場地圖搭建實際測試場地。移動機器人綜合實踐任務需求分析工程實踐二任務需求分析要求機器人能夠自主地在給定場景中行走，到達物料擺放區(qū)域，自主識別并抓取物料，然后運送到收集區(qū)域并回到終點。給定的場景中有坡道、引導路線、隨機障礙物以及無引導窄巷、直角轉彎等地形與環(huán)境因素?；趫鼍耙笈c工作設定，該機器人需要具備自主行走、避障、循跡、目標識別、抓取以及搬運投遞功能。為合理地滿足設計需求，本節(jié)將系統(tǒng)設計指標歸納為如下幾點：（1）機器人的寬度尺寸不應超過場地中兩條循跡線的寬度（400mm）；（2）機器人需具備較強的可移動性，最大移動速度應不低于1m/s，可移動方向應盡可能多。（3）機器人應具備夾取功能，并能保證其操作空間覆蓋物料區(qū)。（4）機器人應具備感知功能，能有效地進行避障和自身定位。（5）機器人自身定位精度誤差應保持在5cm以內(nèi)；（6）機器人對物料的定位精度誤差應保持在2cm以內(nèi)。移動機器人綜合實踐任務需求分析工程實踐二任務需求分析基于場景要求與工作設定，該機器人需要具備自主行走、避障、循跡、目標識別、抓取以及搬運投遞功能。移動機器人綜合實踐任務需求分析小結與拓展一、請按照要求布置場地。二、請根據(jù)設計要求完成完整詳細的需求分析文檔。項目五：移動機器人自動控制綜合實踐灰度傳感器的應用任務二：灰度傳感器的應用課程目標：一、理解灰度傳感器的基本原理；二、掌握灰度傳感器的編程與使用?；叶葌鞲衅鞯膽弥R儲備一：灰度傳感器的基本原理灰度傳感器是模擬傳感器，有一只發(fā)光二極管和一只光敏電阻，安裝在同一面上?；叶葌鞲衅骼貌煌伾臋z測面對光的反射程度不同，光敏電阻對不同檢測面返回的光其阻值也不同的原理進行顏色深淺檢測。在有效的檢測距離內(nèi)，發(fā)光二極管發(fā)出白光，照射在檢測面上，通過檢測面反射回來落在光敏二極管上，由于照射在它上面的光線強弱的影響，光敏二極管的阻值在反射光線很弱（也就是物體為深色）時為幾百KΩ，一般光照度下為幾KΩ，在反射光線很強（也就是物體顏色很淺，幾乎全反射）時為幾十Ω，這樣即可檢測到物體的顏色的灰度?；叶葌鞲衅鞯膽弥R儲備一：灰度傳感器的基本原理八路灰度傳感器：每一路采用標準三線接口，分別為VCC、SIGN與GND，其中VCC為5V供電電源，GND為電源地線，SIGN為信號線。當對灰度傳感器進行供電時，其根據(jù)不同檢測面返回數(shù)值0-1023，由SIGN輸出，當顏色越淡時數(shù)值越小，當顏色越深時數(shù)值越大。部分傳感器會以一個閾值進行區(qū)分，當數(shù)值大于等于該閾值時，統(tǒng)一輸出高電平，即1，當數(shù)值小于該閾值時，統(tǒng)一輸出低電平，即0。八路灰度傳感器共有10個口，其中8個IO口，兩個電源口?；叶葌鞲衅鞯膽霉こ虒嵺`一灰度傳感器的應用實踐內(nèi)容：將八路灰度傳感器置于黑色循跡線的上方，觀察灰度傳感器是否正常工作，如正確檢測到黑線，則對應的LED燈亮，如果未檢測到黑線，則對應的LED燈熄滅。硬件接線：將八路灰度傳感器的8根信號線口分別接至主控板上P42模塊的PF3-PF10，VCC接主控板的5V，GND接主控板的GND。軟件調(diào)試：打開配套的工程文件，點擊編譯、下載，觀察灰度傳感器是否正常工作?；叶葌鞲衅鞯膽霉こ虒嵺`一灰度傳感器的應用關鍵代碼分析灰度傳感器的應用工程實踐一灰度傳感器的應用關鍵代碼分析灰度傳感器的應用小結與拓展一、請將兩個八路灰度傳感器均接至機器人主控板，并將每個灰度傳感器的信號顯示在LCD屏幕上。二、請編寫程序，根據(jù)八路灰度傳感器的反饋信息控制LED燈的亮滅以及蜂鳴器的響滅。項目五：移動機器人自動控制綜合實踐紅外傳感器的應用任務三：紅外傳感器的應用課程目標：一、理解紅外傳感器的基本原理；二、掌握紅外傳感器的編程與使用。紅外傳感器的應用知識儲備一：紅外傳感器的基本原理光線是一種輻射電磁波，以人類的經(jīng)驗而言，通常指的是肉眼可見的光波域是從400nm（紫光）到700nm（紅光）可以被人類眼睛感覺得到的范圍。紅光之外、波長760nm到1mm之間輻射叫做紅外光，紅外光是肉眼看不到的，但通過一些特殊光學設備可以感受到。紅外線是一種人類肉眼看不見的光，所以，它具有光的一切光線的所有特性。但同時，紅外線還有一種還具有非常顯著的熱效應。所有高于絕對零度即－273℃的物質都可以產(chǎn)生紅外線。因此，簡單地說，紅外線傳感器是利用紅外線為介質來進行數(shù)據(jù)處理的一種傳感器。紅外傳感器的應用知識儲備一：紅外傳感器的基本原理根據(jù)發(fā)出方式不同，紅外傳感器可分為主動式和被動式兩種。主動式多數(shù)采用的是集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器結構，發(fā)射光經(jīng)過調(diào)制后發(fā)出，接收頭對反射光進行解調(diào)輸出，可以有效的避免可見光的干擾。另外，傳感器大多采用透鏡，延長檢測距離。由于紅外光的特性，不同顏色的物體，能探測的最大距離也有不同；白色物體最遠，黑色物體最近。檢測障礙物的距離可以根據(jù)要求通過尾部的電位器旋鈕進行調(diào)節(jié)。紅外傳感器的應用工程實踐一紅外傳感器障礙物感知實踐內(nèi)容：將一障礙物置于紅外傳感器的前方，如果處于紅外傳感器的檢測范圍內(nèi)，板載LED燈亮，如果未處于紅外傳感器的檢測范圍內(nèi)，板載LED燈滅。硬件接線：將紅外傳感器的VCC與GND接入開發(fā)板的電源端口與地，信號線接入主控板P40模塊的PD2口。軟件調(diào)試：打開配套的工程文件，點擊編譯、下載，觀察紅外傳感器是否正常工作。紅外傳感器的應用工程實踐一紅外傳感器障礙物感知關鍵代碼分析紅外傳感器的應用工程實踐一紅外傳感器障礙物感知關鍵代碼分析紅外傳感器的應用小結與拓展一、請將兩個紅外傳感器均接至機器人主控板，并將每個紅外傳感器的返回值顯示在LCD屏幕上。二、請調(diào)節(jié)紅外傳感器的檢測閾值，并測試其有效性。項目五：移動機器人自動控制綜合實踐超聲波傳感器的應用任務四：超聲波傳感器的應用課程目標：一、理解超聲波傳感器的基本原理；二、掌握超聲波傳感器的編程與使用。超聲波傳感器的應用知識儲備一：超聲波的基本概念振動在彈性介質內(nèi)的傳播稱為波動，簡稱波。聲波超聲波次聲波微波超聲波傳感器的應用知識儲備一：超聲波的基本概念超聲波的波型縱波橫波表面波超聲波傳播方式反射折射超聲波的衰減散射衰減吸收衰減超聲波傳感器的應用知識儲備一：超聲波的基本概念能夠完成產(chǎn)生超聲波和接收超聲波功能的裝置就是超聲波傳感器，也成為超聲波換能器或超聲波探頭。分類壓電式磁致伸縮式電磁式工作方式直射式反射式超聲波傳感器的應用知識儲備二：超聲波測距的基本原理時間差測距法??=??×????為待測距離??為超聲波在介質中的傳播速度??為測量出傳播時間的一半假設介質為空氣時，聲速為340m/s，記錄時間為t，則距離s為多少？

超聲波傳感器的應用知識儲備二：超聲波測距的基本原理HC-SR04傳感器電氣參數(shù)使用電壓：DC5V靜態(tài)電流：小于2mA電平輸出：高5V電平輸出：低0V感應角度：不大于15度探測距離：2cm-450cm精度：可達2mm超聲波傳感器的應用知識儲備二：超聲波測距的基本原理HC-SR04傳感器工作原理超聲波傳感器的應用工程實踐一超聲波測距實踐內(nèi)容：將超聲波傳感器測量出的距離顯示在LCD屏幕上，如果距離大于某個預設閾值，板載LED燈亮，反之板載LED燈熄滅。硬件接線：將超聲波傳感器的VCC、GND、Trig、Echo四個引腳分別接到主控板上P44的5V、GND、PE0、PE1引腳。軟件調(diào)試：打開配套的工程文件，點擊編譯、下載，觀察超聲波傳感器是否正常工作。超聲波傳感器的應用工程實踐一超聲波測距關鍵代碼分析超聲波傳感器的應用工程實踐一超聲波測距關鍵代碼分析超聲波傳感器的應用工程實踐一超聲波測距關鍵代碼分析超聲波傳感器的應用小結與拓展一、請將超聲波傳感器接至機器人主控板，將超聲波傳感器的返回值顯示在LCD屏幕上，如果檢測到的距離小于300mm，令蜂鳴器響。二、是否有其他的方法實現(xiàn)超聲波傳感器的功能？如果有，請編寫程序。項目五：移動機器人自動控制綜合實踐攝像頭的應用任務五：攝像頭的應用課程目標：一、理解攝像頭的基本原理；二、掌握攝像頭的編程與使用。攝像頭的應用知識儲備一：OV2640簡介OV2640是OV（OmniVision）公司生產(chǎn)的一顆1/4寸的CMOSUXGA（1632*1232）圖像傳感器。該傳感器體積小、工作電壓低，提供單片UXGA攝像頭和影像處理器的所有功能。通過SCCB總線控制，可以輸出整幀、子采樣、縮放和取窗口等方式的各種分辨率8/10位影像數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品UXGA圖像最高達到15幀/秒（SVGA可達30幀，CIF可達60幀）。用戶可以完全控制圖像質量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式。所有圖像處理功能過程包括伽瑪曲線、白平衡、對比度、色度等都可以通過SCCB接口編程。OmmiVision圖像傳感器應用獨有的傳感器技術，通過減少或消除光學或電子缺陷如固定圖案噪聲、拖尾、浮散等，提高圖像質量，得到清晰的穩(wěn)定的彩色圖像。攝像頭的應用知識儲備一：OV2640簡介OV2640的特點有：?高靈敏度、低電壓適合嵌入式應用?標準的SCCB接口，兼容IIC接口?支持RawRGB、RGB(RGB565/RGB555)、GRB422、YUV(422/420)和YCbCr（422）輸出格式?支持UXGA、SXGA、SVGA以及按比例縮小到從SXGA到40*30的任何尺寸?支持自動曝光控制、自動增益控制、自動白平衡、自動消除燈光條紋、自動黑電平校準等自動控制功能。同時支持色飽和度、色相、伽馬、銳度等設置。?支持閃光燈?支持圖像縮放、平移和窗口設置?支持圖像壓縮，即可輸出JPEG圖像數(shù)據(jù)?自帶嵌入式微處理器攝像頭的應用知識儲備一：OV2640簡介感光陣列（ImageArray）模擬信號處理（AnalogProcessing）10位A/D轉換（A/D）數(shù)字信號處理器（DSP）輸出格式模塊（OutputFormatter）壓縮引擎（CompressionEngine）微處理器（Microcontroller）SCCB接口（SCCBInterface）數(shù)字視頻接口（DigitalVideoPort）攝像頭的應用知識儲備一：OV2640簡介傳感器窗口設置圖像尺寸設置圖像窗口設置圖像輸出大小設置攝像頭的應用知識儲備一：OV2640簡介OV2640行輸出時序攝像頭的應用知識儲備一：OV2640簡介OV2640幀時序攝像頭的應用工程實踐一攝像頭顯示實踐內(nèi)容：在上位機攝像頭顯示軟件中顯示出攝像頭所拍攝內(nèi)容，同時將目標物體（如圓形、三角形、矩形等物體）的中心坐標顯示在LCD上。硬件接線：將OV2640攝像頭接至開發(fā)板攝像頭專用模塊接口（P8）。軟件調(diào)試：打開配套的工程文件，點擊編譯、下載，觀察攝像頭是否正常工作。攝像頭的應用工程實踐一攝像頭顯示關鍵代碼分析攝像頭的應用工程實踐一攝像頭顯示關鍵代碼分析攝像頭的應用工程實踐一攝像頭顯示關鍵代碼分析攝像頭的應用工程實踐一攝像頭顯示關鍵代碼分析攝像頭的應用小結與拓展一、請利用LCD顯示OV2640拍攝到的圖片。二、請針對拍攝到的圖片進行二值化等常用圖像處理。項目五：移動機器人自動控制綜合實踐自動控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)任務六：自動控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)課程目標：一、了解自動控制系統(tǒng)的基本概念；二、理解自動控制系統(tǒng)的設計方法；三、掌握自動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。自動控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)知識儲備一：自動控制概念及結構機器人控制系統(tǒng)指的是使機器人完成各種任務和動作所執(zhí)行的各種控制手段。機器人系統(tǒng)通常分為機構本體和控制系統(tǒng)兩大部分?？刂葡到y(tǒng)的作用是根據(jù)用戶的指令對機構本體進行操