机器人视觉系统的设计与研究结题报告

江苏省

大学生实践创新训练计划项目结题材

料

（2013）

项 目 名 称： 机器人视觉系统的设计与研究 项目主持人： 程杰 项 目 成 员： 邓臧阳、牛俊辉、朱恩泽 指 导 教 师： 徐苏、李要球 结题时间： 2015.05.24

一、目录

一、项目验收报告 二、项目申报书

1、第一指导教师主要成果 2、第二指导教师主要成果 3、项目简介

4、项目研究目的、研究价值和创新体现 5、本项目研究内容

6、本项目拟采取的研究方法 7、本项目执行环节、进度安排 8、项目组成员分工 9、学校提供条件 10、本项目预期成果 11、经费预算

三、中期检查表

1、项目进展情况

2、存在的问题以及拟采取的解决问题的措施

四．项目结题总结报告 五、项目结题研究成果

项目结题验收表

学院名称：工程训练中心 立项年度：2013

成果形式及数量： 成果形式：实物 数量：1

指导教师意见：

签字： 学校专家组建议：

年

月

日

专家组成员签字： 学校意见

年

月

日

教务处负责人签字：

年

月

日

江苏省高等学校

大学生实践创新训练计划项目申报表

推荐学校：

（盖章）

机器人视觉系统的设计与研究（足

项目名称： 球机器人）

项目类型： 所属一级学科名称： 项目负责人： 联系电话： 指导教师： 联系电话： 申报日期：

省级指导项目

工学

程杰

18861338697

徐苏 13815651719 2013.05

江苏省教育厅 制 二○一三年三月

项目申报书

主要成果

1)基于嵌入式控制芯片在机械控制系统中的应用，制造业自动 化.2010.13、2)电信计费系统的设计，国外电子测量技术 2011.1、 3)动态环境中机器人路径规划算，法研究淮海工学院学 报.2011.2、 4)高速电路传输线阻抗匹配分析与仿真，煤炭技术.2011.10、 5)粒子滤波算法在远程打击系统中的应用，电光与控制 2011.10、6)基于 Contourlet 的医学图像融合技术探讨，中国医学影像技术 2011.11、7)基于贝叶斯估计的加权最小二乘分布式融合，探测与控制学 报.2011.6

第二指 导教师

姓名 年龄

李要球 43

单位 专业技术职务

淮海工学院电子工程学院 讲师

主要成果

1)数字测量技术在圆形材料直径测量中的应用，《煤矿机械》2006 年 3 月。 2)基于 AVR 单片机的光学水准仪数字化改造， 《江西科学》2006 年 6 月。 3)基于 Simulink 的磁滞回线仿真，《鸡西大学学报》2007 年 2 月、 4)水准仪数字化改造中光电成像系统的设计， 《河北理工大学学报》 (自 然科学版)2007 年 3 月 5)基于 Sobel 算子的弧形材料边缘检测，《煤矿机械》2009 年 1 月

一、申请理由(包括自身具备的知识条件、自己的特长、兴趣、已有的实践创新成果 等) 本人通过大学三年的学习，基本掌握了一些基本的单片机、电路、PLC、图像处理、 模式识别等相关知识，也曾独自制作过小收音机等器件，具有一定的动手能力，敢于 挑战复杂的控制系统，这次想通过这次机会将理论用于实践，进一步检验自己对所学 知识的掌握程度

二、项目方案 具体内容包括： 1

、项目研究背景(国内外的研究现状及研究意义、项目已有的基础，与本项目有 关的研究积累和已取得的成绩，已具备的条件，尚缺少的条件及方法等) 一、 项目研究意义：足球机器人是属于代表发展方向的第三代智能机器人，它是高科技的集成， 足球机器人视觉面对的是真彩色图像和动态目标的实时识别， 这是机器人视觉领域的挑战性课 题，而机器人足球的长远目标是 50 年后的人机大战，它是一个划时代的工程，意义重大，目前日 本在这方面做的最好。

二、项目研究目标及主要内容：项目主要研究机器人对真色彩图像及动态目标的实时识别，从而达到人机交互，实现机器人 研究的一个创新， 在研究过程中如何更好的捕捉动态图像， 以及如何及时有效的对图像进行处理将 是项目的关键之处，这里需要用到很多图像处理方面的知识，牵扯到一些复杂的算法计算。 三、拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析： 制作机器人模型，并由摄像头、镜头和图像采集卡构成机器人的视觉系统硬件，通过数字图像 处理技术及模式识别对收集到的图像进行处理， 并让机器人识别做出反应， 项目中要用到的技术正 是我们正在学习的内容，活学活用，理论加上实践，可行性很大。 四、本项目的创新之处： 通过足球这一动态事物研究机器人对动态彩色图像的处理功能，是对机器人研究的一个创新， 而且在研究过程中用到的知识正是我们所学的专业知识，方便掌握。 五、项目研究计划及时间安排： 2014.4—2014.7: 进行资料的收集调研，了解图像处理及模式识别方面知识，进行操作训练。 2014.9—2014.10: 在基础性实验的应用研究、分析，语言的编程，简单测试。 2014.11—2015.1: 组合提高型研究、采集数据、分析。 2015.3—2015.5: 制作机器人模型，搭载视觉系统，下载程序，进行仿真模拟，事物演练，分 析，调试。 2014.6—2014.7: 总结实验研究成果，提交总结报告。

六、项目组成员分工 程杰:主要负责项目的总体规划，硬件设计及软件编写 朱恩泽：电路板的接线，资料收集整理，软件的仿真和测试。

三、学校提供条件(包括项目开展所需的实验实训情况、配套经费、相关扶持政策等)淮海工学院工程训练中心目前拥有车、 铣、刨、 磨、 以及先进制造系统，等全套机械加工设备， 可以对大学生创新实验提供强大的加工条件，中心还建有单片机、电子创新、机器人实验室并对学 生开放，可以为大学生创新实验提供必须的实验条件，如电路板制作，焊接，调试等工作。

四、预期成果制作仿生机器人模型，研究机器人对动态事

物的识别反应能力，得出研究结果并撰写实验报告。

五、经费预算 总经费(元) 6000 财政拨款(元) 0 学校拨款(元) 6000

注：总经费、财政拨款、学校拨款由学校按照有关规定核定数目进行填写

具体包括： 1、调研、差旅费； 2、用于项目研发的元器件、小型硬件购置费 3、资料购置、打印、复印、印刷等费用 4、进行相关实验、软硬件测试等费用 合计 六、导师推荐意见

2000 元 1800 元 200 元 2000 元 6000 元

机器人视觉系统的设计与研究是一项涉及多学科融合的创新实验项目， 既需要机 械原理方面的知识，也需要丰富的电子学知识，如控制理论，c 语音，图像处理与模 式识别技术等。通过这样的实验，可以提高学生的科研能力，以及对知识的掌握和灵 活应用的能力。 该课题具有创新性，适合实验室现有实验条件，能够在实验中让学生得到科技创 新的训练。同意申请！ 签字：徐苏 2013 年 5 月 8 日

七、院系推荐意见 同意推荐 院系负责人签名： 学院盖章： 2013 年 5 月 8 日

八、学校推荐意见：

同意推荐为省级指导项目

学校负责人签名：李纪明

学校公章 2013 年 5 月 8 日

大学生创新创业项目中期检查表

项目编号：项目名称：负 责 人：学 院： 专 业： 指导教师：徐苏项目年度：SD201311641118002

机器人视觉系统的设计与研究（足球机器人） 程杰 工程训练中心 工程训练 2013 淮海工学院教务处制

项目进展情况：

到目前为止， 项目进行的比较成功，对于完成循迹小车这个项目有了一个准确 的方向， 这段时间研究循迹小车的测距和避障功能的进展也增加了我们完成这 个项目的信心。 目前循迹小车的进程一直在预期时间内完成，组内成员团结合 作， 距离成功仅有一步之遥。 但在做项目的过程中也发现了我们有很多的不足， 在专业知识方面的掌握还有待提高。

存在的问题以及拟采取的解决问题的措施：

存在问题 1:循迹小车测距不稳定 解决措施：通过调整超声波测距头的位置和检查测距头是否完好来解决。 存在问题 2:循迹小车运行过程中略有杂音 解决措施：拟安装一个消音器来解决

指导教师意见： 同意提交

签字： 学校意见： 同意项目继续进行。

日期

教务处负责人签字：

日期

四、项目结题总结报告

机器人视觉系统的设计与研究（足球机器人）

摘要：本智能小车是以有机玻璃为车架，51单片机为控制核心，加以步进电动机、发

射式光电传感器和电源电路以及其他电路构成。系统由51单片机通过IO口控制小车的前进后退以及转向。寻迹由ST188光电传感器完成。

关键词：ATmage32L 直流电机 光电传感器 自动寻迹电动车

Abstract: The smart car is aluminum alloy for the chassis, 51 MCU as its core, including

stepper motor and servo, plus photoelectric sensors, as well as other flame sensor and power circuit. MCU controls the car turning back forward or running on the white line. RPR220 reflective photo sensor seeks the trace. Far infrared flame sensor tracks the flame. In addition, the SCM system with Sunplus for voice broadcast can remind current status. The system transmits information through DF module. The car’s status will be transmitted to the Remote Console..

Keywords: 51MCU Stepper Motor Servo Photo sensor Electrical fire engines

一、系统设计

1、设计要求

（1）自动寻迹小车从安全区域启动。

（2）小车按指定路线运行，自动区分直线轨道和弯路轨道，在指定弯路处拐弯，实现灵活前进、转弯、倒退等功能，在轨道上划出设定的地图。

（3）小车在行驶过程中若遇到障碍物能够自动避让，绕过障碍物后将会自

动安全行驶。

（4）即使小车在行驶过程中偏离预置的轨道，还可通过无线装置控制使小车按着预定的路线行走来达到小车完全被控制。

2、小车循迹的原理

这里的循迹是指小车在白色地板上循黑线行走，通常采取的方法是红外探测法。 红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超

过15cm。对于发射和接收红外线的红外探头，可以自己制作或直接采用集成式红外探头。

3、模块方案比较与论证

根据设计要求，本系统主要由控制器模块、电源模块、寻迹传感器模块、直流电机及其驱动模块、电压比较模块等模块构成。

为较好的实现各模块的功能，我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。 3.1车体设计

方案1：购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。但是一般的说来，玩具电动车具有如下缺点：首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。其次，这种电动车一般都是前轮转向后轮驱动，不能适应该题目的方格地图，不能方便迅速的实现原地保持坐标转90度甚至180度的弯角。再次，玩具电动车的电机多为玩具直流电机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速。而且这种电动车一般都价格不菲。因此我们放弃了此方案。

方案2：自己制作电动车。经过反复考虑论证，我们制定了左右两轮分别驱动，后万向轮转向的方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机进行驱动，车体尾部装一个万向轮。这样，当两个直流电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松的实现小车坐标不变的90度和180度的转弯。

在安装时我们保证两个驱动电机同轴。当小车前进时，左右两驱动轮与后万向轮形成了三点结构。这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。为了防止小车重心的偏移，后万向轮起支撑作用。

综上考虑，我们选择了方案2。小车底盘如图1所示：

图1车体底盘图

3.2控制器模块

方案1：采用可编程逻辑期间CPLD

作为控制器。CPLD可以实现各种复

杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。且从使用及经济的角度考虑我们放弃了此方案。

方案2：采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。

本系统主要是进行寻迹运行的检测以及电机的控制。如果单纯的使用凌阳单片机，在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。从系统的稳定性和编程的简洁性考虑，我们放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。

方案3：AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器

（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低

电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

从方便使用的角度考虑，我们选择了方案3。 3.3电源模块

由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下集中方案为系统供电。 方案1： 采用10节1.5V干电池供电，电压达到15V，经7812稳压后给支流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。但干电池电量有限，使用大量的干电池给系统调试带来很大的不便，因此，我们放弃了这种方案。

方案2：采用3节4.2V可充电式锂电池串联共12.6V给直流电机供电，经过7812的电压变换后给支流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。锂电池的电量比较足，并且可以充电，重复利用，因此，这种方案可行。再说实验室里已有锂电池没必要再花钱买干电池或蓄电池，能够节省开支，因此，我们选择了这种方案。

综上考虑，我们选择了方案2。 3.4稳压模块

方案1： 采用两片7812将电压稳压至12V后给直流电机供电，然后采用一片7809将电压稳定至9V，最后经7805将电压稳至5V，给单片机系统和其他芯片供电，但7809和7805压降过大，使7809和7805消耗的功率过大，导致7809和7805发热量过大，因此，我们放弃了这种方案。

方案2：采用两片7812将电压稳压至12V后给直流电机供电，然后采用2576将电压稳至5V。2576的输出电流最大可至3A，完全满足系统要求。

综上考虑，我们选择了方案2。 3.5寻迹传感器模块

方案1：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。

但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。因此我们考虑其他更加稳定的方案。

方案2：用RPR220型光电对管。RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。RPR220采用DIP4封装，其具有如下特点：塑料透镜可以提高灵敏度。 内置可见光过滤器能减小离散光的影响。体积小，结构紧凑。当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性能