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1、目 录摘 要IIIAbstractIV第一章 绪论11.1 前言11.2 现代机器人的发展11.3 国内外机器人研究现状21.3.1 国外研究现状21.3.2 国内研究现状21.4 课题的研究意义31.5 本文的主要研究内容3第二章 捡球机器人的设计要求与构思42.1 捡球机器人的设计要求42.1.1 基本功能42.1.2 工作原理42.2 捡球机器人的设计构思52.2.1 基于图像视觉52.2.2 基于无线遥控72.2.3 基于超声波102.3 本文选择的捡球机器人的设计方案11第三章 捡球机器人硬件系统123.1 智能小车型捡球机器人123.2 机器人控制系统123.3 机器人感知系统12
2、3.4 机器人运动电机143.5 机器人视觉识别系统14第四章 捡球机器人控制系统164.1超声波测距164.1.1 超声波传感器原理164.1.2 HC-SR04超声波模块简介174.2 超声波定位实现184.2.1 距离计算公式184.2.2 乒乓球定位识别原理184.2.3 超声波测距应用注意事项194.3视觉识别19第五章 控制系统程序设计245.1 C51编程软件介绍245.1.1 Keil编程软件245.2 C51程序流程27第六章 结论与展望29参考文献30附录31致谢47III基于单片机控制的乒乓球捡球机器人设计与实现摘 要自19世纪末期，乒乓球运动从英国兴起，在很短的时间里面
3、，在全球掀起了一股乒乓球运动热潮。时至今日，人们对乒乓球运动的兴趣经久不衰，乒乓球成为平日休闲和娱乐身心的主流运动之一。乒乓球运动对人的身体条件限制少，对场地和器械要求也不高。一般来说，在十几个平方的房间里面就可以进行乒乓球运动。但是，我们知道对于世界级赛事的专业乒乓球运动员来说，往往需要在长时间内进行大量乒乓球练习。此时，频繁捡球不仅大量消耗运动员的体力和耐心而且大大降低训练效率。本课题，考虑设计出一种基于单片机控制的乒乓球捡球机器人。该捡球机器人使用传感器检测技术、微处理器控制技术、机械传动技术和电气驱动等技术实现乒乓球视觉识别、图像处理、直流电机PWM驱动和机械手姿态控制等功能。最后，通
4、过相关实践设计并完成了本系统的实物模型，基本实现了所有功能。关键词：捡球机器人；图像识别；PWM驱动;姿态控制Design and Implementation of A Table Tennis Ball Picking Robot based on Single Chip MicrocomputerAbstractSince the end of nineteenth Century, the rise of table tennis from the United Kingdom, in a very short period of time, in the world set off
5、a craze for table tennis. Today, people's interest in table tennis, table tennis has become one of the mainstream sports leisure and leisure sports. Table tennis is limited to the physical condition of the people, the requirements of the venue and equipment is not high. Generally speaking, in a
6、dozen square room inside the table tennis can be carried out. However, we know that for the professional table tennis players in the world events, it is often required to carry out a large number of table tennis practice for a long time. At this point, the frequent picking up the ball is not only a
7、lot of physical strength and patience of the athletes and greatly reduce the efficiency of training. This topic, consider the design of a microcontroller based control of table tennis ball picking robot. The ball picking robot using sensor detection technology, microprocessor control technology, mec
8、hanical transmission technology and electrical drive technology to achieve ping-pong visual recognition, image processing, PWM DC motor drive and mechanical hand gesture control function. Finally, the system's physical model is designed and implemented by the relevant practice.Key words: Ball Pi
9、cking Robot; Image Recognition; PWM Driver; Posture Control第一章 绪论1.1 前言乒乓球运动是一项集温和、文雅与紧张、激烈为一体的运动，具有受年龄和身体条件限制小，对场地和器械要求不高等特点，同时，由于球小、速度快、变化多、有很强的趣味性，逐渐成为平日休闲娱乐的首选活动之一1。根据国际乒联有关资料分析，乒乓球运动是由网球运动派生而来，大约在19世纪末起源于英国2。自乒乓球运动从英国兴起，乒乓球运动随即辗转传播到美国、欧洲、日本、韩国和中国等地，在很短时间内在全球掀起一股乒乓球热潮。发展至今，乒乓球已成为一项世界级运动。尽管，乒乓球运动
10、硬件条件限制很小，但是乒乓球的捡球问题一直是一个困扰全世界热爱乒乓球运动的人的难题。在这种背景下，本课题提出一种基于单片机控制的简单乒乓球捡球机器人。如本文摘要所描述的，本乒乓球捡球机器人使用到传感器、单片机、电气和机械相关的技术，单片机将传感器检测的环境信息进行分析控制电机运行到目标乒乓球位置并驱动机械部分进行捡球。1.2 现代机器人的发展原中国工程院院长宋健指出：“机器人学的进步和应用是20世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化”3。机器人技术融合了当代的计算机、传感器、电子、自动化、机械、人工智能和仿生学等多学科知识，属于复杂高科技技术。目前，机器人技术逐渐成为衡量一个国
11、家的工业化水平的重要标志。机器人技术最早应用于工业领域，但随着机器人技术的发展和各行业需求的提升，现在己经出现了工业机器人、农业机器人、医疗康复机器人、清扫机器人、军用机器人、教育机器人、娱乐机器人和探测机器人等众多的机器人种类4。进入21世纪，人工智能、计算机网络、新型材料、模拟仿真等技术的发展，使得机器人将应用到更多普通的行业和热门领域中。现代机器人的研究开始于二十世纪，是在计算机技术、自动化技术以及原子能技术的背景下兴起的，其大致的发展历程可以用表1-1来表示。表1-1 现代机器人的发展历史5年代领域当年重要事件1946年计算机世界上第一台数字电子计算机在美国问世1952年工业诞生了数控
12、机床，为机器人的诞生奠定了基础1954年工业理论美国乔治·德沃尔提出电子可编程工业机器人的相关概念1962年工业美国通用汽车公司正式投入使用工业机器人，标志着第一代机器人的诞生1965年技术MIT的Roborts演示了当时世界上第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统1967年理论日本成立仿生机构研究会，同年召开日本首届机器人学术会议1970年理论美国召开了第一届国际工业机器人学术会议二十世纪八十年代，人们将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间，水下机器人、空间机器人、
13、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实7。1.3 国内外机器人研究现状1.3.1 国外研究现状在美国机器人技术始终保持着世界超高水平。在1967年至1974年这8年时间里，由于政府对机器人的重视程度不够高，因此这段时间机器人在美国处于潜伏期。以后，由于美国机器人协会和制造工程师协会积极的进行机器人推广，使得机器人工业在美国迅速发展起来。虽然美国在机器人发展史上走过不少弯路，从最开始的重理论到最后的重研发过程，美国完成了机器人工业的大发展7。美国的机器人技术主要体现在：性能可靠；机器人开发语言多；机器人智能技术专利多；多为军用用途。日本机器人的发展经过
14、了二十世纪六十年代的摇篮期阶段，到七十年代的实用化时期再到八十年代的机器人普及时期。1967年，日本东京机械贸易有限公司第一次在美国AMF公司引进了相关机器人技术Versatran机器人技术。1968年，日本的川崎重工与美国Unimation公司合作，研发了Unimation机器人。1970年以后，日本基本实现了机器人国产化7。1.3.2 国内研究现状长期以来，由于我国人口众多、劳动力价格低廉、生产技术水平相对落后，工业机器人的应用受到了很大限制，但是随着工业机器人价格的降低和性能指标的提高，我国人工成本的增加、工作环境的改变和多元化的市场竞争，各企业面临着重重压力，工业机器人及配套的白动化装
15、备作为一个快速成长中的新兴产业，将对未来生产和社会发展发挥着越来越重要的作用6。现在，我国从事专业机器人生产开发的企业有50多家，从事机器人研发的单位有200家以上8。二十世纪七十年代，我国发射了人造卫星，机器人工业在世界上掀起一股研究热潮。八十年代后，伴随着改革开放的深入，我国在高技术的浪潮下机器人技术研发得到了国家的大力支持。1986年，国家高技术研究和开发发展计划（863技术）开始实施计划，经过多年的研究，我国成功研制出国产机器人。九十年代后期，我国的先后工业机器人出装配、喷漆、切割、包装和码垛等各种用途的工业机器人，我国机器人产业从此开始了飞速发展阶段。截止2011年，我国在用的机器人
16、数量突破百万。1.4 课题的研究意义机器人的诞生被誉为20世纪最伟大的发明之一。根据美国电气电子工程师协会（IEEE）统计，在2008年底，全球各地都已经部署并使用的工业机器人数量达100多万台。现在，家用除尘机器人也慢慢开始进入平常百姓家庭中。总之，随着科技的进步，制造工业的发展，机器人技术会逐渐在人们的生活中扮演重要角色。而本课题，是我在生活中逐渐意识到乒乓球捡球的繁琐之后，试想设计出一个基于单片机的易于实现的捡球机器人来把人从乒乓球捡球中解放出来。经过简单调研，我发现本课题的实用性还是非常强的。1.5 本文的主要研究内容本课题研究并设计的基于单片机的乒乓球捡球机器人，它能够探测出散落在地
17、面上的乒乓球的位置自主移动至乒乓球处并能实际完成捡球动作。在本文中，该乒乓球捡球机器人需要实现的控制有以下几点： 捡球机器人通过相应的传感器识别出房间地面上的乒乓球； 捡球机器人通过控制直流电机移动到目标乒乓球位置； 捡球机器人在移动过程中能自动避障； 捡球机器人在到达识别的乒乓球处停止并开始捡球。46第二章 捡球机器人的设计要求与构思2.1 捡球机器人的设计要求随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透，其中服务机器人作为一个重要分支，在国内外研究领域己经得到普遍重视9。本文中所设计的捡球机器人，便是应用于乒乓球运动的自主移动式服务机器人。2.
18、1.1 基本功能乒乓球捡球机器人理论上，应该具备：环境感知；目标识别；路径规划；自动避障；流畅捡球等功能。其中，乒乓球的识别和路径规划是乒乓球捡球机器人的设计核心，也是重点难点。2.1.2 工作原理目前，机器人实质上是一种计算机系统，机器人内部的微处理器或控制器循环执行事先编制好储存在存储装置中的程序，来实现相关过程。其系统构成一般可以用图2-1所示的框图表示。微控制器运动控制器伺服驱动机械手传感器识别图2-1 机器人系统基本构成框图而本文设计的乒乓球捡球机器人系统构成和图2-1所示的系统结构基本类似，其工作原理，可以概括成如下过程：第一步：捡球机器人控制系统通过传感器采集环境信息，如房间的光
19、线强度、地面平坦情况和房间的结构等情况；第二步：捡球机器人控制系统对传感器采集的环境信息进行过滤，重点识别地面上散落的乒乓球位置；第三步：捡球机器人控制系统内部进行路径合理规划，找出最佳的移动路线；第四步：捡球机器人控制系统驱动电机移动，移动过程中，仍需时刻采集环境信息，如主动避障或避开坑洼地面；第五步：捡球机器人移动到目标乒乓球位置，驱动机械捡球机构进行捡球，如此循环捡球。2.2 捡球机器人的设计构思前面说过，乒乓球捡球机器人的技术核心在于乒乓球的高识别率和智能路径规划。基本上乒乓球的识别系统由以下3种形式形成。2.2.1 基于图像视觉（1） 随着计算机、图像处理和模式识别等技术的迅速发展，
20、图像视觉成为机器人获得环境信息的主要手段之一，它不仅增加了机器人的自主能力，而且提高了机器人的灵活性。捡球机器人在自动捡球模式下，通过视觉处理系统进行球体识别、定位、自动捡取，通过多传感器信息融合算法达到探测障碍物、方位等信息，（2） 图像分析与处理的两个主要领域称作为计算机视觉和图像处理。 数字摄像机有3种摄像机,分别是CCD 摄像机、CMOS摄像机和彩色摄像机。以下是3种摄像机工作原理以及优缺点：图2-2CCD摄像机的缺点是在于无规则的区域和动态范围和关系到在极端照明环境中CCD芯片的行为特征。图2-2 CCD摄像机 CMOS摄像机图2-3的优点：第一，它不需要CCD所要求的特殊时钟驱动器
21、，要将各像素的电荷顺着阵列所有的列进行转移，并遍历所有行。第二，它的消耗非常少的功率。图2-3 CMOS摄像机彩色摄像机：它仅测量在积分期间击中各像素的光子的总量。图像处理是处理信号的一种形式。它是一个很大的区域，典型的是： 滤波、图像增强、边缘检测 图像恢复与重构图像滤波是处理图像的主要工具。例如，传送低频滤波器，它的产生效应是模糊图像，还有平均滤波器和平滑滤波器。平滑滤波器用于模糊和缩减噪声。它的输出仅仅是包含在滤波器像素的加权平均。这些滤波器有时处在平均滤波器或者低通滤波器图像中的每个像素，由滤波器所限定的领域中，像素强度的平均值所取代。这过程产生了一个具有缓转变的新图像。于是，图像噪声
22、降低。但是作为副效应，边缘-通常是图像所希望的一个特征也产生模糊。许多图像处理算法使用了图像强度的二阶导数。由于这种高阶导数算法对基本信号中亮度变化的敏感性，所以重要的是，将信号平滑，使得强度的变化由场景中物体光度的真正变化而引起，而不是由图像噪声的随机变化而引起。标准方法是使用高斯平均滤波器，它的系数由下式给定： 边缘检测器：它有3个明显的目标：信噪比最大化、边缘位置达到最大可能的精确度、与各边缘相关的边缘响应的数目最小化。在实践中，平滑和微分被合成一个操作，因为 计算图像相似性有3个公式绝对差之和(SAD)、平方差之和（SSD）、规格化互相关（NCC）;SAD是三者中最简单的一个相似度量。
23、如果两图像完全的匹配，则SAD和SSD的2.2.2 基于无线遥控移动机器人通过图像识别有时很难精准，这时可以通过无线遥控的方式辅助识别。这种控制方案，操作人员需要通过指令来控制机器人，通过机器人上的摄像机等传感器提供的信息，操作人员对当前形势进行评估，并决定机器人下一步的行动。这种模式下对机器人的控制可能是非常彻底的，不让机器人做任何决策，当然也可能仅仅位于较高决策级别并由机器人上的算法解决一些细节问题12。该无线遥控机器人系统通过手机的移动网络向计算机发送用户的命令，计算机进行无线数据接受，将控制命令传递给机器人内部的单片机控制单元，同时电脑控制摄像头录制视频，由计算机中插入的图像采集卡完成
24、图像采集和预处理操作，通过如图2-8所示的硬件平台无线通信终端和机器人端可以进行命令的传输和信息的交互，从而实现使用手机控制机器人按照人的意愿工作13。图2-4 基于无线网络的机器人控制系统（1） 工作原理从图2-4可以看出，这种无线网络控制的机器人系统，主要分为移动网络通信、PC图像采集和单片机驱动控制三大部分。机器人内部的单片机设备实现了对机器人实时控制，而这些控制信息则是从操作者的手机流到机器人，操作者相当于直接远程对机器人进行控制，机器人本身对环境不做任何判断，仅仅是不断执行用户发来的操作命令。单片机接受并解析出电脑发送来的命令，将命令内部转换为电气控制信号如：电机的脉冲，各关节的运行
25、方向或机械部分的驱动等13。（2） 系统框图该机器人系统，硬件涉及：手机、GPRS/GSM无线通信模块、摄像头模块、视频采集卡、单片机控制板和机器人等组成，能够自动完成远程遥控机器人动作，严格按照用户设定的动作指令进行控制，具备视频采集、视频处理、视频传输、视频观看等功能13，其系统连接框图如图2-5所示。图2-5 基于无线网络的机器人控制系统系统框图这种使用手机的3G和短信服务的移动网络对机器人进行间接控制的机器人系统其结构复杂，涉及知识包括：GPRS通信和手机短信服务相关的知识；计算机图形采集和处理知识；单片机控制技术知识；机器人关节驱动知识等。考虑到，该系统的硬件实现难度大和网络搭建成本
26、高，故本文并不打算对其进行深入分析。下面是一种较简单易于实现的基于WIFI无线网络的遥控机器人系统。在移动机器人研究领域里无线远程控制属于一种较成熟的机器人控制方法，因为随着计算机网络科技的发展，无线网络不仅搭建成本低而且可靠性非常高，能实现对机器人的精确控制，从而代替我们人类工作在各种环境恶劣中。近年来，智能手机、平板电脑等移动手持设备的普及，智能家居的兴起使得Wi-Fi 技术成为人们工作生活中不可或缺的部分14。该系统使用手持移动设备作为控制终端，通过Wi-Fi 无线网络遥控控制履带机器人。该机器人实物图，如图2-6所示。图2-6 基于Wi-Fi无线控制的履带机器人从图2-6可以看出，该系
27、统硬件配置有前置摄像头、开关电源、电机、机械臂和电磁炮和Wi-Fi通信接口等。具体工作过程大致是：主控单片机STC89S52接受安装在履带机器人各处的传感器反馈的环境信号，通过wifi发送到操作者的移动控制设备上进行显示让操作者进行环境判断并操作履带机器人做具体工作。为了更深入研究机器人的整体系统设计，这里将仔细介绍该履带机器人的主要硬件系统。 电源 该履带机器人，采用电源分离供电的模式分别对单片机供5V电压和电机的7.4V的电源。为了使得履带机器人能独立工作，采用大容量的可充电的电池进行供电。这样的好处也很明显，毕竟机器人需要独立在各类环境中工作。 电机 该履带机器人在底座配有2个直流电机，
28、通过直流电机的转动来使得机器人自主移动。同时，考虑到频繁启停和速度调节的问题，因此与直流电机同时设置有L298N型PWM驱动电路来使得履带机器人可以实时改变速度和频繁启动和停止。主要是L298N这个PWM驱动芯片起作用，查询其Datasheet能得到如表2-1所示的真值表。表2-1 L298N真值表EN1(EN2)IN1(IN3)IN2(IN4)电机状态HHL正转HLH反转L××停止 其中，EN1是IN1+IN2这一对输入的使能控制端口；EN2是IN3+IN4这一对输入的使能控制端口，只有当使能端高电平才能输入有效。使能端加上PWM脉冲，即可对电机的正反转进行调速控制，维持
29、使能高电平时间越长即占空比越大，电机速度上升；反之，维持使能低电平时间越长即占空比越小，电机速度下降。 机械臂 一般来说，机械臂的关节是最重要的部分，该部分的控制的准确度可以作为考察一个机器人控制系统的优劣。而机器人关节几乎全采用的是舵机控制。和直流电机相同的是，舵机也需要输入PWM脉冲进行舵机旋转角度的控制，PWM脉冲的占空比越小，舵机旋转角度小；PWM脉冲的占空比越大，舵机旋转角度小。这是因为，舵机是一种将输入转变成角位移的伺服直流电机。 执行部件 该履带机器人的执行机构为灭火和电磁炮，是用于火灾发生时灭火的服务机器人，该部分对于本文的研究没有意义，故省略。 摄像头 和前述的自动网球捡球机
30、器人类似，该履带机器人采用单目视觉的CMOS摄像头进行环境采集并上传到操作者的无线设备的显示屏上显示，以供操作者进行环境判断。 WiFi 操作者的显示屏设备和机器人采用WiFi进行数据交换，该部分涉及网络制式，通信接口和无线路由等知识，对于本文而言过于复杂，在此不过多讨论。（1） 总结 上述的履带机器人，从硬件结构上看，无论是系统的稳定性还是功能的实现程度，都是比较优秀的，给本文的乒乓球捡球机器人的设计提供了不少设计思路和参考资料。2.2.3 基于超声波超声波模块在机器人应用中一般当做避障模块来使用，但也有很多的场合使用了超声波进行定位物体，如海上声呐，雷达等。一般地，超声波定位使用的方法有2
31、种：测方向、测距离。还有一种比较复杂且对设备仪器要求特别高的一种方法：测速度。测速度一般情况下是无法实现的，需要是否精密的实验室设备才能测出较准确的数值，故这里不做介绍。（1） 测目标的方向测目标的方向的方法有时间差和相位差法。如图2-7所示，如果目标与超声波传感器（若为二元基阵）成某一角度，那么光到达两基阵的路径不一样，即有声程差16，该值的计算可以用公式（2-1）。 (2-1)则两者的时间差可以用公式（2-2）表示 (2-2)相位差就可以按式（2-3）计算出来 (2-3) 图2-7二元基阵（2） 测目标的距离该节内容请参考第四章第1小节。2.3 本文选择的捡球机器人的设计方案到目前为止，我
32、研究了一套关于机器人的设计方案，由超声波和图像识别和超声波一起实现机器人方案，此方案虽然硬件系统上比较方案复杂，但是基本都是些我熟悉且常见的硬件如：单片机、直流电机、CMOS摄像机、超声波模块等，因此最终决定采用视觉识别和基于超声波定位用无线遥控做辅助的捡球机器人第三章 捡球机器人硬件系统3.1 智能小车型捡球机器人参考之前的履带机器人的案例，本文也使用智能小车作为捡球机器人主体，通过在小车上拓展超声波传感器模块、红外寻迹模块及主控板，在小车底盘安装有小型直流电机进行动力驱动。图3-1所示的为本文设计的乒乓球捡球机器人的硬件框图。图3-1 捡球机器人硬件框图下面本章会详细介绍本乒乓球捡球机器人
33、的硬件结构。3.2 机器人控制系统本文设计的捡球机器人基于智能小车硬件之上，主控制器采用最熟悉的51单片机STC89C52RC。该主控板的实物图如图3-2所示。图3-2 捡球机器人主控板主控板上各元件的连接原理图，参见附录一。3.3 机器人感知系统（1）红外寻迹模块本文设计的乒乓球捡球机器人通过红外寻迹模块，限制其活动区域，即识别走白线而不是走黑线，要求遇到黑线即停止向前，并开始转向，保证了其在活动区域内捡球既能保护机器人不因为在人的活动范围内而被踩踏损坏又能在最大程度减低机器人的实际功耗。下图3-3是装配在小车前端底部的红外寻迹模块，识别地面上的黑白线。图3-3 小车底部的寻迹模块该模块采用
34、双寻迹传感器TCRT5000红外反射光电开关，具体的工作原理和超声波类似，即模块上的红外发射二极管向外不断发出红外线。当地面上有黑线或者坑洼不平导致发射出去的红外线被黑线吸收或散射至别处，红外接收二极管会一直处于关断状态，此时模块的输出端为高电平；如果发射出去的红外线被地面的白线或直接是光滑的瓷砖表面反射回来时，红外接收二极管饱和，此时模块的输出端为低电平。通过采集模块输出的电平即可完成识别底面上的黑白线，这样便可以使用黑线限制机器人的活动区域。该模块的内部原理图如图3-4所示。图3-4 寻迹模块原理图（2）超声波测距模块本传感器细节， 请参见第四章第4.1节。3.4 机器人运动电机直流电机驱
35、动电机具有优良的速度控制性能，具有调速范围宽、运行平稳、快速响应和较大转矩等优点，因为两个轮子由不同的电机控制，两轮不同的速度又能实现转向。下图3-5为安装在小车底板上控制2个前轮的直流电机。图3-5 捡球机器人的运动驱动电机3.5 机器人视觉识别系统 CMOS摄像机互补金属氧化半导体芯片与CCD有重大区别。它也有像素阵列，但是位于各像素旁的是像素特定的几个晶体管。正像CCD芯片一样，在积分周期期间，所有像素累积电荷。在数据收集期间，CMOS采用新的办法：每个像素旁边的像素专用电路测量并放大像素的信号，且它对阵列的每个像素都是平行地进行的。利用一般半导体芯片来的比较传统的步骤，将最终的像素值带
36、到他们的目的地。它的优点在于同样的生产线同样可以制造廉价的CMOS，它的功耗也非常低，在移动机器人中功率是非常稀有的资源。第四章 捡球机器人定位和捡球模块4.1超声波测距超声波测距离传感器是一种非接触式测量，具有性能可靠度高、容易集成、结构比较简单、等优点17，经常应用于海洋探测、物体识别、倒车防撞雷达等领域18。本文在通过第二章的三种捡球机器人技术方案对比中，综合各方面的实际情况选择了基于超声波传感器测距进行乒乓球定位实现方案。实际上，现实生活中利用超声波传感器发射的超声波的返回情况检测前方是否有障碍物是一种较普遍的做法。本文转换思路，把乒乓球也视为一种障碍物，通过实验研究并测定由超声波发射
37、器发射的超声波在乒乓球表面返回的时间与乒乓球距离的函数关系而把乒乓球这种“障碍物”和其他障碍物分离出来，进行模糊识别。4.1.1 超声波传感器原理所有的超声波传感器的发射和接收器件都是基于压电效应制成的，发射器件是将外加电场施加于压电晶体产生振动（俗称，压电逆效应），而接收器件是在晶体上施加外力产生变形时，在晶片的两极产生与应变量相应的电荷（俗称，压电正效应），如果应变的方向相反则产生的电荷极行也相反19。利用超声波可以对远处的物体进行非接触式探测。一般来说，机器人超声波探测并不是指检测超声波这种人类无法听到的高频声波本身，而是利用超声波传感器的超声波反射测量空间物体的距离和位置。其中，超声波
38、测距传感器便是超声波的一种普遍的应用。超声波传感器测距离一般有2种方法：脉冲回波式和FM-CW（频率调制-连续波式）。其中，脉冲回波式的检测原理如下图4-1所示，将调制处理后的脉冲发射出去以后，如果能够检测到被测量物体发射回来以后的超声波延迟了时间，就可以计算出被测量物体的距离。图4-1 超声波脉冲回波式检测方法 (4-1)式（4-1）中，表示距离，单位m；为超声波在介质中的传播速度，如果空气温度为T()，则声速=（331.5+0.607T）m/s，常温下20下大气中声速为340m/s；表示渡越时间，即从发射到接收到超声波的时间差，单位s。4.1.2 HC-SR04超声波模块简介因为压电晶体上
39、具有压电效应，压电效应是具有可逆性的，在给压电晶片施加周期性变化的电压时就会让压电晶片发生形变，从而产生振动发出超声波，同时，当压电晶片受到力后会产生电荷，形成电压，然后它又可以接收超声波20。超声波模块就是按照这种特性制造出来的。HC-SR04超声波模块就是在一个PCB板上集成了一个发射器和一个接收器，进行超声波的发射与接收。其实物图如图4-2所示。图4-2 HC-SR04超声波模块HC-SR04超声波模块非接触式测距离为0.2m4m，测距精度可达高到3mm；HC-SR04超声波模块包括了超声波发射器、接收器和控制电路。HC-SR04超声波模块的基本工作原理：(1)IO口TRIG触发测距，给
40、最少持续时间10us的高电平信号；(2)模块振荡器产生40KHz的方波信号，经过放大器驱动超声波发射器发出8个40KHz的方波并以疏密波的形式向外传播；(3)超声波接收器接收到上述信号返回时，通过放大器和滤波器得到控制信号，并通过ECHO引脚输出高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。其具体工作时序如图4-3所示。图4-3 HC-SR04超声波模块工作时序图4-1接线端子功能如表4-1所示。表4-1 HC-SR04模块引脚引脚功能VCC5V电源引脚TRIG超声波触发控制信号输入ECHO超声波回响信号输出GND5V电源引脚地4.2 超声波定位实现4.2.1 距离计算公式当超声波往返
41、时间均测量出来后往往还需要测量当前环境温度T进行温度补偿，故本文使用用C51根据理论公式编程来计算乒乓球距离以及定位。根据测量距离，而其中声速=（331.5+0.607T）,又因为超声波发送与接收时间可以定时器中断准确测出，因此很容易就能得到D的计算公式（4-2）。 （4-2）4.2.2 乒乓球定位识别原理前面提及过，本文设计的乒乓球捡球机器人基于超声波模块测距，通过在地面上用黑线布置一个圆形的捡球区域，使用机器人小车上的红外寻迹传感器保证小车不会驶出该限制区域。理论上，如果在区域里面没有乒乓球，那么超声波一般就是只有发射没有接受，当区域里面存在乒乓球时，超声波传感器发射出去的超声波经乒乓球表
42、面发射，接受器接收到回波，则机器人认为有球需要拾捡，驱车前往该目标处直到测定的距离接近0停止开始捡球。整个过程中，机器人在区域内部没过一段时间转动一定角度，如果该角度没有超声波返回，机器人认为前方没有球则停在原处，待下次转角度，如此重复，直到超声波模块接受到返回，才去捡球。4.2.3 超声波测距应用注意事项（1）测距精度。如果我们以ms为单位来测量超声波的发射与接收的时间，则测距的分辨率为：。但这并不能代表测量的实际精度。现实环境远比想象的复杂，决定超声波测量精度的影响因素有很多，如温度（已补偿）、气压、风力等。其中温度影响最大，因此需要补偿。（2）最大测距范围。超声波在空气中的衰减与频率的平
43、方成反比。所以，频率高的超声波无法传播的很远，本文的超声波模块最大测量距离为4米，对于在房间进行乒乓球捡球来说，距离足够大了。（3）被测物体对超声波的发射特性。被测物体最好不能是吸音材料，在本文中乒乓球不属于吸音类材料，故没有问题。（4）测距所需时间。将一周扫描分为256个方向进行，一旦有输出，则表示前方有乒乓球，开始移动。与图像输入方式相比，超声波传感器获取数据时间长而处理时间。4.3捡球模块上述自动视觉识别捡球机器人，以Makeblock结构件搭建三轮车底盘，带有铲球机构和球框，配有CMOS摄像头，树莓派做主控，通过Orion控制两个25mm直流电机移动机器人，控制舵机带动铲球机械机构。C
44、MOS摄像头抓取数据，通过相关图像算法过滤乒乓球颜色以外的颜色，以识别出场景中乒乓球的大小和位置，自动控制机器人走到乒乓球前，并通过铲球机构把乒乓球铲进球框中。 硬件组成:该自动视觉捡球机器人的机械组成部分十分精巧，研究其机构会对本文的乒乓球捡球机器人的捡球机械设计有很高的参考价值。自动捡球机器人的底层电机传动部分，主要由机械支架、机械齿轮、橡胶轮胎和直流电机等组成。它将2个25mm的直流电机装入电机支架中，再将同步带轮固在传动盘两端，再将装好的同步带轮和传动盘固定在25mm直流电机的转轴上，再将该部分与双孔梁结合在一起，最后将花纹橡胶轮胎装入同步带轮上，这样便完成了电机传动部分。其实物模型如
45、图4-1所示。图4-1自动捡球机器人电机传动部分一般地，我们知道，不管是四轮小车还是三轮小车，基本上是后轮驱动，前轮被动转动从而实现了小车的前行或转向等。上诉的自动捡球机器人，采用的是三轮制且是前轮驱动后轮从动。如果小车要想平衡和移动则必须在后端设置一个可自由旋转360°的万向轮。因为采用的是对应口径的双孔梁，可以直接把万向轮插入双孔梁的孔中，完成后端万向轮的部分。其实物模型如图4-2所示。图4-2 自动捡球机器人后端万向轮部分完成了捡球机器人底盘后，需要在垂直方向上放置其他双孔梁，构成一个矩形容器空间，最后使用支架将该空间撑起，防止变形，最终形成如图4-3所示的纵深区域，用于把捡到
46、的乒乓球存放在该处。图4-3自动捡球机器人储球仓部分舵机，又称伺服电机，是一种可以通过程序控制其转角，被广泛应用在机器人关节或智能小车的转向运动中。舵机具有体积小、力矩大，外部机械设计简单、稳定性高的特点，选择合适的舵机是小车控制的重要部分之一。该捡球机器人通过安装在机器人一侧的舵机来控制捡球叉进行捡球，其实物模型如4-4所示。图4-4 自动捡球机器人舵机部分该捡球叉利用乒乓球的直径大小来实现捡球。通过在前端设置四根细小光杆，两两光杆之间的距离比球的直径小1cm左右。这样，当小车移动到球位置处，会直接将乒乓球底部托住，此时控制器控制舵机及时抬起捡球叉，完成捡球动作，其实物模型如图4-5所示。图4-5 自动捡球机器人捡球叉部分该自动乒乓球捡球机器人，控制系统主要有树莓派主板、MakeBlock Orion主板。其中，Orion主要用来接收树莓派上安装的USB摄像头探测到的目标位置更新，然后根据这个目标位置，来控制执行机构的动作（电机和舵机）。主控程序中设置了一个状态机来进行捡球这个动作的分解，具体包括：找球，对准球的位置，行驶到目标点，捡球，捡球结束，还有一个状态是超时检测，避免机器人进入控制死区11。随着微型电子技术的发