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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 线阵 CCD机器人路径识别系统设计【摘要】本设计以Freescale16 位单片机MC9S12XS128 作为系统掌握处理器,MC9S12XS128 有 16 路 A/D 转换,精度最高可设置为10 位,有 8 路 8 位 PWM ,并可两两并联为 16 位精度 PWM, 采纳基于 CCD 摄像头猎取图像信息；通过软件算法 提取路径,识别当前所处位置,掌握电机速度,通过光电编码器实时猎取机器人速度,形成速度闭环掌握；采纳PID 方式对舵机转向进行掌握；调试过程中应用2401无线模块与上位机帮助；机器人将通过特定算法分析出前方的路况,并依据路况的
2、 不同而为机器人安排以不同的速度,完成机器人路径识别的系统；类似的机器人可用于设备检测装置,以自主和遥控的方式,代替人对室外设备 进行巡测,以便准时发觉设备的内部热缺陷、外部机械或电气问题如：异物、损 伤、发热、漏油等等,给人员供应诊断设备运行中的事故隐患和故障先兆的有关数 据；主要实现机器人动力驱动,依据系统路径规划和遥控指令实现车体的运动控 制,包括速度、位置掌握；适用于复杂的工业环境、设备监测；可实现全天候不间 断的远程监控；采纳红外热像监测技术,实现远距离、非接触的设备诊断；【关键词】单片机 MC9S12XS128 线阵 CCD 摄像头 转向舵机伺服电机I / 15 名师归纳总结 -
3、- - - - - -第 1 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - Linear array CCD Path Recognition System Abstract This design to Freescale16 bit microcontroller MC9S12XS128 as the system control processor MC9S12XS128 16 A / D conversion accuracy can be set to 10, 8-channel 8-bit PWM, can be two to two parallel 16-b
4、it resolution PWMbased on the CCD camera to obtain image information while using the LM1881 chip separation of the video signal, he can be isolated from the camera signal DEO parity sync signal O / E and line sync signal HS. Extraction path through the software algorithms, to identify the current lo
5、cation to control the motor speed, real-time access to the robot speed optical encoder to form a closed loop speed control. PIDcontrol of the servo steering. 2401 wireless module with the host computer-assisted debugging process. Robot through a specific algorithm to analyze the road ahead, accordin
6、g to different road conditions at different speeds for the robot allocated to complete the identification system of the robot path. Similar robots can be used for equipment, detection devices, autonomous or remote, instead of outdoor equipment, patrol, in order to detect the devices heat defects, ex
7、ternal mechanical or electrical problems such as: foreign body, injury, fever, oil spills, etc., to provide the relevant data of the causes of accidents in the operation of diagnostic equipment and fault aura. The main robot power-driven motion control system pathplanning and remote control commands
8、 to achieve the body, including the speed and position control. In complex industrial environments, equipment monitoring ；24x7 remote monitoring； infrared thermal imaging surveillance techniques, to achieve long-range, non-contact device diagnostics. Keywords Freescale microcontrollerMC9S12XS128 Lin
9、earCCD camera Steering servo Servo motor II / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 目 录第 1 章绪论 1 1.1 讨论背景 1 1.2 国内外进呈现状 1 第 2 章硬件系统设计 3 2.1 硬件整体系统框图 3 2.2 核心掌握 Freescale MC9S12XS128B微掌握器 4 2.2.1 MCU 最小系统 4 第 3 章系统软件设计 6 3.3 转向舵机掌握 8 3.4 速度掌握 8 3.4.1 模糊掌握设定速度 8 3.4.2 PID 参数的整定 9
10、 结论 10 致谢 11 参考文献 12i / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第 1 章 绪论1.1 讨论背景现代机器人掌握技术,重点讨论开放式,模块化掌握系统,人机界面更加友 好,语言、图形编程界面正在研制之中；机器人掌握器的标准化和网络化,以及基 于 PC 机网络式掌握器已成为讨论热点；编程技术除进一步提高在线编程的可操作 性之外,离线编程的有用化将成为讨论重点；多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性,多种传感器的使用是其问 题解决的关键；其讨论热点在于有效可行的多传感器融合算法,特殊是在非线性
11、及 非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法；另一问题就是传感系统的有用 化；机器人遥控及监控技术,机器人半自主和自主技术,多机器人和操作者之间的 和谐掌握,通过网络建立大范畴内的机器人遥控系统,在有时延的情形下,建立预 先显示进行遥控等；机器人向人们呈现的是一门集机、电运算机材料传感器掌握技术于一体的综合 技术也是一个国家科技水平的标志；研制机器人的最初目的是为了帮忙人们摆脱繁 重劳动或简洁的重复劳动,以及替代人到有辐射等危急环境中进行作业,因此机器 人最早在汽车制造业和核工业领域得以应用；随着机器人技术的不断进展,工业领 域的焊接、喷漆、搬运、装配、铸造等场合,己经开头大量使用机器人；
12、另外在军 事、海洋探测、航天、医疗、农业、林业甚到服务消遣行业,也都开头使用机器人 1 ；1.2 国内外进呈现状机器人技术的进展,他可以说是一个科学技术进展共同的一个综合结果,同时 为社会经济进展产生一个重大影响的一门科学技术；随着我国经济的快速进展,我 国工业机器人的市场将不断扩大,这一点无容置疑；这也从另一个侧面说面了为什 么世界各大机器人公司纷纷登陆中国市场；市场有了,但多是国外的,拥有了自主 学问产权的机器人仍很少,这一点要引起我们的高度重视 2；在我国,工业机器人市场份额大部分被国外工业机器人企业占据着；在国际强“制造 手面前,国内的工业机器人企业面临着相当大的竞争压力；如今我国正从
13、一个 大国 ”向“制造强国 ”迈进,中国制造业面临着与国际接轨、参加国际分工的庞大挑 战,对我国工业自动化的提高迫在眉睫,政府务必会加大对机器人的资金投入和政 策支持,一方面国家要对国产工业机器人赐予更多的扶持；另一方面也望企业使用1 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 国产机器人给国产工业机器人行业一个机会；由于国产工业机器人的功能已经与国 外相当,只要有批量,肯定能够造就一个或几个中国品牌的工业机器人；今后人类 社会对机器人的依靠是将越来越大；随着科技的进展,当今军事武器的进展来看,机器人的运用已到特别
14、成熟阶段；关系到国防,太空、经济、所以国家特别重视机 器人行业的进展；总之机器人是引领将来的高科技的产品,进展空间庞大；2 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第 2 章 硬件系统设计2.1 硬件整体系统框图电路硬件设计以 Freescale16 位单片机 MC9S12XS128 作为系统掌握处理器,系统包括电源治理模块,路径识别,舵机掌握模块,电机驱动模块,无线通信模块等；系统结构框图如图 2.1 所示 : 图 2.1 机器人路径识别系统硬件系统框图以 Freescale16位单片机MC9S12XS128
15、 作为系统掌握处理器,采纳CCD 摄像头作为传感器猎取路径信息,CCD摄像头按肯定辨论率,以隔行扫描的方式采样图像上的点,当扫到某点时,通过图像传感芯片将该点图像灰度转换成与会对称对应关系的电压值,将此电压值通过视频信号输出；由于 有限,采纳 LM1881 视频信号分别芯片进行分别提取,MC9S12XS128 的 AD采集速度 LM1881 视频信号分别芯片可以从摄像头信号中提取信号的时序信息,如行同步脉,场同步脉冲,奇、偶场信息 以供单片机 I/O 口作掌握之用,提取路径,识别当前所处位置,由单片机掌握电机 速度,通过光电编码器实时猎取机器人速度,形成速度闭环掌握,采纳 PID 方式对舵机转
16、向进行掌握；调试过程中应用2401无线模块与上位机帮助；3 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2.2 核心掌握 Freescale MC9S12XS128B微掌握器Freescale MC9S12XS128 系列 MCU 是以高速 CPU12 内核为基础的微控列,简称 S12 系列；典型的 HC12 总线频率为 8MHz,而典型的 S12 总线频率为 25MHz；HC12 与 S12指令完全兼容,故统称为HCS12 系列微掌握器；MC9S12XS128B 有 16 路 AD 转换,精度最高可设置为 10位
17、；有 8 路 8 位 PWM 并可两两级联为 16 位精度 PWM ,特殊适合用于掌握多电机系统；它的串行通信端 口也特别丰富,有 2 路 SCI,2 路 SPI 此外仍有 IIC,CAN 总线,增强型捕获定时器 等端口,并且采纳了引角复用功能,使得这些功能引角也可设置为一般的 I/O 端口 使用；此外它内部仍集成了完整的模糊规律指令,可大大简化我们的程序设计；在单片模式下, A 口、 B 口和部分 E 口都可以用作通用 I/O 接口,假如全部接口工作在通用 I/O 方式下,那么 I/O 口将达到 63 个；这些双重功能的 I/O 口本身及 掌握规律完全集成在 MCU 内部,其体积、功耗、牢靠
18、性、应用简洁便利程度都与 用户自行扩充的 I/O 口有着重要区分 7；2.2.1 MCU 最小系统 MCU 运行程序所必需的最小系统包括电源电路,复位电路,晶振电路,PLL 电 路；而单片机的电源电路在下面介绍了,这里就不再介绍；单片机的复位电路由一 个键盘,两个电阻,一个电容构成；复位电路如下图 2.3：图 2.3 单片机外部复位电路外部复位是指 MCU 的 RESET 引脚上外加一个低电压使得 MCU 强制复位；本 设计复位电路是 MC34064 电平监视器,当电源电压低 4.65V,其输出将保持低电 平；这样在上电阶段,靠 MCU 内部 POR 建立初始状态,靠 MC34064 保证电源
19、电压达到 4.65V 当电源电压跌落或掉电过程中,MC34064 可以保证 MCU 准时复位；通过按钮将 RESET 引脚拉低超过肯定时间就可以实现手动复位；对于简洁的非在线 应用系统,可以不考虑上电速度和掉电问题,这时只保留一个上拉电阻和复位按钮 即可；手动复位电路在系统调试时特别有用当做成目标系统后,可以将其略去；4 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 单片机正常工作：晶振电路由16MHZ 晶振及两个电容,一个电感构成,如图2.4 所示,其作用是为系统供应基本的时钟信号,通常一个系统共用一个晶振便于各
20、部分保持同步,晶振供应的时钟频率越高,单片机的运行速度就越快；5 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第 3 章 系统软件设计本设计掌握软件采纳大赛供应的CodeWarrior 软件此外,厂家供应的编程环境支持 C 语言和汇编语言的程序设计,以及 C 语言与汇编语言的混合编程,大大便利了用户的程序设计,提高了系统开发效率；本设计程序代码使用 C 语言编写；其使用界面如图 3.1 所示：6 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - -
21、- 开头N采集完成？Y关闭定时器中断初始化行指针和黑线 储备位置指针设定首行检测相对左 边界值和点计数初值设定检测肯定 左右边界值读一个图像 点计数器加1NN点计数器值大于YYN肯定右边界？黑点计数器是黑点？大于0？Y黑点计数器加1黑点计数器运算黑线中线位黑线中心位置存置并储备储#SFF大于1？NYN黑线中心位置黑线中心位置存储备指针加 1,黑记录黑线左储指针加 1,行指点计数器清 0,行针加1边界位置指针加1记录黑线右 边界位置设定检测相对左右边界值,点计数器初值指向下一个点黑线中心 检测完成？Y终止图 3.4 黑线中心检测流程7 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 10
22、页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3.3 转向舵机掌握对于舵机的掌握,我们采纳开环掌握,由于舵机的掌握精度高,一个 PWM占空比对应一个角度,因此开环掌握的成效较好；我们采纳的是PD掌握,由于这样可以让舵机的掌握速度更快,输入黑线位置和黑线位置的变化率,通过分段比例掌握输 出相应的 PWM值；由于机器人处于弯道和直道的转向模型不同,统一的比例带过大 会导致机器人振荡,过小导致最大掌握量偏小,机器人转向不足一的比例带过大会 导致机器人振荡,过小导致最大掌握量偏小,机器人转向不足过弯时冲出路径；使 用分段比例掌握既便利又可以解决以上两种问题；3.4 速度掌握对于速度
23、的掌握,我们采纳闭环掌握,掌握量由TLE6209 给出,而速度反馈量由编码器测得；编码器输出的脉冲输入到 PACN10,通过定时器申请中断,间隔一 定时间读取 PACN10 的值,由于是肯定时间内的脉冲数,所以可以看成是电机速 度；给定量是依据当前传感器的检测到黑线的位置给出的,我们挑选了模糊推理给 定,该模糊掌握器是一个两输入,一输出；输入黑线位置和黑线位置的变化率,通过模糊推理输出一个当前所需的速度量；在通过一个增量式 际速度尽可能快的接近给定速度；3.4.1 模糊掌握设定速度PID 调剂器使电机的实由于机器人识别的路径是未知的,弯道的分布情形也不能确定,机器人可能频 繁的进出弯道,不停的
24、调整速度来适应不同轨迹；这样就难以建立精确的数学模 型,且机器人对动态性能要求较高,考虑到该款单片机有一套特色指令模糊掌握指令,执行时间只有几十us 级 模糊输入输出量的选取机器人模糊掌握器采纳二维模糊掌握器,输入变量E、 E 分别选为黑线位置 设定值 Vi_Ref；distance及其变化率 diff ,输出变量 U 选为机器人的速度 E NB NS 表3.1模糊规章表PS PB Z E NB NS PS PB PS NB Z NS Z PB Z NS PB PS PB PS NS NB 4 模糊推理及解模糊化在模糊推理过程中,选用了REV 指令； MC9S12XS128 单片机中规定各个前
25、件之间只进行模糊与运算,而假如几个规章的规律后件影响到同一个模糊输出,它们8 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 之间隐含模糊或运算；即使用MIN MAX 法进行模糊推理；反模糊化采纳重心法 COG 法）； WAV 是解模糊的核心指令,它与 EDIV 指令协作完成模糊输出到掌握输出的变换；3.4.2 PID 参数的整定试凑法是通过闭环试验,观看系统响应曲线,依据各掌握参数对系统响应的大致影响,反复试凑参数,以达到中意的响应,最终确定 目的,而是在掌握理论指导下进行的；在掌握理论中已获得如下定性学问：PID
26、 掌握参数；试凑不是盲比例调剂 P）作用：是按比例反应系统的偏差,系统一旦显现了偏差,比例调 节立刻产生调剂作用用以削减偏差；比例作用大,可以加快调剂,削减误差,但是 过大的比例,使系统的稳固性下降,甚至造成系统的不稳固；积分调剂 I）作用：是使系统排除稳态误差,提高无差度；由于有误差,积分 调剂就进行,直至无差,积分调剂停止,积分调剂输出一常值；积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti 越小,积分作用就越强；反之Ti 大就积分作用弱,加入积分调剂可使系统稳固性下降,动态响应变慢；积分作用常与另两种调剂规律结合,组成 PI 调剂器或 PID 调剂器；9 / 15 名师归纳总结 - - - -
27、 - - -第 12 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 结 论本文基于飞思卡尔公司的16位微处理器 MC9S12XS128 为掌握核心,设计了采线阵CCD摄像头来识别路径的机器人系统；实现了机器人能在白色的场地上,沿着任意给 定的黑色引导线依据给定的速度行驶；详细工作如下：1）硬件部分采纳模块化设计,主要由电源的治理单元,路径识别单元,速度 检测模块、舵机掌握单元和直流驱动电机掌握单元组成；2）软件部分的模块设计主要包括：单片机初始化模块,实时路径检测模块,舵机掌握模块,驱动电机掌握模块,中断速度采集模块,速度掌握模块等； :pp99-101. 2 程鹏飞 ,顾明剑 , 王模昌 . CCD 视频信号处理电路设计 J. 科学技术与工程 ,200624:pp21-25. 3 冯津 ,王星愚 . 基于 MC9S12 单片机的摄像头参数测量及模拟视频信号离散化 C. 智能检测控制技术及外表装置进展研讨会论文集 , 2002: pp123-128. 4C C Chan. The state of the art of the electric and hybrid vehicles J. Proc. IEEE S0018-9219, 2002, 902: pp200-210. 12 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 15 页