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      基于旅游尋寶應(yīng)用環(huán)境下的智能機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)

      2016-11-09 22:12潘運(yùn)丹藍(lán)麗金
      關(guān)鍵詞:尋寶機(jī)器人旅游

      潘運(yùn)丹 藍(lán)麗金

      摘要:本設(shè)計(jì)研究一種基于旅游尋寶應(yīng)用環(huán)境下的智能機(jī)器人,利用紅外模塊、電機(jī)與舵機(jī)、攝像頭等模塊,主控芯片采用STM32F103ZET6芯片,將在特定軟件下編譯好的程序下載至主控芯片,主控芯片針對(duì)紅外反饋的環(huán)境信息,給電機(jī)、舵機(jī)等下發(fā)指令已完成相應(yīng)動(dòng)作。能夠?qū)崿F(xiàn)在一定時(shí)間內(nèi),在一定的環(huán)境下到達(dá)盡可能多的景點(diǎn),途中需順利通過各種門檻,路障等。每到一個(gè)景點(diǎn)完成進(jìn)行一定的識(shí)別,完成尋寶任務(wù)。

      關(guān)鍵詞:旅游 尋寶 機(jī)器人

      中圖分類號(hào):G624.24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007-9416(2016)09-0008-02

      機(jī)器人自21世紀(jì)以來,取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。工廠里的機(jī)械臂大大加快了生產(chǎn)效率,醫(yī)院里的機(jī)器人提高了手術(shù)的成功率,家庭服務(wù)機(jī)器人方便了人們的居家生活。機(jī)器人的使用給人們帶來了很多的便利,并且機(jī)器人能夠替代人們完成各項(xiàng)危險(xiǎn)的工作,其安全性為科學(xué)研究的方式提供了不可磨滅的作用。2013年12月14日21時(shí)11分18.695秒,嫦娥三號(hào)成功實(shí)施軟著陸,降落相機(jī)傳回圖像。玉兔號(hào)月球車漫步在坎坷的月球面上,會(huì)遭遇未知的地形,環(huán)境等因素的干擾。本研究設(shè)計(jì)的機(jī)器人能夠通過網(wǎng)咖來自動(dòng)選擇未知的路線,途中也將碰到未知的障礙,并且能在有限的時(shí)間內(nèi)來完成旅游尋寶任務(wù)。這些都是月球車探測,南極考察等技術(shù)基礎(chǔ)[1]。

      1 機(jī)器人總體功能及性能指標(biāo)

      本研究設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有以下幾個(gè)功能:

      (1)系統(tǒng)規(guī)劃與優(yōu)化能力:在一定的時(shí)間內(nèi)游覽多景點(diǎn),完成計(jì)劃中的旅游活動(dòng),并回到出發(fā)地點(diǎn)。需要一種最優(yōu)規(guī)劃以達(dá)到所要求的目標(biāo),需要有一定的系統(tǒng)規(guī)劃與優(yōu)化能力。

      (2)應(yīng)變能力:面對(duì)有些可移動(dòng)景點(diǎn)與不可知的路障擺放數(shù)量與位置,在機(jī)器人進(jìn)入場地后,所走的路線避免不了那些路障,此時(shí)需要機(jī)器人對(duì)此做出一定的應(yīng)變以順利完成任務(wù)。

      (3)視力及定位:機(jī)器人辨別數(shù)字、文字、形狀和色彩的能力,引導(dǎo)機(jī)器人視力及定位能力的提高。

      (4)爬坡能力和跨越門檻能力:由于應(yīng)用環(huán)境的需要,使得機(jī)器人具有一定的爬坡能力和跨越障礙的能力。

      (5)對(duì)抗能力:具有一定的對(duì)抗能力,已完成任務(wù)。

      (6)快速性與穩(wěn)定性:機(jī)器人在整個(gè)過程中,要在快速性與穩(wěn)定性中間求得平衡。

      2 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與外觀

      該機(jī)器人的外形具有穩(wěn)定性、堅(jiān)固性以及時(shí)速性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上半部分為人型結(jié)構(gòu),下半部分為四輪的車型結(jié)構(gòu)。車底安裝電機(jī)、主控芯片,紅外等一系列必需的配件。主控板位于底板中央,電池嵌在底板下方。八個(gè)避障紅外的安放位置分別為:前左,前右,前下左,前下右,中左,中右,中斜,后右。兩條循跡板位于前后底板下,且保持對(duì)稱。人型雙腳跨在主控板兩邊,向上直立豎起人型支架。支架由若干連接件,長條構(gòu)成。肩膀處架有攝像頭,攝像頭另有一根固定在底盤上的桿固定。機(jī)器人頭部連著一個(gè)小舵機(jī)。

      3 硬件系統(tǒng)

      硬件系統(tǒng)主要由主控、紅外模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、導(dǎo)航模塊、攝像頭等構(gòu)成,結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主控板為機(jī)器人核心部分,由主控芯片,顯示屏,I/O,A/D,紅外等相關(guān)元器件組成。將在特定軟件下編譯好的程序下載至主控芯片,主控芯片針對(duì)紅外反饋的環(huán)境信息,給電機(jī)、舵機(jī)等下發(fā)指令以完成相應(yīng)動(dòng)作。

      3.1 主控制器

      本設(shè)計(jì)主控芯片采用STM32F103ZET6芯片。該芯片是一種基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器。擁有512K片內(nèi)FLASH(相當(dāng)于硬盤),64K片內(nèi)RAM(相當(dāng)于內(nèi)存),片內(nèi)FLASH支持在線編程(IAP)。同時(shí)有高達(dá)72M的頻率、數(shù)據(jù)、指令分別走不同的流水線,以確保CPU運(yùn)行速度達(dá)到最大化。功能較齊全,便于控制[3]。

      3.2 紅外模塊

      紅外模塊分為避障與循跡兩個(gè)部分,由于紅外探測傳感器發(fā)出紅外光,常見光對(duì)它的干擾極小,可應(yīng)用于智能小車的循線、避障以及其它機(jī)器人中物料檢測、灰度檢測等系統(tǒng)中。避障模塊采用E18-D50NK集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器,發(fā)射光經(jīng)過調(diào)制后發(fā)出,接收頭對(duì)反射光進(jìn)行解調(diào)輸出有效的避免了可見光的干擾,如圖2所示。檢測障礙物的距離可以根據(jù)需求通過尾部的電位器旋鈕進(jìn)調(diào)節(jié)。

      循跡模塊包括12×2個(gè)二極管,1×2個(gè)LM339M芯片,4×2個(gè)LED,以及若干電阻等電子元件。

      3.3 導(dǎo)航模塊

      導(dǎo)航模塊采用JY901,該模塊包含有MPU6050、HMC5883、氣壓計(jì)等模塊,并通過板載模塊進(jìn)行卡爾曼濾波生成方位數(shù)據(jù),經(jīng)IIC或串口與主控芯片通訊。

      3.4 驅(qū)動(dòng)模塊

      本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)模塊由電機(jī)與舵機(jī)組成。舵機(jī)采用4個(gè)MG995和2個(gè)MG90S。MG995型結(jié)構(gòu)材質(zhì)為模擬金屬銅齒、空心杯電機(jī),雙滾珠軸承,反應(yīng)轉(zhuǎn)速:無負(fù)載速度0.17秒/60度(4.8V);0.13秒/60度(6.0V)。電機(jī)為直流電機(jī)組成(4個(gè))。

      3.5 攝像頭模塊

      該機(jī)器人的攝像頭采用OV7670。其主要參數(shù)如下:感光陣列:640*480;電源核電壓:1.8VDV±10%;視場角:25°;光學(xué)尺寸:1/6”。

      4 軟件系統(tǒng)

      軟件系統(tǒng)包括如下幾個(gè)部分:

      (1)繪圖軟件。Altium designer10、AutoCAD2010提供PCB、板子制作的電路圖、尺寸的繪制。

      (2)編譯平臺(tái)。Keil uVision4提供機(jī)器人相關(guān)程序編寫平臺(tái)。其中涉及C語言程序編寫的相關(guān)知識(shí),參考文獻(xiàn)4。

      (3)下載模塊。JLINK-ARM作為STM32F103ZET6芯片燒寫器。

      (4)圖像識(shí)別系統(tǒng)。

      通過攝像頭OV7670識(shí)別景點(diǎn)的數(shù)字,并反饋會(huì)主控芯片。

      圖像識(shí)別方案:模板法。通過上位機(jī)采集OV7670的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)形式為十六進(jìn)制,將采集出來的數(shù)據(jù)經(jīng)過人為處理作為數(shù)字模板。在進(jìn)行攝像頭識(shí)別的時(shí)候,與此時(shí)采集的圖像做比較來確認(rèn)數(shù)字。優(yōu)點(diǎn):識(shí)別精度高;缺點(diǎn):時(shí)間較久。

      定位輔助:由于OV7670焦距視野的特點(diǎn),照射范圍有限制,照射長度也需要控制在一定范圍內(nèi)為宜,所以加入了紅外傳感器作為定位輔助,以提高性能。

      5 特色點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)

      5.1 外型結(jié)構(gòu)自主設(shè)計(jì)制作

      設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用底座為玻纖板,人型支架為塑料的材質(zhì),這有利于后期的打孔,并節(jié)約材料、廢物利用,重要的是,塑料材料質(zhì)量輕,壓低重心。外形結(jié)構(gòu)具有以下幾個(gè)特性:

      (1)穩(wěn)定性。機(jī)器人在過門檻,路障時(shí),特別是轉(zhuǎn)彎時(shí)需要注重其穩(wěn)定性,兼顧速度。

      (2)堅(jiān)固性。具有一定的堅(jiān)固性,盡量減少機(jī)器人受到撞擊時(shí)內(nèi)部電元器所受到的的傷害。

      (3)時(shí)速性。由于車身高度大,重心較高,偏前,需要保持一個(gè)較為穩(wěn)定的加速度。

      5.2 紅外避障系統(tǒng)和循跡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

      5.2.1 紅外避障系統(tǒng)

      循跡紅外上電復(fù)位后,首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化。避障紅外分別設(shè)置在前端,中部(以一定角度向右傾斜),后端。復(fù)位后,避障程序不斷循環(huán)運(yùn)行,當(dāng)前端朝下的紅外檢測到障礙時(shí),前舵機(jī)會(huì)相應(yīng)的放下,將機(jī)器人抬高,以通過門檻。當(dāng)向后倒退時(shí),有后端紅外來感應(yīng),行動(dòng)方式亦然。

      根據(jù)應(yīng)用環(huán)境可能遇到的路障,因此需要通過紅外感應(yīng)路障,并選擇順暢的路徑完成任務(wù)。當(dāng)避障紅外感應(yīng)到路障時(shí),反饋回主控臺(tái),通過程序的設(shè)定,選擇相應(yīng)的路徑。(以分支口有三條路徑為例。)如圖3所示。

      5.2.2 紅外循跡系統(tǒng)

      循跡紅外上電復(fù)位后,首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化。復(fù)位后,循跡程序不斷循環(huán)運(yùn)行,循跡紅外不斷感應(yīng)場地的路線,將場地的路線反饋回主控板,主控板根據(jù)相應(yīng)的情況,按照程序設(shè)定,使機(jī)器人完成相應(yīng)動(dòng)作,改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,以使機(jī)器人能夠按照?qǐng)龅芈肪€運(yùn)行而不偏出。

      機(jī)器人中間另設(shè)有兩個(gè)紅外,其功能可用來輔助循跡紅外,通過記錄紅外感應(yīng)的次數(shù),使其在十字路口等多分支路口轉(zhuǎn)向是起到準(zhǔn)確轉(zhuǎn)彎,準(zhǔn)確選擇設(shè)計(jì)路線等功能。

      機(jī)器人活動(dòng)部位是靠舵機(jī)驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)遇到門檻時(shí),前底盤舵機(jī)驅(qū)動(dòng)杠桿將前機(jī)身抬起,后輪驅(qū)動(dòng)前行,使得機(jī)器人順利通過門檻障礙。當(dāng)機(jī)器人向后時(shí),后底盤舵機(jī)發(fā)揮作用。當(dāng)?shù)竭_(dá)每一個(gè)目標(biāo)的時(shí)候,頂部的兩個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的手作前后擺動(dòng),小電機(jī)帶動(dòng)乒乓球自制的機(jī)器人腦袋做左右90度旋轉(zhuǎn)。人形的設(shè)計(jì)使機(jī)器人的自由度可以通過不同的程序使其配合輪子進(jìn)行不同程度的動(dòng)作展示。

      5.3 選擇最優(yōu)路徑

      本研究設(shè)計(jì)的機(jī)器人適合各地形,通過測試每段路程的時(shí)間,綜合考慮時(shí)間與分?jǐn)?shù),盡可能用有限的時(shí)間得到最高的分?jǐn)?shù)。

      5.4 程序的調(diào)試與運(yùn)行

      程序的調(diào)試運(yùn)行是機(jī)器人能夠?qū)嶋H穩(wěn)定運(yùn)行必不可少的。需要考慮的因素:

      (1)地面的摩擦。由于地面的粗糙程度和機(jī)器人重量會(huì)使機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎發(fā)生一定的偏差。

      (2)重心。機(jī)器人由于人形部分導(dǎo)致機(jī)器人的中心改變,在上坡、轉(zhuǎn)彎、過門檻的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

      (3)速度。機(jī)器人需要追求速度,但要考慮到高速后轉(zhuǎn)彎的準(zhǔn)確度會(huì)受影響,速度產(chǎn)生的慣性也會(huì)時(shí)機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)不穩(wěn)定。

      (4)其他因素。在調(diào)試的時(shí)候會(huì)發(fā)生一些意想不到的因素導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)行不穩(wěn)定。

      根據(jù)影響條件,結(jié)合實(shí)際運(yùn)行狀況調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)。其中制定一些備案方案。比如:過彎可結(jié)合中間紅外的計(jì)數(shù)或者利用機(jī)器人的慣性或通過循跡紅外時(shí)時(shí)糾正等。

      6 結(jié)語

      本設(shè)計(jì)研究的基于旅游尋寶應(yīng)用環(huán)境下的智能機(jī)器人,能夠較好地對(duì)該環(huán)境下的景點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別,具有較好的應(yīng)變能力和對(duì)抗能力,給探測等應(yīng)用背景提供有利的技術(shù)基礎(chǔ)。

      參考文獻(xiàn)

      [1]金周英.關(guān)于我國智能機(jī)器人發(fā)展的幾點(diǎn)思考[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2001,(4):5-7.

      [2]張偉.環(huán)境智能化與機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2008,3:13-16.

      [3]杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

      [4]譚浩強(qiáng).C語言程序設(shè)計(jì)(第3版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2014.

      [5]Paolo Cornelli,Paolo Ferragina,Mario Notturno Granieri,F(xiàn)lavio Stabile.Optical recognition of motor vehicle license plates[C].IEEE Transactions on Vehicular Technology,1995,44(4):790-799.

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