基本信息
- 项目名称：
- 新型智能资源探测机器人
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品以ARM先进的Cortex-M3系列处理器STM32F103VCT6为控制核心,并结合无线射频技术以及图像处理技术来自动或无线远程遥控控制新型智能资源探测机器人完成自动寻线，定点取、放物，物体颜色判断。充分利用了处理器内部资源（多路高速高精度AD、多路PWM控制器以及定时和外中断），灵活控制机器人运行于地下勘探、高辐射等恶劣环境里进行样本采集等工作。
- 详细介绍：
- 1 方案概述 1.1课题来源 现在地球已探明资源越来越少，现在地球资源的勘探越来越受人们的青睐，现在资源的勘测都是在人工可以到达的地方，在一些人们不能到达的地方人们都是利用卫星进行进行拍照，然后在根据这些照片进行分析。可是这样得到的结果并不全面，并且经常会出现错探的情况，还有一些地方卫星实拍不到图片的，譬如山洞里。还有如果一些地方放射性物质比较多，只是拍照是不能探测放射物质的剂量。基于此我们开发研制了这一款新型资源探测机器人—越野猎手。他能在无人操纵的情况下对特定地域进行样本采集，并对这一区域地貌情况进行提取。这样给分析这一地域的资源或者放射性物质的估测提供了有利的资料和凭据。 1.2功能描述 ★自动寻找黑线 ★自动寻找并拾取物体 ★颜色识别 ★远程无线遥控 ★舵机过载监测保护系统（能很好判断物体大概尺寸，不至于将物体夹坏） 1.3 应用领域 1.利用本作品的颜色识别功能，可以将其用到液晶生产时坏点的检测。 2.去掉摄像头，可以将其改造一个高级玩具，由于其创作新颖、趣味性强、操作简单、控制方便，其市场前景会更好。 3.根据摄像头拍照分析和机械臂控制的功能，可以将其运用到土壤、矿石等的采集。 4.还能改造成自动运输车，按固定路线运输货物。 由此可见越野猎手有着广阔的应用性和推广性，所以它的市场投入能够产生很好的经济和社会效益。 2 系统工作原理 2.1系统总工作框图 主控板以STM32F103VCT6为控制核心，系统复位运行后，摄像头每隔50ms采集一幅图像信息并以QCIF大小RGB565格式输出数据存放于FIFO中，MCU读取数据经算法处理判断路况自动控制小车运行，当到达目的地时小车会停车对环境进行拍照并存储，根据摄像头拍摄的图片，颜色分析识别，凭借PSD传感器对位置距离的精确确定，控制机械臂提取有用物质，然后通过无线控制小车将采集物带回。系统总工作框图见图2.1所示。 图2.1 系统总工作框图 2.2 摄像头的工作原理及优势 摄像头的工作原理（见图2.2）：景物通过镜头(LENS)生成的光学图像投射到图像传感器表面上，图像传感器(SENSOR)是一种半导体芯片，其表面包含有几十万到几百万的光电二极管。光电二极管受到光照射时，就会产生电荷，然后转为电信号，经过A/D(模数转换)转换后变为数字图像信号，再送到数字信号处理芯片(DSP)中加工处理，再通过并行接口传输到MCU中处理，通过显示器将图像显示。此图像传感器应用独有的传感器技术，通过减少或消除光学或电子缺陷如固定图案噪声、托尾、浮散等，提高图像质量，得到清晰的稳定的彩色图像。 图2.2 摄像头的工作原理框图 3 硬件设计 3.1电机驱动模块设计 此模块在系统中主要是起到驱动小车上的四驱，完成小车的调速、转弯、前进和后退等功能，电路中我们采用L6207驱动芯片，L6207是专门驱动电机的大功率驱动芯片，它综合了分立和CMOS功率晶体管电路的功能，最大输入电压50V，最大电流3A，可以提供足够的驱动力，并且每个芯片都具有两路输出，每一路我们都可以基于简单的PWM信号调速，我们使用了两片芯片完成了各种基本功能。直流电机我们采用日本Namik空心杯减速电机22CL-3501，减速比为80:1，力矩为13Kg，调速范围广，且易于平滑调节，调速时能量损耗少，过载、启动制动转矩大，易于控制，控制可靠性高，能够满足我们“越野”某些陡峭的 地形。L6207电机驱动模块电路图见图3.1所示。 图3.1 L6207电机驱动模块电路图 3.2机械臂控制模块 机械臂模块是我们系统中比较重要的模块，它负责抓取物体、完成机械操作等功能，我们采用串联式机械臂，它由基座、腰部（或肩部）、大臂、小臂、腕部和手部构成，具有结构简单、自重负荷比小、承载能力强和工艺性好等优点。装在运动臂上驱动电机我们采用13Kg的舵机MG995，根据位置伺服机的特点，接收一定的控制信号，输出一定的角度，我们采用五路PWM信号控制舵机转动，这样我们就可以实现灵活的控制，简单方便，成本低廉。其舵机输出转角和输入信号脉冲宽度的关系如图3.2所示。 图3.2 舵机输出转角和输入信号脉冲宽度的关系 3.3机械臂是否捡到物体检测 为了避免机械臂捡到物体后继续转动使舵机电流急剧增加而破坏电机，我们增加了检测舵机电流的功能（见图3.3），根据机械拿物体前后电流的不同来分析机械臂是否捡到物体，从而来保护舵机，简单而且容易控制。 图3.3 电流检测引出端口 3.4图像处理 本作品采用8位的CMOS彩色图像传感器，其体积小、工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。通过 SCCB总线控制，可以输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率 8位影响数据。VGA图像最高达到30帧/秒。可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式。所有图像处理功能过程包括伽玛曲线、白平衡、饱和度、色度等都可以通过 SCCB接口编程，控制极其方便。并且彩色图像传感器拥有用独有的传感器技术，通过减少或消除光学或电子缺陷如固定图案噪声、托尾、浮散等，提高图像质量，得到清晰的稳定的彩色图像。8位的并行数据输出口，也增强了应用性。 图3.4 OV7670硬件电路图 3.5 PSD测距 小车上使用的距离测量传感器是利用光传感器的距离测量，传感器使用Sharp公司的型号为GP2D12的内置LED(红外发光二极管)和PSD 检测器(Position Sensitive Detector)的模块，通过改变输出直流电压输出传感器前面放置物体的距离。 此传感器分为IR发光部和收光部，发光部。 发光部中发射到物体上的红外线发射的时候，通过收光部的镜头接受从而测量到角度，利用三角测量法计算出距离。被使用的PSD传感器测量的距离可测量的范围为10cm到80cm。 PSD（Position Sensitive Detector，位置灵敏探测器）是光敏半导体元件，具有与端口二极管相似的结构。从外部接收聚焦光束后，PSD传感器的输出电流与光接收点位置保持函数关系。由于用PSD不能单独构成测距传感器，因此要利用PSD的最大特性——位置传感特性 和三角测量法，才可以构成测距传感器。 图3.5 PSD测距模块原理示意图 3.6 无线通信模块 我们运用无线数据传输主要是完成手动遥控功能，通过无线模块发送命令控制机械臂取物品和小车的运行。我们采用NewMsg_RF2401B 2.4Ghz射频模块，最高工作速率 1Mbps，抗干扰能力强，低功耗 1.9 - 3.6V 工作，待机模式下状态仅为 1uA，内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制，内置专门稳压电路，使用各种电源包括DC/DC 开关电源均有很好的通信效果，使我们的数据传输稳定、准确，防止了偶尔错误命令的误操作。无线通信模块电路示意图如图3.6所示。 图3.6 Nrf2401无线通信模块 3.7 光照补偿电路 为了增加本作品的适应性，我们增加了光照补偿功能。通过检测外界光亮的程度，来调节LED灯的开关。我们采用AMC7135集成芯片制作光照的驱动与控制电路，AMC7135是制作恒流源的专用集成芯片，其输出恒定电流达到350MA，能推动1W的高功率LED，达到稳定亮度、增加电池总输出功率的效果。其超低压差、低静态电流特性更延长了电池的操作时间。它无须任何外接组件，并具有输出短路／开路保护与内建过热保护装置。 图3.7 AMC7135驱动电路 3.8 摄像头数据缓冲电路 由于摄像头输出数据的速度比较高，VGA图像最高可以达到30帧/秒，为了弥补MCU采集速度的不足，我们增加了一个缓存芯片AL422。AL422是由AverLogic公司推出的视频帧存储器,存储容量为384k×8 Bits,存储结构为先进先出(FIFO),因而其接口非常简单，运用起来极其方便，而且弥补了我们采集的不足，使接收的信号更加稳定。 图3.8 AL422摄像头数据缓冲电路 4 软件设计 4.1主程序流程图 本系统系统采用C语言编程实现各项功能。C语言本身带有各种函数库，算术运算能力较强等功能。由于本系统处理的数据较多、较复杂，利用C语言的优势完全可以体现出来。 当系统上电初始化完后，首先是让小车前进并判断是选择自动控制还是运用无线手动控制模式。当是手动控制时，可以接受无线发来的命令进行控制小车的前进、后退、左转、右转以及机械臂完成一套人为动作等功能；当是自动控制时，小车会自动向前寻找黑线运行，待到达目的地后会停车通过机械臂采集物体进行颜色分析、辨别，进而控制机械臂对物体进行取舍。 图4.1 主程序流程图 4.2 图像处理算法 4.2.1 图像的处理 图像预处理的目的是改善图像质量, 在本系统中的目的是为单片机识别路径和物体颜色判定提供一幅更为清晰,更易判断的图像数据。首先我们对摄像头输出的320*240字节的数据进行隔行隔列提取，我们取40行3列，接着进行灰度转换和二值化处理，使数据转换成较简单0和1，减少数据处理的难度，然后进行图像数据滤波，把图像中干扰的像素点过滤出去，进而得到比较准确和简单的像素数据。根据这些数据进行中心线提取，然后对电机进行控制。 图4.2.1 图像处理流程 4.2.2灰度转换 本系统OV7670摄像头配置输出的数据格式是RGB565，是彩色的数据信号，但在路径识别这一块我们只需识别黑白二色即可，黑白色差对应的RGB值相差大利于判定，所以在路径识别前都要把数据进行灰度转换，具体转换方法为：灰度=R*0.3+G*0.59+B*0.11。 4.2.3二值化处理 通过实际硬件调试分析,发现原始图黑点像像素值很小,多数都远小于10000（每个像素点占2个字节0xFFFF=65535），而白色区域像素值一般在40000以上。为了提取出黑线, 检测像素值的跳变是最直观的方案, 但是实际中一般黑白线边沿的像素值不是突然跳变的, 而有一个过渡过程。所以, 将原始图像进行二值化处理不但有清晰边沿线的功能, 还能方便后续路径识别部分算法的设计与处理。 二值化处理就是对于输入图像的各个像素, 先确定某个亮度值, 当像素的亮度超过该阈值时, 则将对应输出图像的像素值设为 1 （即认为该点为白点）,否则为 0（该点为黑点）。 4.2.4滤波算法 由于像素点隔行隔列采集，所以滤波算法采用逐行扫描，即如果一个点的两侧都为黑点，则认为改点为黑点；若一个点的两侧都为白点，则认为该点位白点。 4.2.5黑线中心线提取 黑线中心提取方法为:先判断每行的第一个点是否为白点, 如是白点则依次白点进行计数 (设计数为 a ), 当遇到连续黑点时则计数黑点个数 (设计数为 b) ,再次遇到白点时则退出该行计数, 此时黑线中心所在列为 a+ b /2 ;如果第一个为黑点,且不是噪声点 (即为连续的黑点 ), 则直接对黑点计数 (设计数为 b),当遇到连续白点后则退出计数,这种情况下得到的黑线中心位于第 b /2列。 虽然在前面已经有去噪处理, 但是偶尔还是会有干扰, 这样提取出来的某些行黑线中心位置就发生了跳变。同时, 为了后续的控制模块得到准确的道路信息,需要对特殊行及跳变点进行插值处理, 即赋予其前后两行的平均值作为黑线中心值。但是考虑到会出现这样的复杂情况:连续两行出现跳变点或者特殊行的前后出现跳变点, 这时如果简单的按上面的方法进行插值, 会插入一个误差很大的中心点, 使道路产生弯点。于是,在这里需要对差值算法进行改进。改进算法考虑了连续两个中心点需要插值的情况, 先将当前点与前一个点比较, 计算其偏差值,如果偏差较大则为需要插值的点; 接下来计算前一个点与当前点之后一点的偏差, 后面一点如果是误差点, 则当前点赋值前一点的值,如果后面一点为正常点则当前点取其前 后两点的平均值。 图4.2.2 改进差值算法流程图
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 现在地球已探明资源越来越少，资源勘探越来越受人们的青睐，现今资源勘测大部分是利用卫星完成，但对其拍的照片进行分析，经常会出现错探的情况，还有一些地方卫星实拍不到图片的，譬如山洞里。还有如果一些地方放射性物质比较多，只是拍照是不能探测放射物质的剂量。基于此我们开发研制了这一款新型智能资源探测机器人—越野猎手。它能对特定地域进行样本和地貌的采集和提取。这样给分析这一地域的资源或者放射性物质的估测提供了基本的数据。【创新点】 1.舵机过载检测保护。 2.利用PSD避障模块完成精确的距离检测。 3.摄像头在机械臂上固定，可以360度进行资源勘探，这样探测的地形地貌更加以及矿产的面积的勘测更加准确。 4.摄像头参与机械的控制，处理器通过对摄像头采集的数据进行分析完成曲线分析、颜色识别、控制舵机的精确控制。 5.在任何极端的条件下，都可以通过无线方式远程控制小车的行动，进而进行样本的采集。 【技术关键】 图片的采集处理、存储、颜色辨别。 2. 舵机过载检测的时机。 3.通过图片判断物体位置和形状，并控制机械臂准确的捡取物体。 4.无线传输数据供控制台处理分析。 【主要技术参数】 功率 车速 探测范围 无线控制距离
科学性、先进性
- 【作品科学的先进性】 1.简易探测机器人的研制将增强国内同类技术的推广和应用。 2.利用摄像头作为本系统的“眼睛”，全方位探测地形地貌。 3.根据图像的分析物体的位置、颜色和形状 4.与现有的核检测机器人相比，它具有小巧方便，价格低廉。 5.本系统动力装置与越野车相似，有超强的动力，可以载3千克重物在崎岖道路上顺利行走。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 模型
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 在进行作业时，可以将其设在自动档，它会自动向目的地前进。路途中一直检测路面的光照，当光照低于设定值时他会自动打开前光灯，并根据现在光照的强度来改变前光灯的亮度，保证摄像头分析图像没有影响。当摄像头发现与周围颜色不一样的物体，结合测距装置判断小车与其前面物体的距离，然后通过机械臂将其收集到车的收集箱里，并对通过摄像头多方位收集这一区域的地貌。多次采集后会返回到出发点。 当选择手动挡，可以通过无线控制小车行走的路线，采集样本的地点。如果在比较荒芜的野外，可以利用GPS定位接收器进行远程遥控。 1.利用本作品的颜色识别功能，可以将其用到液晶生产时坏点的检测。 2.去掉摄像头，可以将其改造一个高级玩具，由于其创作新颖、趣味性强、操作简单、控制方便。 3.根据摄像头拍照分析和机械臂控制的功能，可以将其运用到土壤、矿石等的采集。 4.还能改造成自动运输车，按固定路线运输货物。
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