超声波测距在机器人视觉辅助系统中的应用设计.docx
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超声波测距在机器人视觉辅助系统中的应用设计
摘要
人类感知到外界的信息70%以上是通过视觉获得的,视觉功能给人类的正常工作和生活带来了必要保障。
随着科学技术的发展和对机器人越来越高的要求,人们提出了机器人视觉的研究。
机器人视觉系统是指用来实现人的视觉功能,也就是用计算机来实现机器人对客观的三维世界的识别。
在某些结构化环境中,利用单摄像头和距离传感器的结合就可完全获得环境的深度信息。
超声波传感器以其硬件容易实现、价格低廉等优点,被广泛作为测距传感器。
超声波测距作为辅助视觉系统与其他视觉传感器配合使用,可实现整个的视觉功能,因此研究利用超声波测距来辅助移动机器人实现完整的视觉功能是很有意义的。
本文阐述了机器人视觉系统的构造,介绍了超声波测距的的基本原理,并对超声波测距系统进行了软硬件设计。
本设计中的超声波测距是基于单片机STC89C52构成的,设计中采用了温度补偿电路以提高系统的测量精度。
整体设计简单,可靠。
关键词:
机器人视觉;超声波测距;单片机
Abstract
Humanperceptionofinformationtotheoutsideworldismorethan70%throughthevisualget,visualfunctiontothehumannormalworkandlifewiththenecessarysecurity.Withthedevelopmentofscienceandtechnologyandtotherequirementsoftherobotismoreandmorehigh,peopleputforwardtherobotvision.Robotvisionsystemisusedtorealizeman'svisiontofunction,alsoistousecomputertorealizetherobottoobjective3dworldofrecognition.
Insomestructuralenvironment,utilizingthesinglecameraandthecombinationofdistancesensorcanbefullyobtainedthedepthoftheenvironmentinformation.Ultrasonicsensorstoitshardware,easytoberealized,priceislowwaitforanadvantage,widelyasrange-findingsensors.Ultrasonicrangingasauxiliaryvisionsystemandothervisualsensortocooperatetouse,canachievethewholevisualfunction,sotheuseofultrasonicrangingtoassistmobilerobotrealizecompletevisualfunctionisverymeaningful.
Thisarticlesimplyintroducesthestructureoftherobotvisionsystem,thispaperexpoundsthebasicprincipleofultrasonicranging,andtheultrasonicrangingsystemhardwareandsoftwaredesign.ThedesignoftheultrasonicrangingisbasedonsinglechipmicrocomputerSTC89C52structure,designwiththetemperaturecompensationcircuitinordertoimprovetheaccuracyofthesystem.Theoveralldesignsimple,reliable.
Keywords:
robotvision;ultrasonicranging;single-chipmicrocomputer
目录
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1研究背景1
1.2机器人视觉系统介绍1
1.3视觉系统设计方案简介3
2超声波距系统设计4
2.1超声波测距原理4
2.2超声波测距系统总体设计方案4
3超声波测距系统硬件设计6
3.1超声波发射电路6
3.2接收电路7
3.3温度补偿电路8
3.4显示电路9
3.5电源部分11
4软件设计12
4.1系统软件设计12
4.2系统程序设计13
总结14
参考文献15
附录一:
设计总图16
附录二:
PCB图17
附录三:
系统程序18
致谢26
1绪论
1.1研究背景
移动机器人路径规划和自动避障导航技术是一个很具有挑战性的研究课题,近些年来引起了许多研究者的重视。
机器人导航技术中首要解决的是采用什么样的传感器系统对外界环境进行感知,从而能指导机器人的后续动作。
机器人导航方式中常见有电磁导航、光反射导航、视觉导航、超声导航等。
其中,电磁导航也被称为地下埋线导航,是20世纪50年代美国开发的,并在短短的世界内得到迅速发展从而广泛应用于柔性生产。
其原理是在在路径中连续埋设多条引导电缆,分别流过不同频率的电流,通过感应线圈对电流的进行检测来感知路径信息。
此技术简单实用,但其成本高,改造和维护困难。
光反射导航是在路径上连续铺设光反射条,是一种方式简单、价格低廉的导航系统。
此两种系统的技术虽已成熟,但其的应用范围还是比较狭窄的,并不适用于在变换、动态的工作环境中的机器人导航。
视觉导航具有信号探测范围广、获取信息完整等优点,是未来移动机器人导航的一个主要发展方向。
在视觉导系统中,国内外应用最多的是在移动机器人上安装车载摄像机的基于局部视觉的导航方式,就是将所有的传感器和计算设备装载在机器人机体上,路径规划和图像识别等高层决策都由车载计算机来完成,因而存在着比较明显的延迟问题。
且视觉导航中的图像处理计算量大,实时性误差大,为提高导航系统的实时性和导航精度,仍需研究更合理的处理方法。
当目标物不在视野之内或者光线不明朗时,视觉导航方式将失败。
超声测距是基于超声波在介质中的传播特性实现的非接触式距离测量,超声波传感器不会受环境光线的影响,能在黑暗中工作。
且由于超声波传感器构成的系统具有体积小、结构简单、性价比高等优点,因此,在机器人领域里超声波传感器已被广泛应用于定位、形体辨识、障碍检测等方面,并取得了良好的应用效果。
1.2机器人视觉系统介绍
人们感知来自客观世界的信息70%以上是由眼睛得来的,因此视觉信息成为了当前信息研究的中心之一。
具有视觉的机器人属于智能机器人的一种。
与人的视觉组织一样,机器人视觉系统的研究在机器人技术与应用中占有十分重要的地位,对机器人的智能化起着决定性的作用。
机器人视觉系统是指用来实现人的视觉功能,也就是用计算机来实现机器人对客观的三维世界识别。
按现在的理解,人类视觉系统的感受部分是视网膜,它是一个三维采样系统。
三维物体的可见部分投影到视网膜上,人们按照投影到视网膜上的二维的像来对物体进行三维理解。
所谓三维理解是指对被观察对象的形状、尺寸、离开观察点的距离、质地和运动特征等的理解。
机器视觉系统所要做的是将二维投影图像转变到三维客观世界,由二维的投影图像重建三维的客观世界。
随着图像处理、电子计算机科学、模式识别技术与理论的迅速发展,机器视觉的实际应用与研究日益得到重视,并不断地在许多领域得到了骄人的发展。
如为探索火星研制的探索漫步机器人Ambler,游泳运动员训练系统,战釜式巡航导弹和自动空间操作器等。
机器视觉系统根据其发展可分为三代。
第一代机器视觉的功能是按规定的流程对图像进行相应的处理并输出结果。
这种系统一般是由普通的数字电路搭构成的,也可用高速图像处理芯片构成。
其工作原理是:
将图像输入系统,并将其与在图像存储器中的标准进行比较、运算,当差值图像在一定的范围内就认为合适。
这种系统对图像的输入较高,通用性不强,但实时性好,速度快,综合考虑下有较高的性价比,主要应用于平板材料的缺陷检测,食品,药物的缺陷检测等。
第二代机器视觉系统一般组成为:
计算机,图像输入设备和结果输出硬件。
视觉信息在机内以串行方式流动,机内设有多种软件供选择,有一定的学习能力以适应各种情况,这种系统构造简单,应用性较好,也可通过硬化公用软件加快处理速度。
第三代机器视觉系统则是当前国际上正在研究的系统,其目标是:
采用高速图像处理芯片,并行的算法来实现高度的智能和普遍的适用性,及能够模拟人的高层视觉功能。
与人的视觉类似,机器视觉的研究也分为高低层两大分支,低层视觉主要研究图像的获取,预处理和低级特征抽取形成本征图像。
而高层视觉则包括对图像的符号描述,组合物体的识别,场景的识别,事件判断及利用先验知识对景物进行推理判断并作出决定。
相对于高层视觉的研究,低层视觉的较为成熟,且现在已有些比较理想的系统投入实用中了。
机器视觉系统已由对人的低层视觉功能的模拟进行到了对高层视觉功能的模拟。
目前国内外视觉系统的发展趋势主要体现在一下几个方面:
(1)速度和精度的提高,趋于用硬件模块来完成一些基本图像处理和计算功能;
(2)视觉系统已逐渐成实验走向应用;
(3)视觉系统的应用从工业的检测、焊接走向了更为广泛的领域。
1.3视觉系统设计方案简介
尽管摄像机获得的信息要比超声波传感器获得的信息丰富,但由于图像处理和识别耗时较长,且当在有透明的物体或是有烟雾的环境等情况时,摄像机的性能将会受到极大的影响,不能发挥正常作用,甚至于失效。
超声波传感器不会受到反光、烟雾、阴影、光线、灰尘等诸多因素的限制,但超声波传感器的波速角比较大,只能获得目标物的距离信息,而无法得到目标物准确的方位信息。
因此,根据超声波传感器和摄像机的特点,将这两类传感器结合使用,实际上在某些结构化环境中,用单摄像头与距离传感器相结合就可获得环境的深度信息。
超声波测距作为辅助视觉系统与视觉传感器配合使用,如与CCD图像传感器结合使用,可实现整个视觉功能。
CCD是ChargeCoupledDevice(电荷藕合器件)的缩写,被广泛应用于图像传感和非接触测量领域。
CCD的工作方式和人眼很相似。
人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞,分工合作组成视觉感应。
而CCD使用一种高感光度的半导体材料制成,能把光线转变成电荷,通过模数转换器芯片转换成数字信号。
一个CCD传感器由许多感光单位组成,通常以百万像素为单位。
当CCD表面受到光线照射时,每个感光单位会将电荷反映在组件上,所有的感光单位所产生的信号加在一起,就构成了一幅完整的画面。
CCD广泛应用于数位摄影、天文学,尤其是光学遥测技术等方面。
利用CCD摄像机获取目标物的二维图像信息,使用超声波传感器探取目标物的距离信息,利用二者之间的互补性获得目标物信息的完整描述。
如此只需对图像进行简单处理,而不用进行复杂而又耗时的图像处理工作就可将机器人的视觉功能实现。
这样既减少了计算量,又具有较好的实时性。
其组构系统框图如图1-1所示。
图1-1视觉系统框图
2超声波距系统设计
2.1超声波测距原理
超声波传感器分为电气方式和机械方式两类,实际上它是一种换能器,在发射端它把机械能或电能转化成声能,接收端则反之。
本设计中的超声波传感器采用的是电气方式中的压电式超声波转换器,它是利用压电晶体的谐振来工作的。
它有一个共振板和压电晶片,当它的两极外加脉冲信号时,其频率等于压电晶片的固有震荡频率,压电晶片将会产生共振,并带动共振振动,产生超声波。
反之,当两极间没有外加电压时,若共振板接收到超声波,则将压迫压电晶片作振动,使机械能转换为电信号,就成为了超声波接收器。
在超声波电路中,发射端输出的是一系列的脉冲方波,脉冲宽度越大,输出的个数就越多,能量就越大,所能测的距离也就越远。
超声波测距的方法有很多种:
例如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。
相位检测法精度高,但其检测范围有限。
声波幅值检测法易受反射波的影响。
本设计采用的是往返时间检测法测距。
其原理是利用超声波传感器发射出一定频率的超声波,借由空气媒介传播,到达测量目标或障碍物后反射回来,经反射后再由超声波接收器接收脉冲,其所经历的时间即往返时间,往返时间与超声波传播的路程的远近有关。
测试传输时间即可得出所测物体的距离,所测距离按以下公式2-1计算:
D=v×t/2(公式2-1)
其中D为所测距离,v为超声波传播速度,t为往返时间。
2.2超声波测距系统总体设计方案
超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受,根据超声波传播的时间来计算出传播距离。
本设计采用单片机STC89C52为主控制,包括超声波发射、超声波信号的回收、显示、电源电路等硬件部分和相关的软件部分。
由于超声波的传播速度会受到温度的影响,因此为了提高测量精度,减小测量误差,加有温度补偿电路对超声波的传播速度进行校正。
表2-1列出了几种不同温度下的声速。
表2-1超声波在几种温度下的传播速度
温度(℃)
-30
-20
-10
0
10
20
30
100
声速(m/s)
313
319
325
323
338
344
349
386
超声波测距系统框图如图2-2所示:
图2-2超声波测距系统设计框图
3超声波测距系统硬件设计
硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路、超声波检测接收电路和温度补偿电路部分。
单片机采用STC89C52。
采用12MHz高精度的晶振,以获得较稳定时钟频率,减小测量误差。
单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号,利用外中断0口来监测超声波接收电路输出的返回信号。
显示电路采用简单实用的3位共阴LED数码管,采用MAX7219驱动数码管。
3.1超声波发射电路
超声波发射部分采用共振频率为40KHZ的超声波和反相器74LS04构成。
74LS04内部是由六个反相器构成,工作电压为5V。
40KHZ的方波信号由单片机产生输出,经STC89C52的P1.0口输出到超声波传感器。
为提高超声波的发射强度,电路采用推挽式的接法。
由单片机产生的方波信号一路接至超声波传感器的一个电极,另一路经过两级放大后送至超声波传感器的另一电极。
两上拉电阻R6和R7用于提高74LS04的输出高电平的驱动能力,同时也可达到增加超声波传感器的阻尼效果,缩短自由震荡时间。
发射电路如图3-1所示:
图3-1超声波发射电路
3.2接收电路
本设计的超声波接收部分采用的是CX20106A构成的电路。
CX20106A是一款红外线/超声波接收专用芯片,它是由前置放大、峰值检波、整形、自动偏压控制及放大电路构成。
其中前置放大电路可以确保在超声波传感器接收到较远的反射信号输出微弱电压时,放大器能够有较高的增益,而在近距离传输信号时放大器不会过载;其带通滤波器不需外接电感,就能避免外磁场对电路的干扰,具有很高的可靠性。
同时,由实践证明CX20106A作为超声检测电路中是具有很高的灵敏度和抗干扰能力的。
超声波接收电路如图3-2所示
CX20106A的各引脚诠释如下:
①脚:
超声波信号输入端;
②脚:
前置放大器频率与增益设定;
③脚:
检波端,接检波电容;
④脚:
接地端;
⑤脚:
带通滤波调整段,接一电阻至电源端VCC,用以设置带通滤波器的中心频率;
⑥脚:
外接积分电容;
⑦脚:
信号输出端,因该引脚是集电极开路的输出方式,所以须在该引脚上接一上拉电阻到电源端;
⑧脚:
接电源正极,4.5V-5V。
图3-2超声波接收电路
3.3温度补偿电路
温度补偿电路是为了修正超声波的传播声速,以减小测量误差。
本设计中的温度补偿部分采用的是DS18B20温度传感器。
DS18B20温度传感器具有测温简单、连接方便、占用口线少等优点;其接电源方式有两种:
寄生电源接式和外部电源方式。
在寄生电源供电方式下,DS18B20从单线信号线上汲取能量,在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里,在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作,直到高电平再次到来给寄生电源充电。
独特的寄生电源方式有三个好处:
(1)进行远距离测温时本设计中采更具有稳定可靠,无需本地电源;
(2)可以在没有常规电源的条件下读取ROM;
(3)电路更加简洁,仅用一根I/O口实现测温;
要使DS18B20进行精确的温度转换,I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量。
因此,图3-3电路不适宜采用电池供电系统,并且必须保证工作电源在5V,当电源电压下降时,寄生电源能够汲取的能量会降低,会造成无法转换温度或温度误差极大。
图3-3DS18B20寄生电源供电方式
图3-4所示的是DS18B20在外部电源供电方式下的连接。
其工作电源由VDD引脚接入,此时I/O线不需强上拉,不存在电源电流不足的问题,可以保证转换精度,同时在总线上理论可接挂任意多个DS18B20传感器,组成多点测温系统。
图3-4DS18B20外部电源供电方式
外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式,工作稳定可靠,抗干扰能力强,且电路也简单。
因此本设计中温度补偿电路采用DS18B20外接电源方式。
3.4显示电路
本文设计中的显示电路采用的是一块MAX7219芯片驱动3位共阴数码管。
MAX7219是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器,可用于工业控制器和仪表板得条形图显示,7段数字LED显示或LED模型显示。
MAX7219片内包含有一个B型BCD编码器、多路扫描回路,段字驱动器与一个8*8的静态RAM。
MAX7219主要性能特点有:
(1)接口简单,占有CPU的I/O口线少,对外接口只有3根I/O口线;
(2)各个寄存器可以单独被寻址和更新;(3)允许用户对每个显示位选择BCD译码方式或是非译码方式;(4)具有150µA的低功耗停机方式;(5)可以模拟和数据控制显示亮度;(6)可进行级连,最多可级连8片MAX7219,驱动64个数码管。
MAX7219引脚结构和功能如下:
图3-5MAX7219引脚结构图
1)DIN:
串行数据输入端,在CLK的上升沿,数据被加载到内部16位移位寄存器中;
2)CLK:
时钟输入,最高频率为10MHZ。
在CLK上升沿,数据被移入到内部移位寄存器中。
在时钟的下降沿,数据从DOUT端输出;
3)LOAD:
数据装载信号输入端,在LOAD的上升沿,串行输入数据的最后16位被锁存;
4)DIG0-DIG7:
LED位线;
5)SEGA-SEGG,SEGDP:
段码输出端;
6)ISET:
硬件亮度调节端;
7)DOUT:
串行数据输出端;
8)VCC:
电源电压;
9)GND:
接地。
单片机将16位的串行二进制数逐位送入DIN端,在CLK上升沿到达时,每一位数据随着上升沿移入MAX7219内的移位寄存器,当16位数据移送完后,在LOAD引脚信号的上升沿装入到MAX7219内的相应位置,随着MAX7219中的内部硬件动态扫描显示的控制电路实现动态显示。
显示部分电路图如图3-6所示:
图3-6显示电路
3.5电源部分
220V市电经变压器降压,桥式整流后,再经由滤波电容C4滤除高频干扰和电容C6滤除掉高频杂波后送入稳压芯片7805的输入端,7805的输出端输出稳定电压。
电容C7和C5将稳压片输出的电压进行进一步的干扰滤除,得到稳定的5V电压,给电路工作供给。
在电路的尾部接一个发光二极管提供指示,电阻R1起限流作用。
电路图如图3-7所示。
图3-7电源电路
4软件设计
4.1系统软件设计
硬件是设计的基础,软件是设计的灵魂。
硬件设计是要通过软件实现。
软件是整个控制系统设计的核心,它具有充分的灵活性,可以根据系统不同的要求而进行改变。
在某些特定的硬件结构下,改变软件能够实现一些不同的功能。
单片机所具有的智能功能要由软件来完成。
单片机常用的编程语言有两种,汇编语言和C语言。
C语言是一种源于编写UNIX操作系统的语言,它是一种结构化语言,可产生压缩代码,可以进行许多机器级函数控制而不用汇编语言。
与汇编相比,它的优点体现在:
单片机的指令系统不要求了解,仅要求对51的存储器结构有初步了解,寄存器分配、不同存储器的寻址及数据类型等细节可由编译器管理。
程序有规范的结构,可分为不同的函数。
这种方式可使程序结构化将可变的选择与特殊操作组合在一起的能力,改善了程序的可读性编程及程序调试时间显著缩短,从而提高效率。
提供的库包含许多标准子程序,具有较强的数据处理能力。
将己编好程序可以容易的植入新程序,因为它具有方便的模块化编程技术。
C语言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持,C语言程序本身并不依赖于机器硬件系统,基本上不做修改就可根据单片机的不同较快地移植过来。
在本系统中,单片机大部分工作都是处理数据,如数据通信编码、解码和纠错等,需要做大量的计算,如果利用汇编编程将会极其繁琐,因此从便于功能实现和程序模块化方面的考虑,在本系统设计中采用C语言编程。
在本系统当中,所有软件根据功能模块来分别编写和调试。
所有模块调试成功以后,将各个模块连接构成软件系统。
这样的设计有利于程序代码的优化,而且便于设计、调试和维护。
4.2系统程序设计
系统的软件部分包括主程序、超声波发射程序、超声波接中断程序、显示程序、补偿程序及距离计算程序构成。
当系统通电后,先对各I/O口和T0等进行初始化,P1.0开始发射超声波信号,同时启动触发器,使其翻转,T0计数器开始计数。
当收到回波信号时,INT0发出请求中断,计数器T0停止计数。
单片机读取T0记数值并送到RAM存储,同时读取温度传感器的温度值。
若没有收到回波信号,则T0溢出,显示错误。
系统程序流程图如下:
N
Y
图4-1系统程序流程图
总结
本文提出了一种以视觉传感器和超声波测距相融合的机器人视觉系统的设计方案。
超声波测距作为一种有源非接触性测距技术,且具有成本低廉,采集信息速率快,距离分辨率高,质量轻、体积小、易于装卸等优点。
同时超声波传感器不易受到如天气条件、环境光照及障碍物阴影、表面粗糙度、裂缝等外界环境条件的影响。
因此,超声波测距在机器人视觉系统的应用中具有很大的优势。
本设计重点介绍了超声波测距系统作为距离传感器在移动机器人视觉系统中的硬件设计和软件设计。
设计采用单片机STC89C52控制超声波的收发;同时采用了DS18B20构成的温度补偿电路,以修正会受温度影响的传播速度;并用MAX7219芯片驱动数码管显示所测距离;电路经调试可实现超声波测距功能,测量范围为2cm-400cm,精度为3mm。
超声测距是具有很好的可靠性和高
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- 超声波 测距 机器人 视觉 辅助 系统 中的 应用 设计