基于机器视觉的双足机器人寻迹系统设计论文

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　　摘 要：双足行走机器人的步态规划、步态交换稳定性控制和行走轨迹识别是其研究重点,机器人控制系统设计的合理性直接 决定机器人本体的最终行走性能。同时,合理设计双足机器人的运动机械结构,降低了运动控制难度。双足机器人寻迹系统的步行 运动,需要多个关节的协同控制,来保证重心的稳定性,这对双足机器人寻迹系统的硬件尺寸和关节质量有一定的限制。在特定场景 中对机器人的寻迹是一个复杂的系统,包括视觉采集、图像预处理、导航线提取、路径规划、机器人控制等算法。因此,本文讨论 了基于机器视觉的双足机器人寻迹系统的设计,并对系统设计进行了探讨和分析,以确定机器人各部分都能得到灵活处理。

　　【Abstract】：Gait planning, gait exchange stability control and walking track recognition are the key points of biped robot research. The rationality of robot control system design directly determines the final walking performance of the robot body. At the same time, the mechanical structure of biped robot is designed reasonably, which reduces the difficulty of motion control. The walking motion of the biped robot tracking system requires the cooperative control of multiple joints to ensure the stability of the center of gravity, which has certain restrictions on the hardware size and joint quality of the biped robot tracking system. Tracking a robot in a specific scene is a complex system, including vision acquisition, image preprocessing, navigation line extraction, path planning, robot control and other algorithms. Therefore, this article discusses the design of biped robot tracking system based on machine vision, and discussed and analyzed the system design to ensure that all parts ofthe robot can be flexibly handled.

　　【Key words】：machine vision;biped robot;system design

　　0 引言

　　双足机器人寻迹系统的机械结构设计首先考虑机器 人关节自由度的数量,完成规定的动作功能,然后应考 虑各部件与转向盘、接口、电池、控制板的连接尺寸设 计。双足机器人寻迹系统可以实现拟人步行动作,但需 要稳定的步行和灵活的运动。因此,双足机器人寻迹系 统关节自由度的选择、各部件结构的自由度分布等会影 响双足机器人寻迹系统的功能实现。为了实现腿部运动 和身体重心的移动,必须具备一个俯仰自由度和一个弯 曲自由度。向前和向后移动时,双脚必须顺畅地落下。 在选材方面,双足机器人寻迹系统选择铝合金 U 形件作为转向固定和连接件,底部用颗粒状软橡胶粘合,改 善机器人与地面的摩擦,防止打滑,并使用弹簧垫圈防 止松动,使机器人更加稳定。

　　1 机器人的发展

　　1959 年,由美国德沃尔和恩格尔伯格共同开发的 第一款工业机器人开始进入实用机器人技术发展的新时 代。随着技术的发展,越来越多的智能化和先进产品出 现在人们的日常生产和生活中。时至今日,人们通过控 制面板可以告知机器人所需的运动轨迹、停止位置、操 作内容,机器人根据给定的行为模式可以更灵活、更准 确地完成复杂的工作。随着人们需求的增加和技术的进步,机器将通过感知周围环境,做出相应的动态决策, 从而在一定程度上辅助人类的工作 [1]。

　　随着人工智能、自动控制等领域的开发, 机器人被 广泛应用于多种领域。机器人运动稳定、控制简单,可 以适用于简单的地形和平坦的路面行走。而更为复杂的 一些机器人可以适用于各种复杂的地形、障碍物跨越 等,进行路径识别和规划。近年来,随着机器人的设计 和应用不断增强,当设计一个目标(如路径规划和行动 执行)时,机器人可以从起始位置引导到期望位置,同 时进行速度和位置的控制,有效地完成各种任务,可应 用于住宅区、仓库等场所自动巡逻。

　　2 机器人视觉技术的概述

　　西方国家很早就投入了视觉移动机器人的研发,机器 人视觉技术是在电子技术和计算机技术的快速发展下诞生 的。20 世纪 60 年代,在斯坦福大学开发出了世界上第一 个具有视觉机制的机器人系统(如图 1 所示),进行定位 识别。20 世纪 70 年代,利用视觉传感器对目标或定位 的检测与识别的研究逐渐出现,并广泛应用于精密仪器 装配、集成电路生产等场合。20 世纪 80 年代末,相关 的图像处理硬件被用于机器人视觉设备,将视觉导航算 法用于自动化检测的研究。移动机器人的开发在中国起 步较晚,但也在飞速发展。随着工业化的发展,人们对 自动化程度、灵活性和速度的要求越来越高 [2]。对于移动 机器人来说,自动跟踪和导航是智能符号。结合感知视觉 信息和相关导航,机器人也可以成功完成任务。导航主要 通过卫星导航系统、超声波、激光、摄像机等传感器实现, 在未知的环境信息下,可以放置带有特殊标记的物体,实 现很简单,可独立分析和识别环境,选择场景中特殊的自 然特征,从而实现路径规划。而在已知环境信息的前提 下,对机器人路径和机器进行事先规划,机器人通过传 感器来感知自己的位置和周围环境,通过逐步生成的地 图实现自主定位和导航,根据导航算法判断所需路径。

　　3 系统方案设计

　　3.1 系统功能设定

　　系统功能设计主要完成 ：(1) 导航线提取和路径规 划。通过摄像机采集信息,在相关图像算法处理后提取作为机器人行走的指导方针。路径计划包括全局路径计 划和本地路径根修复正负两部分通过全局路径规划,使 机器人能在最短时间内准确通过全局区域机器人通过局 部路线修正后,不会脱离导航线。(2)通过机器人运动 控制,串行端口接收到图像处理部的控制命令后,使用 PID 算法控制电动机地运行,实现机器人的前、后、左、 右等功能。(3)远程监控。根据无线传输协议,机器人 拍摄的实时图像被远程显示在 PC 上以供操作人员监测。

　　3.2 图像采集与处理

　　3.2.1 显著性目标检测

　　在寻迹系统设计中,可以选择总线转向,减少单芯 片 IO 端口的使用,防止单芯片的在线和杂乱。同时机器 人的整体结构通过机械计算,可选择转向盘的扭矩参数, 单片机作为机器人整体运动的控制中心, 其程序已经模块 化,硬件相对简单,运行速度快,功耗低。图像预处理算 法主要用于对摄像机采集的信息进行初步判断和识别。显 著性检测是指系统可以自动感知并识别当前场景中具有 敏感信息的每个位置。该算法是通过模拟人脑神经系统 捕获和处理外部信息而生成的显著性目标感知的计算模 型。最经典的显著性模型主要思想是使用高斯金字塔来 减少输入图像的采样,然后在不同尺度之间提取不同特 征进行特征融合,以获得显著性图像,对后续的显著性 检测算法有着深远的影响,主要思想是减去输入图像的对 数振幅谱,并用平均值进行滤波,以获得显著性图。

　　3.2.2 边缘检测

　　首先,使用滤波器来增强边缘检测器消除噪声的能 力,在实际使用增强图像中每个点附近显著变化的过 程,而检测过程是找到所需的边缘点。其次,在实际应 用过程中,采用阈值法进行选择,通常用于噪声较多、 灰度逐渐变化的图像,可以准确定位边缘 ;否则容易造 成边缘信息的部分丢失,从而使检测到的边缘不连续。 当两个边缘连接时,输出图像将包含弱边缘,这是目前 最有效的边缘检测方法。

　　3.2.3 直线提取

　　作为一般的线检测方法, LSD 算法检测速度比 Hough 变换快,但在检测两条交叉线的情况下, LSD 算法在交 叉路口分割为四个段。另外,如果长段被部分模糊或部 分遮挡,则它们可能被分割成多个段,但 Hough 变换不 显示这些问题。在这样的设计中,考虑到 LSD 算法可 能使两条直线垂直交叉。因为它被分割成四条线段,所 以选择经典的 Hough 变换来提取边缘检测后的直线 [3]。 3.3 运动控制系统设计

　　3.3.1 硬件电路设计

　　双足机器人寻迹系统的具体功能是,通过一定的路径到达指定的位置,完成一定的动作后移动到下 一个目标位置。(1)主控制器的选择和设计。双足机 器人寻迹系统应同时控制 4 台电机, 有效接收串行数 据。因此,选择高性能 MCU 作为主芯片。该芯片集成 了 Cortex-M4 核心, 具有高达 11.25Mbit/s 的串行端口 通信接口。另外,微控制器动作状态下的电流消耗量为 260μA, 关闭状态下为 100μA。在设计中, 采用 Type-C 接口规格,该接口的数据传输速率最高可达 10Gbps,且 可插在两侧,更方便快捷。(2)驱动电路设计系统。直 流电动机在无负载状态下需要 200mA 的电流旋转,在 负载下需要 450mA 的电流,因此需要外部电动机驱动 模块。双足机器人寻迹系统设计选择了 L298N 电机驱 动模块,该模块具有四通道逻辑驱动电路,只需两块驱 动板就可以完成设计要求。(3)电源选择。双足机器人 寻迹系统设计的电动机所需的电源电压为 12V, STM32 主 电源需要 6 ~ 16V。 因此, 选择 4 个 3.7V18650 充 电电池串联连接后,形成电源电路,为电机驱动板和 STM32 的外部连接稳定电压。(4)程序调试。在双足 机器人寻迹系统设计中,通过将总线转向通信板与计算 机上位机连接,调试总线转向的角度、速度、步数,对 上位机传送每一组数据。同时,双足机器人寻迹系统的 调试过程包括抬起脚,调整过程中存在机器人行走抖 动、稳定性差等问题时,请注意机器人过高、重心偏 高、不平衡、行走不稳定或者步态设计不合理等问题, 在程序调试方面,要进行相应的动作协调。

　　3.3.2 软件控制设计

　　机器人运动控制使用红外线传感器检测路径(如 图 2 所示),并根据反馈检查路径,测量信号驱动电机 调速,实现跟踪功能。由于机器人需要通过一定的路径 到达指定的位置,其移动过程可分为数千步,每一步对 应于任务数据数组的数据。如果需要更改路径,只需更 改数组中的数据。将机器人的基本动作分为几个子模块, 在进行中根据任务数据调用功能。机器人可以在移动过程 中自动获取自然地标,从而更有效地进行自动跟踪和导 航。但是,由于在特征提取、边缘等方面需要大量的计 算,所以实时性存在一定的问题。因此,为了使机器人稳 定准确地到达指定位置,必须调整软件系统,控制速度。 在整个软件系统中,主程序执行任务阵列,当接收到从 图像处理单元发送的串行端口命令时,系统的主控制器 通过 PWM 控制电机驱动器,控制直流电机实现前进、 后退、转向等各种动作。在该系统中, PID 算法用于调 节 PWM 控制电机两端的电压,以控制电机速度。电机 转速的调整和寻道通过中断来实现,传感器必须定期取 样存储。这些都可以通过软件实现,通过编程控制电枢电压,向其输出端口输出 PWM 波,实现速度调整。

　　软件部分主要包括以下模块 ：电机 PID 调试、任务 阵列处理、延迟调用、服务中断、端口初始化、读写等。 然后,主芯片识别电压值,机器人可执行直行、左转、右 转等命令。在接通机器人软件控制主程序系统电源后,对 串行端口、计时器等进行初始化,等待上位图像处理单元 经由串行端口发送的命令, 在接收到命令后将标记比特分 配给相关值将其发送给电机控制子程序, 实现电机转速控 制,配合行驶、转向等运动,能够决定双足机器人的旋转 方向。(1)PID 算法的基本原理。PID 控制是工业控制 中最常见的控制模式,得到控制量来实现控制。即使整 个机器人向前、向后、向左或向右移动,可以基于不同 的标记比特来确定。打开相应的信道,并且可以控制输 出脉冲宽度。(2)命令传输和远程监控的一般数据传输 方式分为有线传输和无线传输。有线传输主要包括串行 通信、同轴线、有线载波等,无线传输模式主要包括蓝 牙、WiFi 等。机器人运动控制单元使用 STM32 嵌入式 开发板,由于这些开发板都封装在机器人设备中,因此 最简单的 RS232 串行端口用于它们之间的有线通信。在 机器人的操作过程中,随着作业的进行,位置会被调整。

　　4 结语

　　双足机器人寻迹系统采用控制转向器旋转角度的方法 控制步行,控制机器人的寻线和旋转。传感器收集的数据 多,能够实时准确地检测出位置。为了防止线损和偏差, 双足机器人寻迹系统设计了一种防止线损的算法, 在到达 地面的瞬间,脚踝的角度就会发生变化,巧妙地减缓冲 击力,使机器人找线更加稳定,让机器人顺畅快速行走。 在装配和调试过程中,为了防止机器人的腿长脚短,要 合理控制,并注意对称结构,以控制双足机器人的重心。

　　参考文献

　　[1] 刘述亮.双足直立行走机器人步态规划及其控制研究[D].成 都:电子科技大学,2017.
　　[2] 李艳生,孙汉旭.小型球形水底观测机器人设计分析与实现 [J].机械工程学报,2020(13):103-109.
　　[3] 黄人薇,洪洲.服务机器人关键技术与发展趋势研究[J].科技 与创新,2018(15):37-39.
 
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