摘 要

机器人的出现充分展现了人类的想象力和智慧。人们可以利用它来传送物品或者完成各种人类无法完成或不愿去完成的工作。随着人类社会的不断进步与发展，在各个领域都可以看到机器人的影子，并且渐渐地人类已经不再满足于外形简单和功能单一的机器人了。基于视觉路径识别的智能机器人因其能够将不同的信息进行融合和处理，快速、有效的适应环境的变化，已经成为了机器人领域的重点研究方向。

论文主要围绕视觉路径识别的移动机器人系统以freescale智能车竞赛中的C型车模作为该机器人的机械平台。首先，对机器人的机械结构进行调整与改进。然后，对机器人的硬件电路进行分析与设计，主要包括以下几个模块：CMOS图像传感器模块、核心微控制器模块、电机驱动模块、编码器测速模块、系统电源模块。此外为实现较好的人机交互，在硬件系统上加增UART串口、OLED显示屏、LED灯和蜂鸣器等模块，对智能机器人的实时状态进行显示。其次，分析和介绍了CMOS图像传感器的结构和工作方式。利用软件算法对采集的图像进行分析，提取出路径信息，并进行处理和优化。根据图像处理的结果，对电机转速和舵机打角实现PID闭环控制。

研究结果表明，本文的设计方法具有较好的实际应用能力和人机交互功能。该视觉路径识别系统可以实现机器人对路径信息的快速、准确识别，制定有效的控制策略，达到机器人稳定而迅速地通过指定路径的目标。

关键词：智能机器人；路径识别；图像采集；图像处理

Abstract

The emergence of the robot to fully demonstrate the human imagination and wisdom. That people can use it to transmit item or complete a variety of human can't do or don't want to go to work. With the development and progress of human society, in all fields can be seen the shadow of the robot, and gradually the human no longer content with simple shape and function of a single robot. Intelligent robot based on visual path recognition because of its ability to different information fusion and processing, rapid and effective to adapt to the changes in the environment, has become the key research direction in the field of robot.

Thesis mainly around the visual path recognition of mobile robot system with freescale type C of the smart car race car model as the robot's mechanical platform. First of all, to adjust the robot's mechanical structure and improvement. Then, the analysis and design for the hardware circuit of the robot, mainly includes the following several modules: CMOS image sensor module, the microkernel speed controller module, motor drive module, encoder module, system power supply module. In addition to achieve better human-computer interaction, UART serial ports on the hardware system increase, OLED display screen, LED lights and buzzer module, the real-time status of intelligent robot for display. Second, the analysis and the structure of CMOS image sensor is introduced and the way to work. Using software algorithm for acquisition of image analysis, to extract the path information, and processing and optimization. According to the result of image processing, the motor speed and steering Angle to realize the PID closed-loop control.

Research results show that the design method has better ability in practical application and function of human-computer interaction. The visual path recognition system can realize rapid and accurate identification of path information robots, make effective control strategy, achieve the robot stable and quickly by specifying the path of the target.

Key Words：Intelligent robot; path recognition; image acquisition; image processing

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 研究现状 1

1.3 本文研究目标与内容 2

第2章 机械平台的搭建和硬件电路系统的设计 3

2.1 机械平台的搭建 3

2.1.1 车轮定位 3

2.1.2 机器人重心调整 4

2.1.3 转向装置的安装 5

2.1.4 测速装置的安装 5

2.1.5 摄像头的安装 6

2.1.6 机械平台搭建整体效果图 7

2.2 硬件电路系统的设计 7

2.2.1 系统电源模块 8

2.2.2 微处理器控制模块 9

2.2.3 电机驱动电路 10

2.2.4 舵机转向和电机测速电路 11

2.2.5 摄像头模块 12

2.2.6 人机交互模块 13

2.2.7 PCB电路图的设计 15

第3章 视觉图像的采集与提取 16

3.1 CMOS摄像头OV7620的工作原理 16

3.1.1 OV7620的时序分析 16

3.1.2 OV7620的图像采集方式 17

3.1.3 OV7620的控制方式和寄存器设置 18

3.1.4 OV7620采集到的图像效果图 19

3.2 图像处理算法 20

3.2.1 动态阈值算法 20

3.2.2 边界检测算法 20

3.2.3 最小二值法 22

3.2.4 计算赛道的角度值 24

第4章 机器人的控制算法 27

4.1 PID控制算法 27

4.1.1 数字式PID控制算法 28

4.1.2 PID参数调整 28

4.2 伺服舵机控制算法 29

第5章 智能机器人软件开发与调试平台 31

5.1 软件开发平台 31

5.2 上位机模块 31

第6章 结论 33

参考文献 34

附 录 35

致 谢 45

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

智能机器人通常带有不同的传感器，能够将各种各样的传感器信息进行综合处理，能够快速适应环境的变化，具有很强的自动适应的能力、自主学习的能力。并且随着科学与技术的高速发展，智能机器人技术在人们的日常生活与工作中的应用范围也越来越广。智能机器人、智能汽车等，能够在很多人类无法正常工作的情形下替代人类完成各种工作^[1]。比如：进入工作人员无法进入的油烟管道进行自动清扫、在对人类有害的自然环境下进行位置探测、在易燃和易爆的危险环境下清理危险品等^[2]。因此，智能机器人与智能汽车早已成为国内、国外科研人员的重点研究课题之一。

随着科学与技术的不断发展，各种不同类型的智能机器人不断出现，并已经成熟的应用在人类生活和工业生产的各个领域。我国的智能机器人尽管起步的时间相对较晚，但是在很短的时间内，我们已经逐步掌握了智能机器人领域的各项关键技术，但就总体而言我国的智能机器人发展水平与世界先进水平相比还是有一定的差距^[3]。

1.2 研究现状