哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - I - 向切格拉瓦致敬 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 向瑞查德 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 摘 要 機(jī)器人及其視覺在 21 世紀(jì)初得到極大發(fā)展，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，嵌入式硬件標(biāo)準(zhǔn)得以確立，使得廉價(jià)的智能機(jī)器人替代人類工作成為現(xiàn)實(shí)可能，并走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入產(chǎn)業(yè)實(shí)用領(lǐng)域。 本文探索一種為大規(guī)模應(yīng)用設(shè)計(jì)的機(jī)器人三維視覺方案，將機(jī)器人視覺成本壓縮到得以大量投入勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)中，并最終獲得取代人類尤其從事海底礦產(chǎn)開發(fā)和采集。應(yīng)用激光器進(jìn)行三維掃描和地形跟蹤并通過 測傳感器采集處理，使機(jī)器人可以獲得完整統(tǒng)一的高質(zhì)量三維地形地物信息，并進(jìn)行共享。 本設(shè)計(jì)應(yīng)用六足 機(jī)器人平臺(tái)和 件進(jìn)行機(jī)器人算法和平臺(tái)設(shè)計(jì)，完成初步實(shí)驗(yàn)，采集三維激光線信息并進(jìn)行三角定位運(yùn)算和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制。進(jìn)一步完善可用于集群機(jī)器人海底采礦等應(yīng)用。 關(guān)鍵詞： 激光雷達(dá)，機(jī)器人視覺， 底機(jī)器人 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - in 000s of be to a of to be a of in of by CD so a to of be to 爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - V - 目 錄 摘 要 . I . . 緒論 . 1 器人視覺的現(xiàn)狀及前景 . 1 文研究的總體方案 . 1 激光三維掃描 . 2 足機(jī)器人 . 4 底機(jī)器人說明 . 5 文的主要內(nèi)容及研究方法 . 6 2. 視覺方案總體設(shè)計(jì) . 7 統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論依據(jù) . 7 角計(jì)算 . 7 足機(jī)器人運(yùn)動(dòng) . 9 系統(tǒng)的技術(shù)細(xì)節(jié)和改進(jìn) . 10 激光及其工作原理 . 10 像頭及矯正標(biāo)定 . 11 像處理和檢測 . 15 像處理功能 . 16 口通信和舵機(jī)驅(qū)動(dòng) . 16 章小結(jié) . 17 3. 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì) . 18 源部分的設(shè)計(jì) . 18 池部分 . 18 塊 . 20 械運(yùn)動(dòng)部分 . 21 機(jī)選擇和安裝 . 21 機(jī)控制板 . 21 像采集和數(shù)據(jù)處理 . 22 像處理編程 . 22 像處理過程 . 23 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 動(dòng)控制 . 23 示和連續(xù)處理 . 24 像句柄顯示 . 27 上位機(jī)接口的設(shè)計(jì) . 29 4. 系統(tǒng)調(diào)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 . 30 結(jié) 論 . 32 致 謝 . 33 參考文獻(xiàn) . 34 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - I - 錯(cuò)誤 !未指定書簽。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 1 - 1. 緒論 器人視覺的現(xiàn)狀及前景 機(jī)器人作為先進(jìn)的生產(chǎn)工具，必將在未來進(jìn)一步減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，把人類從繁重重復(fù)的勞動(dòng)中解放出來。其中機(jī)械的力量和強(qiáng)度已經(jīng)能夠有效替代人類的體力勞動(dòng)，然而不可忽視的 是人類的腦力勞動(dòng)仍然難以為機(jī)器人有效替代。近年移動(dòng)機(jī)器人逐漸發(fā)展，視覺圖像處理算法逐步發(fā)展起來，能夠從事一些比較高級(jí)的工作。 移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)一步具有環(huán)境感知功能，任務(wù)規(guī)劃功能和決策能力，這些能力都建立在傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上。配合精密的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，逐漸可以從事精密和智能的勞動(dòng)，進(jìn)一步解放人類生產(chǎn)能力，提高勞動(dòng)效率。 移動(dòng)機(jī)器人的傳感器用于對車體自身及外部環(huán)境信息的檢測和處理，主要分為內(nèi)傳感器和外傳感器兩大類： 1）內(nèi)傳感器：用于測定機(jī)器人自身的參數(shù)，常用的有計(jì)程儀、差分計(jì)程儀、磁羅盤和陀螺羅盤等； 2）外傳感器：主要包括聲學(xué)、光學(xué)和電磁波 3 類目前常采用超聲、激光、視覺等傳感器超聲傳感器的優(yōu)點(diǎn)是硬件結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，容易操作；缺點(diǎn)是速度慢，存在較大的波束角，且對光滑表面存在鏡面反射激光傳感器的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)散小或沒有發(fā)散，并對大多數(shù)物體無鏡面反射現(xiàn)象，缺點(diǎn)是存在潛在的安全問題（首先是人眼安全問題），且不適用于透明物質(zhì)視覺傳感器通常采用 像機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是獲取信息量大，缺點(diǎn)是計(jì)算復(fù)雜，對環(huán)境光線有一定要求移動(dòng)機(jī)器人視覺系統(tǒng)中，常用的攝像機(jī)的安裝形式有兩種：一種是全局視覺 種是局部視覺 目前，機(jī)器人視覺有待于進(jìn)一步提高，應(yīng)用前景十分廣闊。 文研究的總體方案 隨著國家民用科技發(fā)展，將一定條件下使用的軍事科技應(yīng)用于名事哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 2 - 已經(jīng)成為常態(tài)，在目前低成本機(jī)器人設(shè)備中，普遍采用超聲等傳感器進(jìn)行避障等工作，難以與視覺系統(tǒng)相互結(jié)合。 美國在十幾年前實(shí)際上已開始 激光 掃描水下成像系統(tǒng)的研究， 由于保密原因， 沒有正式報(bào)道。目前，國外已研制出多種型號(hào)激光掃描水下成像系統(tǒng)， 有的已成功地用于海下勘測、搜索和攝像。西屋水下激光系統(tǒng)公司和應(yīng)用遙測技術(shù)公司分別研制成功出了各自的同步掃描激光水下成像系統(tǒng)， 其中西屋 公司的激光水下成像系統(tǒng) 70的有效視場掃描時(shí)間為 011m s。該系統(tǒng)被布設(shè)在潛艇下面， 或者拖曳在水面艦船的后面。當(dāng)船向前航行時(shí)， 該系統(tǒng)就成像出海底的二維圖像， 水下觀測和成像距離可達(dá) 4 個(gè)衰減長度 (光在水中的衰減隨光的波長和水質(zhì)的變化而變化 )， 其圖像分辨率和清晰度都很高。遙測技術(shù)公司的同步掃描系統(tǒng)的水下成像距離可以達(dá)到 5 個(gè)衰減長度。遙測技術(shù)公司的系統(tǒng)使用快速旋轉(zhuǎn)的棱鏡控制激光束掃描， 目前該系統(tǒng)已裝備潛艇。 能夠?qū)⒅畱?yīng)用于海底機(jī)器人，則能夠有效避免超聲系統(tǒng)的缺陷，并提供優(yōu)異的掃描結(jié)果。形成的三維掃描數(shù)據(jù) ，可以為機(jī)器人集群海底行動(dòng)采礦等作業(yè)提供依據(jù)。 激光三維掃描 目前單點(diǎn)激光測距儀已經(jīng)比較常見，并且價(jià)格也相對低廉。但是它只能測量目標(biāo)上特定點(diǎn)的距離。 2D 激光雷達(dá) （ 格更為昂貴，主要使用激光器旋轉(zhuǎn)進(jìn)行點(diǎn)定位。其昂貴的原因之一在于他們往往采用了高速的光學(xué)振鏡進(jìn)行大角度范圍 (180激光掃描，并且測距使用了計(jì)算發(fā)射 /反射激光束相位差的手段進(jìn)行。當(dāng)然他們的性能也是很強(qiáng)的，一般掃描的頻率都在 10上，精度也在幾個(gè)毫米的級(jí)別。 對于移動(dòng)機(jī)器人，不需要進(jìn)行如此高頻率掃描，使用 距離和精度要求也相應(yīng)降低，可能實(shí)現(xiàn)低成本并替代超聲等傳統(tǒng)低成本傳感器，本文實(shí)際制作一個(gè)能夠基本達(dá)到機(jī)器人視覺要求的三維掃描儀，成本已經(jīng)可以與普通傳感器相比較，如能規(guī)模生產(chǎn)，則可能降低移動(dòng)機(jī)器人的成本并提高其性能。 圖 1 司生產(chǎn)的 2D 激光雷達(dá)產(chǎn)品， 2D 激光雷達(dá)使用單束點(diǎn)狀激光進(jìn)行掃描，因此只能采集一個(gè)截面的距離信息。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 3 - 圖 1司生產(chǎn)的 2D 激光雷達(dá) 如果要測量 3D 的數(shù)據(jù) ，就需要使用如下 2 種方式進(jìn)行擴(kuò)充： 1. 采用線狀激光器 2. 使用一個(gè) 2D 激光雷達(dá)掃描，同時(shí)在另一個(gè)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。從而掃描出 3D 信息。 第一種方式是改變激光器的輸出模式，由原先的一個(gè)點(diǎn)變成一條線型光。掃描儀通過測量這束線型光在待測目標(biāo)物體上的反射從而一次性獲得一個(gè)掃描截面的數(shù)據(jù)。這樣做的好處是掃描速度可以很快 ，精度也比較高。但缺點(diǎn)是由于激光變成了一條線段，其亮度 (強(qiáng)度 )將隨著距離大幅衰減，因此測距范圍 很有限。對于近距離 ( 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 25 - 1 1 1x1 0 D 1 1) 1x6 ) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 26 - 0 D 1 1) 1x6 D 1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 27 - 如上，攝像頭支持?jǐn)?shù)種分辨率，選定 640， 480 分辨率進(jìn)行試驗(yàn)，達(dá)到最佳效果。 像句柄顯示 在 ,每一個(gè)對象都有一個(gè)數(shù)字來標(biāo)識(shí) ,叫做句柄 為它建立一個(gè)唯一的句柄句柄中包含有該對象的相關(guān)信息參數(shù)，可以在后續(xù)程序中進(jìn)行操作，改變其中的參數(shù)，以便達(dá)到不同的效果例如 開這個(gè)窗口。 句柄式圖形常用函數(shù)： （ 1） h）返回句柄值 h 所指定的圖 形對象的所有屬性名稱與相對應(yīng)的屬性值 （ 2） a = h)返回由句柄值 h 所指定的圖形對象的屬性結(jié)構(gòu)數(shù)組，并且該數(shù)組的字段名稱就是該對象的屬性名稱。 （ 3） a = ,返回所有能由用戶設(shè)置的屬性的默認(rèn)定義值。 （ 4） a = ,.)返回指定對象類型指定的屬性值，輸入?yún)?shù)一個(gè)關(guān) 鍵詞，由字符 圖形對象類型（如 有屬性名稱（如 成。 a = ,返回 象的 性值。 （ 5） a = h,.)返回句柄值為 h 的對象指定屬性的默認(rèn)值。如哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 28 - “ （ 6） a = h,列出 h 對象的所有屬 性的默認(rèn)屬性值 （ 7） a = h)返回句柄值 h 所指定的圖形對象的所有屬性名稱對應(yīng)的可設(shè)置屬性值， a 為結(jié)構(gòu)數(shù)組，存儲(chǔ)對象的屬性名稱，其字段值為相對應(yīng)的屬性值。屬性值中用 括起來的表示默認(rèn)值。 （ 8） h,a)使用指定的屬性值來設(shè)置由句柄值 h 所指定的對象屬性， 字段名稱為對象的屬性名稱，字段值為相對應(yīng)的屬性值。 （ 9） a = ,返回那些用戶可以設(shè)置默認(rèn)值的所有對象的屬性，同時(shí)顯示可設(shè)置的屬性值。 （ 10） a=,返回所有對象中指定的屬性名稱 所有可能的屬性值。 （ 11） a = h,屬性名 ,屬性值 )設(shè)置句柄值為 h 的對象的與屬性名對應(yīng)的屬性值。 （ 12）h,.)對句柄值為 h 的對象設(shè)置特定屬性名稱的屬性默認(rèn)值。 （ 13） H = 回 象與其所有子對象的 句柄值 （ 14） H = h） ;返回 h 變量的句柄值 （ 15） H = 屬性名稱 ， 屬性值 );依據(jù)對象的屬性名稱和屬性值找出匹配的對象句柄值。 （ 16） H = 屬性名稱 ， 屬性值 );根據(jù)限定的對象列表找出與對象的屬性名稱和屬性值匹配的對象句柄值 （ 17） 回當(dāng)前 象的句柄值 回當(dāng)前 象的句柄值 回當(dāng)前鼠標(biāo)單擊的句柄值，該對象可以是除 象外的任意圖形對象，并且 把當(dāng)前 圖形對象的句柄值存放在 性中 象的屬性篇 (1).是矩陣每個(gè)元素的冪乘， 是數(shù)的冪乘。 (2)出句柄值為 對象的所有屬性 列出上述屬性外，還列出可以設(shè)置的屬性 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 29 - 所有屬性改為默認(rèn)值 除句柄值為 圖形對象 (3)利用 屬性名稱 ）獲得句柄值為 對象的屬性名稱下所有可設(shè)置的屬性值 得到 | ，其中，大括號(hào)中是默認(rèn)值 (4)窗口關(guān)閉，并重新設(shè)置其屬性為默認(rèn)值。 (5)效值為字符串或函數(shù)句柄 (前加 ) 當(dāng)關(guān)閉繪圖窗口或離開 ，就會(huì)定義 義的函數(shù) (6) 立一個(gè)對象時(shí) (如為 象，即打開一個(gè)繪圖窗口）， 就會(huì)觸發(fā) 定義的 序。如,);即設(shè)置了根對象的默認(rèn)值，使每次建立 象時(shí)，都會(huì)指定一個(gè)非整數(shù)的句柄值。（在用戶未指定句柄值時(shí)） 上位機(jī)接口的設(shè)計(jì) 運(yùn)用 統(tǒng)控制工具箱進(jìn)行串口通信，選定參數(shù)如下。 u=024,1); ; 096; 096; 0; 600; ; 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 30 - 4. 系統(tǒng)調(diào)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 在實(shí)際測試中，機(jī)器人移動(dòng)平滑，誤差在控制范圍內(nèi)。實(shí)際測試一組物體并進(jìn)行三維成像如圖 4 圖 4指掃描結(jié)果 如圖 4成年人手部進(jìn)行掃 描，可以明顯看出五指等對象，并測算距離和移動(dòng)運(yùn)算，達(dá)到較為成功的效果。使用對應(yīng)的 表如圖4成系統(tǒng)，進(jìn)行行走和避障等相關(guān)才測試。能夠詳細(xì)了解機(jī)器人正前方一定范圍內(nèi)的大致地形地物。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 31 - 圖 4機(jī) 動(dòng)圖表 對各應(yīng)用舵機(jī)進(jìn)行 測試 ,找出角度對應(yīng)的 據(jù)。已經(jīng)完成了方案硬件的制作，并且經(jīng)過測試，可以在較暗光線環(huán)境下進(jìn)行精準(zhǔn)的三位線定位，可以進(jìn)行自動(dòng)掃描。 經(jīng)過測試，精度基本達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行調(diào)試和標(biāo)定后，可以獲取目標(biāo)形態(tài)和距離等特性。 目前已形成一個(gè)簡單的三角幾何測量裝置，經(jīng)過運(yùn)算校正獲得 對應(yīng)點(diǎn)距離信息，進(jìn)行線掃描。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 32 - 結(jié) 論 經(jīng)過各部分的調(diào)試，本設(shè)計(jì)各部分可以達(dá)到預(yù)定設(shè)計(jì)要求，對基本三維信息進(jìn)行定位和采集，并控制機(jī)器人平臺(tái)移動(dòng)。 本系統(tǒng)目前可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人平臺(tái)的移動(dòng)控制， 不能真正實(shí)現(xiàn)三維地形圖的構(gòu)建和集群機(jī)器人共享信息，建議以后繼續(xù)完善過程中利用本設(shè)計(jì)使用的通信網(wǎng) 絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，并實(shí)現(xiàn)三維地圖構(gòu)建和機(jī)器人集群通信。 目前已經(jīng)完成一個(gè)能夠基本達(dá)到機(jī)器人視覺要求的三維掃描儀，成本已經(jīng)可以與普通傳感器相比較，如能規(guī)模生產(chǎn)，則可能降低移動(dòng)機(jī)器人的成本并提高其性能。 經(jīng)過檢驗(yàn)，本文中的方法完 全可以用于機(jī)器人視覺用途，可以獲得比傳統(tǒng)方法更加簡便有效的定位和掃描信息，經(jīng)過完善后可以用于海底等光線不良條件下的機(jī)器人智能開發(fā)，并提供源代碼和基本設(shè)計(jì)信息供開發(fā)人員參考。 本文的方法比較傳統(tǒng)機(jī)器人視覺，有在水中減少衰減等明顯優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)中也能夠達(dá)到預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)。使用創(chuàng)新性的機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)和算法，從而獲得精確的位置控制和傳感信息。本文結(jié)合六足機(jī)器人定位準(zhǔn)確便利和三維視覺的特點(diǎn)，創(chuàng)新地發(fā)展了激光雷達(dá)類型三維掃描設(shè)備，并將之應(yīng)用于移動(dòng)平臺(tái)，獲得了成功。 在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了對成年人手部進(jìn)行掃描，可以明顯看出五指等對象，并 測算距離和移動(dòng)運(yùn)算，達(dá)到較為成功的效果。完成了舵機(jī)對于動(dòng)等計(jì)算，有較強(qiáng)的工程實(shí)踐性。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 33 - 致 謝 本課題是在孫劍飛和謝瑋等老師親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的，孫老師和謝老師給了我很多幫助，設(shè)計(jì)期間始終關(guān)注著設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)，在時(shí)間繁忙的情況下仍不忘詢問設(shè)計(jì)進(jìn)展，設(shè)計(jì)期間給我以精神鼓舞。從論文選題、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)到最后論文的撰寫，都做了悉心的指導(dǎo)，并提出了許多寶貴的