履带式移动机器人控制系统设计与实现

摘要

移动机器人是一个集环境感知、动态规划与决策、行为控制与执行于一体的综合系统，涉及机械、传感器、电子、自动化、计算机以及人工智能等多学科的研究成果，是目前理论研究和工程实践最活跃的领域之一。随着研究的深入和各种相关技术的发展，移动机器人已经走出实验室，广泛应用于军事、工业和服务业等领域。
　　 本文以一款履带式移动机器人为应用背景，搭建基于视觉的控制系统平台，采用嵌入式技术开发了基于WLAN网络的视频监控系统，对应用于移动机器人的非结构化道路检测算法进行了研究。本文的主要工作包括以下几点：
　　 (1)基于分布式架构，采用CAN总线构建整个控制系统，主控平台以基于ARM920T的s3c2410微处理器为核心，扩展出USB、以太网和CAN总线接口分别连接摄像头、无线AP、传感器数据采集模块以及运动控制模块。传感器数据采集模块以MSP430单片机为核心，完成了对超声波、GPS、电子罗盘等的数据采集电路的设计，并扩展了CAN总线接口，使其能挂到CAN总线上进行数据通信。运动控制模块以TMS320F2812为核心对电机进行电流、速度双闭环的控制。
　　 (2)采用嵌入式Linux技术进行软件开发，构建了ARM-Linux嵌入式开发环境，移植开源的Spca5xx摄像头驱动，采用Video4Linux进行视频采集，以Xvidcore为算法核心将视频数据压缩成MPEG4格式，以套接字为基础实现与监控平台视频流和控制流的网络通信。
　　 (3)运用DirectShow开发技术，完成了能够实现视频播放和压缩存储的远程监控客户端软件的设计，并与机器人服务器端进行联调，达到预期效果。
　　 (4)在完成机器人控制系统软硬件平台搭建的基础上，对基于视觉的非结构化道路检测算法进行了研究。在分析现有算法的基础上，提出了适合于移动机器人的基于道路中心线提取的实时道路检测算法，为实现移动机器人基于视觉的自主导航奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 课题背景

1.2国内外研究现状

1.2.1 国外移动机器人的发展概况

1.2.2 国内移动机器人研究概况

1.3移动机器人发展趋势

1.4本文研究内容

2移动机器人控制系统总体设计

2.1移动机器人系统组成结构

2.2主控平台选择

2.2.1嵌入式系统简介

2.2.2 ARM-Linux开发平台

2.3远程监控方案

2.3.1 通信方式选择

2.3.2远程监控结构模型选择

2.4视频采集方案

2.5本章小结

3移动机器人控制系统硬件设计

3.1 控制系统硬件组成结构

3.2主控平台介绍

3.3传感器数据采集板电路设计

3.3.1 电源部分

3.3.2最小系统电路

3.3.3外围接口电路

3.3.4超声波测距电路

3.4视频采集模块

3.5无线通信模块

3.6运动控制模块

3.7本章小结

4移动机器人视觉与通信系统软件开发

4.1软件总体设计

4.2摄像头驱动移植

4.2.1 Linux驱动简介

4.2.2基于Spca5xx的USB摄像头驱动移植

4.3基于Video4Linux的视频采集

4.3.1 Video4Linux编程接口

4.3.2双缓冲视频采集技术

4.3.3视频采集测试

4.4视频压缩

4.4.1视频压缩原理

4.4.2 MPEG4压缩标准

4.4.3基于Xvidcore的MPEG4压缩

4.4.4视频压缩测试

4.5网络通信

4.5.1 TCP/IP协议与套接字

4.5.2网络通信总体设计

4.5.3控制信息传输

4.5.4视频流传输

4.6本章小结

5监控平台软件开发

5.1 DirectShow开发技术简介

5.1.1媒体类型(Media Type)

5.1.2连接(Connect)

5.1.3数据传送

5.1.4 Filter Graph的构建

5.2基于DirectShow的软件总体设计

5.3 MPEG4网络流Source Filter开发

5.3.1视频流接收

5.3.2基于Xvidcore的视频解码

5.3.3数据缓冲与线程同步

5.3.4 NetFilter开发

5.4视频播放和存储

5.4.1 视频存储

5.4.2视频播放

5.4.3构建Graph

5.5与机器人的联合调试

5.6本章小结

6基于视觉的非结构化道路检测算法的应用研究

6.1 引言

6.2图像预处理

6.2.1颜色空间的选取

6.2.2 图像平滑

6.3图像分割

6.3.1 图像分割简介

6.3.2 阈值分割

6.4形态学操作

6.4.1形态学简介

6.4.2实验结果

6.5特征提取

6.5.1道路边缘提取

6.5.2道路中心线提取

6.6本章小结

总结与展望

致 谢

参考文献