基于视觉的“能源破解”演示系统的研究与开发

摘要

机器人在当前生产生活中的应用越来越广泛，正在替代人发挥着日益重要的作用，而利用视觉技术提高移动机器人的导航能力，能够增强机器人的智能性。近年来机器人技术向着机械结构模块化、可重构化的方向发展，利用模块化组件研究机器人技术成为机器人研究的一种新方法。
　　 基于视觉的“能源破解”演示系统将LEGO组件引入了机器人技术的研究中，为机器人技术的研究和展示提供了一个平台。在系统设计过程中，本文针对目标检测和跟踪技术、路径规划等进行了深入研究和探讨。
　　 本文在阅读大量机器人技术文献的基础上，研究设计了基于视觉的“破解能源”演示系统。使用LEGO组件设计了“能源破解”移动机器人的移动与任务执行机构；针对系统视觉导航中移动机器人的定位问题，提出了利用背景更新的基于背景差分法的目标检测方法，实现了基于IIR滤波背景更新目标检测；在研究了基于彩色直方图的Camshift运动目标跟踪算法的基础上，实现了对能源机器人的实时跟踪，并将其实时的位置与方向提取出来，作为闭环控制的基础；以检测到的质心特征为基础，实现了移动机器人的自动跟踪；在归纳比较了现有的路径规划方法后，通过基于栅格法的A*搜索算法实现了对路径的搜索，通过实验比较选取了一个最优的启发函数，并通过仿真实验验证了该算法的有效性，实现了系统中移动机器人的路径规划；本文根据系统实际需要通过蓝牙无线传输技术实现了上位机与NXT控制器之间通讯，并将规划好的路径信息发送到下位机，使移动机器人按照规定的指令移动、执行任务，并根据视觉系统中获得的移动机器人实时位置与方向对其移动路线实现校正。实验测试结果表明，文中提出的方案是先进有效的，可以满足“破解能源”演示系统的需要。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景及现实意义

1.2.1 移动机器人视觉技术及其发展

1.2.2 视觉导航在国内外的发展

1.2.3 LEGO组件在机器人研究中的应用现状

1.2.4 课题工程背景

1.2.5 课题研究意义

1.3 本文工作及结构安排

第2章 “能源破解”演示系统的分析与设计

2.1 “能源破解”演示系统的提出

2.2 “能源破解”演示系统的特点

2.3 “能源破解”演示系统的设计

2.3.1 系统的基本描述

2.3.2 硬件基本方案设计

2.3.3 软件基本方案设计

2.4 系统的工作流程设计

2.5 系统关键技术

2.5.1 LEGO关键技术

2.5.2 目标检测与跟踪

2.5.3 路径规划

2.5.4 机器人控制

2.5.5 无线通讯技术

2.6 本章小结

第3章 运动目标的检测与跟踪研究

3.1 能源机器人的检测

3.1.1 现有的主要检测方法

3.1.2 基于背景差分法的运动目标检测

3.1.3 实验结果及分析

3.2 能源机器人的实时跟踪

3.2.1 特征选择

3.2.2 一般搜索

3.2.3 均值偏移搜索法

3.2.4 Camshift运动目标跟踪

3.2.5 实验结果与分析

3.3 本章小结

第4章 能源机器人的全局路径规划算法

4.1 路径规划的定义和分类

4.2 环境表示方法

4.3 栅格地图分解

4.3.1 栅格法建模

4.3.2 场地模型的栅格化

4.4 路径搜索算法

4.4.1 深度优先搜索

4.4.2 广度优先搜索

4.4.3 启发式搜索

4.5 基于A*算法的最短路径规划

4.5.1 A*算法的基本概念与特点

4.5.2 A*算法与流程图

4.5.3 A*算法在破解能源系统中的应用

4.6 本章小结

第5章 机器人行为控制方法研究

5.1 机器人无线通信技术概述

5.1.1 红外通信技术

5.1.2 IEEE802.11无线局域网技术

5.1.3 HomeRF家用无线局域网技术

5.1.4 蓝牙无线传输技术

5.2 LEGO蓝牙通讯技术

5.2.1 NXT蓝牙通讯的软件实现

5.2.2 LEGO MINDSTORMS NXT通讯协议

5.3 能源机器人的实时控制

5.3.1 机器人串口通讯的实现

5.3.2 闭环控制模式的研究

5.3.3 能源机器人的实时跟踪控制

5.4 本章小结

第6章 “能源破解”系统的研究与实现

6.1 系统的功能

6.2 系统的总体结构流程

6.3 系统的硬件模块的实现

6.3.1 外围设备

6.3.2 机器人

6.4 系统的软件模块的实现

6.5 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

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