机器人视觉系统的设计与研究结题报告
大学生实践创新训练计划项目结题材
料
项目名称：机器人视觉系统的设计与研究
一、目录
一、项目验收报告
二、项目申报书
1、第一指导教师主要成果
2、第二指导教师主要成果
3、项目简介
4、项目研究目的、研究价值和创新体现
5、本项目研究内容
6、本项目拟采取的研究方法
7、本项目执行环节、进度安排
8、项目组成员分工
9、学校提供条件
10、本项目预期成果
11、经费预算
三、中期检查表
1、项目进展情况
2、存在的问题以及拟采取的解决问题的措施四．项目结题总结报告
五、项目结题研究成果
项目结题验收表
学院名称：工程训练中心立项年度：2013 项目名称
项目组成员
成员姓名学号承担工作量（％）本人签字备注负责人程杰2012150004 25
成员2 邓臧阳2012150045 25
成员3 牛俊辉031003117 25
成员4 朱恩泽2012120991 25
成员5
研究成果简介（重点介绍特色及创新点）：
首先我们根据交通路面的复杂情况，按照适当的比例制作了一个路况模型。包括弯道，直道以及在路面设置障碍物等。在弯、直道上，小车沿着预定轨道自由行驶，当小车遇到障碍物时脉冲调制的红外传感器，将检测到的信息传送给单片机，单片机根据程序发出相应的控制信号，控制小车自动避开障碍物，进行倒车、前进、左转、右转等动作。另外安全性和人性化也是本系统的一大特色，我们在车身上安装了红外传感器，动作指示灯，以及反应小车运行时间的计时显示模块。小车的每一个动作都会有相应的指示灯显示，充分体现了小车的智能化主题。本系统结构简单，成本低，采用电能驱动，不会造成环境污染，噪声低不会妨碍人们的日常生活。
成果形式及数量：
成果形式：实物
数量：1
指导教师意见：
签字：年月日
学校专家组建议：
专家组成员签字：年月日学校意见
教务处负责人签字：年月日
江苏省高等学校
大学生实践创新训练计划项目申报表推荐学校：（盖章）
项目名称：机器人视觉系统的设计与研究（足球机器人）
项目类型：
省级指导项目所属一级学科名称：工学
项目负责人：程杰
联系电话：188******** 指导教师：徐苏
联系电话：138******** 申报日期：2013.05
江苏省教育厅制
二○一三年三月
项目申报书
项目名称机器人视觉系统的设计与研究（足球机器人）
项目所属一级学科工学
项目所属
二级学科
自动化类
项目类型（）重点项目（）一般项目（√）指导项目项目实施时间起始时间：2013年 4 月完成时间：2014 年7月
项目简介(100字以内）足球机器人视觉子系统由摄像头、图像采集卡和图像处理软件组成，在视觉系统工作之前必须对系统的一些数据进行初始化，初始化工作主要包括摄像头标定和机器人色标的标定，通过摄像头捕捉图像，然后图像采集卡进行采集，最后通过图像处理软件进行图像处理，达到图像识别，从而使机器人做出相应的动作。
申请人或申请团队
姓名年级学号
所在院系
/专业
联系电话E-mail
主
持
人
牛俊辉
大学
三年
级
0310031
17
电子工程学
院自动化
1855102408
9
1182820096@q
https://www.wendangku.net/doc/059109626.html, 程杰
大学
三年
级
2012120
004
电子工程学
院自动化
1886133869
7
863381499@qq.
com
成
员
朱恩泽
大学
三年
级
2012120
991
电子工程学
院测控系
1889661483
7
137461647@qq.
com 邓臧阳
大学
三年
级
2012120
045
电子工程学
院自动化
1381233156
3
857523379@qq.
com
指
导
教师第一指
导教师
姓名徐苏单位淮海工学院工程训练中心
年龄40 专业技术职务实验师
主要成果1）基于嵌入式控制芯片在机械控制系统中的应用，制造业自动化.2010.13、2）电信计费系统的设计，国外电子测量技术2011.1、
3）动态环境中机器人路径规划算，法研究淮海工学院学
报.2011.2、
4）高速电路传输线阻抗匹配分析与仿真，煤炭技术.2011.10、5）粒子滤波算法在远程打击系统中的应用，电光与控制2011.10、
6）基于Contourlet的医学图像融合技术探讨，中国医学影像技术2011.11、7）基于贝叶斯估计的加权最小二乘分布式融合，探测与控制学报.2011.6
第二指导教师姓名李要球单位淮海工学院电子工程学院年龄43 专业技术职务讲师
主要成果1）数字测量技术在圆形材料直径测量中的应用，《煤矿机械》2006年3月。
2）基于AVR单片机的光学水准仪数字化改造，《江西科学》2006年6月。3）基于Simulink的磁滞回线仿真，《鸡西大学学报》2007年2月、
4）水准仪数字化改造中光电成像系统的设计，《河北理工大学学报》（自然科学版）2007年3月
5）基于Sobel算子的弧形材料边缘检测，《煤矿机械》2009年1月
一、申请理由（包括自身具备的知识条件、自己的特长、兴趣、已有的实践创新成果等）
本人通过大学三年的学习，基本掌握了一些基本的单片机、电路、PLC、图像处理、模式识别等相关知识，也曾独自制作过小收音机等器件，具有一定的动手能力，敢于挑战复杂的控制系统，这次想通过这次机会将理论用于实践，进一步检验自己对所学知识的掌握程度
二、项目方案
具体内容包括：
1、项目研究背景（国内外的研究现状及研究意义、项目已有的基础，与本项目有关的研究积累和已取得的成绩，已具备的条件，尚缺少的条件及方法等）
一、项目研究意义：足球机器人是属于代表发展方向的第三代智能机器人，它是高科技的集成，足球机器人视觉面对的是真彩色图像和动态目标的实时识别，这是机器人视觉领域的挑战性课题，而机器人足球的长远目标是50年后的人机大战，它是一个划时代的工程，意义重大，目前日本在这方面做的最好。
二、项目研究目标及主要内容：
项目主要研究机器人对真色彩图像及动态目标的实时识别，从而达到人机交互，实现机器人研究的一个创新，在研究过程中如何更好的捕捉动态图像，以及如何及时有效的对图像进行处理将是项目的关键之处，这里需要用到很多图像处理方面的知识，牵扯到一些复杂的算法计算。
三、拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析：
制作机器人模型，并由摄像头、镜头和图像采集卡构成机器人的视觉系统硬件，通过数字图像处理技术及模式识别对收集到的图像进行处理，并让机器人识别做出反应，项目中要用到的技术正是我们正在学习的内容，活学活用，理论加上实践，可行性很大。
四、本项目的创新之处：
通过足球这一动态事物研究机器人对动态彩色图像的处理功能，是对机器人研究的一个创新，而且在研究过程中用到的知识正是我们所学的专业知识，方便掌握。
五、项目研究计划及时间安排：
2014．4—2014.7：进行资料的收集调研，了解图像处理及模式识别方面知识，进行操作训练。 2014.9—2014.10：在基础性实验的应用研究、分析，语言的编程，简单测试。
2014.11—2015.1：组合提高型研究、采集数据、分析。
2015.3—2015.5：制作机器人模型，搭载视觉系统，下载程序，进行仿真模拟，事物演练，分析，调试。
2014.6—2014.7：总结实验研究成果，提交总结报告。
六、项目组成员分工
程杰:主要负责项目的总体规划，硬件设计及软件编写
朱恩泽：电路板的接线，资料收集整理，软件的仿真和测试。
三、学校提供条件（包括项目开展所需的实验实训情况、配套经费、相关扶持政策等）
淮海工学院工程训练中心目前拥有车、铣、刨、磨、以及先进制造系统，等全套机械加工设备，可以对大学生创新实验提供强大的加工条件，中心还建有单片机、电子创新、机器人实验室并对学生开放，可以为大学生创新实验提供必须的实验条件，如电路板制作，焊接，调试等工作。
四、预期成果
制作仿生机器人模型，研究机器人对动态事物的识别反应能力，得出研究结果并撰写实验报告。
五、经费预算
总经费（元）6000 财政拨款（元）0 学校拨款（元）6000 注：总经费、财政拨款、学校拨款由学校按照有关规定核定数目进行填写
具体包括：
1、调研、差旅费；2000元
2、用于项目研发的元器件、小型硬件购置费1800元
3、资料购置、打印、复印、印刷等费用200元
4、进行相关实验、软硬件测试等费用2000元
合计6000元
六、导师推荐意见
机器人视觉系统的设计与研究是一项涉及多学科融合的创新实验项目，既需要机械原理方面的知识，也需要丰富的电子学知识，如控制理论，c语音，图像处理与模式识别技术等。通过这样的实验，可以提高学生的科研能力，以及对知识的掌握和灵活应用的能力。
该课题具有创新性，适合实验室现有实验条件，能够在实验中让学生得到科技创新的训练。同意申请！
签字：徐苏
2013年5月8日
七、院系推荐意见
同意推荐
院系负责人签名：学院盖章：
2013年5月8日
八、学校推荐意见：
同意推荐为省级指导项目
学校负责人签名：李纪明学校公章
2013年5月8日
大学生创新创业项目中期检查表
项目编号：SD201311641118002
项目名称：机器人视觉系统的设计与研究（足球机器人）负责人：程杰
学院：工程训练中心
专业：工程训练
指导教师：徐苏
项目年度： 2013
淮海工学院教务处制
项目进展情况：
到目前为止，项目进行的比较成功，对于完成循迹小车这个项目有了一个准确的方向，这段时间研究循迹小车的测距和避障功能的进展也增加了我们完成这个项目的信心。目前循迹小车的进程一直在预期时间内完成，组内成员团结合作，距离成功仅有一步之遥。但在做项目的过程中也发现了我们有很多的不足，在专业知识方面的掌握还有待提高。
存在的问题以及拟采取的解决问题的措施：
存在问题1：循迹小车测距不稳定
解决措施：通过调整超声波测距头的位置和检查测距头是否完好来解决。
存在问题2：循迹小车运行过程中略有杂音
解决措施：拟安装一个消音器来解决
指导教师意见：
同意提交
签字：日期
学校意见：
同意项目继续进行。
教务处负责人签字：日期
四、项目结题总结报告
机器人视觉系统的设计与研究（足球机器人）
摘要：本智能小车是以有机玻璃为车架，51单片机为控制核心，加以步进电动机、发射式光电传感器和电源电路以及其他电路构成。系统由51单片机通过IO口控制小车的前进后退以及转向。寻迹由ST188光电传感器完成。
关键词：ATmage32L 直流电机光电传感器自动寻迹电动车
Abstract: The smart car is aluminum alloy for the chassis, 51 MCU as its core, including stepper motor and servo, plus photoelectric sensors, as well as other flame sensor and power circuit. MCU controls the car turning back forward or running on the white line. RPR220 reflective photo sensor seeks the trace. Far infrared flame sensor tracks the flame. In addition, the SCM system with Sunplus for voice broadcast can remind current status. The system transmits information through DF module. The car’s status will be transmitted to the Remote Console..
Keywords: 51MCU Stepper Motor Servo Photo sensor Electrical fire engines
一、系统设计
1、设计要求
（1）自动寻迹小车从安全区域启动。
（2）小车按指定路线运行，自动区分直线轨道和弯路轨道，在指定弯路处拐弯，实现灵活前进、转弯、倒退等功能，在轨道上划出设定的地图。
（3）小车在行驶过程中若遇到障碍物能够自动避让，绕过障碍物后将会自动安全行驶。
（4）即使小车在行驶过程中偏离预置的轨道，还可通过无线装置控制使小车按着预定的路线行走来达到小车完全被控制。
2、小车循迹的原理
这里的循迹是指小车在白色地板上循黑线行走，通常采取的方法是红外探测法。
红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超
过15cm。对于发射和接收红外线的红外探头，可以自己制作或直接采用集成式红外探头。
3、模块方案比较与论证
根据设计要求，本系统主要由控制器模块、电源模块、寻迹传感器模块、直流电机及其驱动模块、电压比较模块等模块构成。
为较好的实现各模块的功能，我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。
3.1车体设计
方案1：购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。但是一般的说来，玩具电动车具有如下缺点：首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。其次，这种电动车一般都是前轮转向后轮驱动，不能适应该题目的方格地图，不能方便迅速的实现原地保持坐标转90度甚至180度的弯角。再次，玩具电动车的电机多为玩具直流电机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速。而且这种电动车一般都价格不菲。因此我们放弃了此方案。
方案2：自己制作电动车。经过反复考虑论证，我们制定了左右两轮分别驱动，后万向轮转向的方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机进行驱动，车体尾部装一个万向轮。这样，当两个直流电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松的实现小车坐标不变的90度和180度的转弯。
在安装时我们保证两个驱动电机同轴。当小车前进时，左右两驱动轮与后万向轮形成了三点结构。这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。为了防止小车重心的偏移，后万向轮起支撑作用。
综上考虑，我们选择了方案2。小车底盘如图1所示：
图1车体底盘图
3.2控制器模块
方案1：采用可编程逻辑期间CPLD 作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。且从使用及经济的角度考虑我们放弃了此方案。
方案2：采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。
本系统主要是进行寻迹运行的检测以及电机的控制。如果单纯的使用凌阳单片机，在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。从系统的稳定性和编程的简洁性考虑，我们放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。
方案3：AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
从方便使用的角度考虑，我们选择了方案3。
3.3电源模块