论文研究-智能巡检机器人系统设计与实现 .pdf

所需积分/C币:41 2019-08-14 17:40:16 415KB .PDF

智能巡检机器人系统设计与实现,王栋年,赵强,针对灾后地形复杂、危险系数大的特点,提出一种基于视觉识别的智能巡检机器人控制系统。文中采用高性能的ARM微处理芯片作为核心器
山国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn 相应的硬件电路设计。 其中,电机驱动模块选用TB6612FNG作为电机驱动器件。TB6612FNG是东芝半导体 公司生产的一款直流电机驱动器件,具备很髙的集成度,能够提供足够的输出能力,具有大 电流的 MOSFET-∏桥结构,拥有两个通道电路输出,可以同时驱动两个电机。同时在能耗 和运行性能方面也具备良好的优势。相对于具有同样控制功能的I293D和L298N, TB6612FNG无需添加散热片,只需外接简单电源供电和滤波电容即可直接驱动电机。在 PWM信号驱动方面最高可以达到100KHZ频率。 作为智能机器人“眼睛”的图像釆集模块,关键作用是要获取更多质量好的路况信息。 80 数字图像釆集方法是利用CMOS图像传感器可以直接输岀并行数字信号和时序信号的特 点,直接读取传感器的数字输出。本系统使用数字摄像头OV2640,最大分辨率为1600×1200, 将单片机超频至160M,这样·行可采集到1600点,相比以前一行只能采集40到80个点 米讲,分辨率得到了极大提髙。 选用W25Q128FⅤ模块作为本次设计的储存器,W25Q128FV串行闪存可以为有效的系 85 统储存提供解决方案,同时其灵活性和性能远远超过普通的串行闪存器件。选用 TFT-LCD 即溥膜场效应晶体管LCD模块作为系统的昰示模块,在亮度、对匕度、功耗等综合性能上 占有绝对优势。 电源电路模块的设计对于整块电路的供电是否稳定起着决定性的作用,除了要分别为各 个电路提供稳定的电源电压外,同时自身也需要防止收到自身电路和其他申路的噪声干扰和 电磁干扰。电源电路在改计时釆用12V电压输入,通过LM2596稳压输出5Vv,LM2596内 含固定频率振涝器(150KHZ)和基准稳压器(1.23Ⅳ),并具有完善的保护电路、电流限制、 热关断电路,输出电压稳定。后经AMSl117芯片稳压输出3.3V为单片机供电 设计完成的智能车整体实物图如图2所示 ALaENTEK THna 95 图2智能巡检机器人实物图 Fig. 2 Physical map of intelligent inspection robot 3系统软件设计 控制策略是智能机器人设计的核心内容。若智能机器人的运行速度过快则会导致智能机 器人来不及反应而冲出轨道,通过加入速度控制单元,使机器人的运行速度和运行状态得以 00 控制。如果机器人发现有弯道时,则智能机器人减速运行,例如智能机器人向左偏离轨道, 则控制左侧电机转速下降,直到机器人直线行驶 山国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn 3.1系统软件流程 智能机器人在运行过程中会遇到三种典型位置:如果检测到黑线饣小车正中,则左右侧 电机速度相同,控制智能车匀遮向前行驶;如果检测到黑线在智能小车左侧,也就是智能小 l05 车发生了左偏,则控制智能车右侧电机转速下降,这样就可以实现矫正小车微偏。同理,如 果智能小车发牛了右偏,则反方向矫正即可。同时,还可以通过测量偏离黑色轨道距离来判 断智能车偏离轨道的程度。系统整体软件流程图如图3所示。 开始 系统初始化 检测260N检02R DCMI/DMA配置 设置0V2640输出尺寸 工作模式:YV422 显示按键功能状态 图像采集 值化处理 数据处理 PID计算PWM 占空比计算 电机状态控制 图3系统软件流程图 110 Fig3 System software flow chart 电机的转速会受到许多因素的影响,比如说电机两端电压、电机负载以及电机本身制造 工艺问题,不同电机转速也会有所差别,为了能够更好地控制电机的转速,本设计采用经典 的PID算法进行控制,以保证电机转速的稳定和快速响应。设计中利用控制器的计数器做 个以10ms为周期的定时,每隔10ms检测一下智能机器人的运行状态,即检测编码器的 115 返回值,其返回值可作为反馈量,从而实现PID调节功能。在PID控制过程中,通过测量 值与给定值比较,计算出偏差e(ω),并根据偏差情况计算出控制作用ut) 这里根据智能札器人运动的实际情况采用的是增量式算法。对连续PID进行离散化, 其控制输出为: u(n)=kpe(n)+kiCe(j)+kale(n)-e(n-1) 4 山国武技论文在线 http://www.paper.edu.cn 120 式中:e(n)=r(n)-y(n),e(n)为偏差值,r(n)为给定值,y(n)为测量值。Kp为比 例系数,K为积分系数,K为微分系数 32视频图像的预处理 系统对釆集到的图像进行二值化处理,首先对原始图像作低通滤波,进行图像的预处 理,降低或去除噪声,然后诓过观察TFT显示的效果采用手动调节阈值的方法来设置阈值, 125 凡是像素的灰度值大于这个阈值的设成255,小于这个阈值的则设成0。这样处理后的图像 就只有黑白两色,从而将灰度氾围划分成目标和背景两类,实现了图像的二值化。由于本设 计中釆样的图像只有黑白两种颜色,所以在选取阈值时选用了容易实现的全局阈值算法。 显然,视频图像的预处理对提取目标特征起到至关重要的作用。这里提出一种改进的杂 交粒子群优化算法设计一款低通滤波器,以厶除图像中掺杂的嗓声 130 321改进的杂交粒子群优化算法 山于标准粒子群优化算法在进化过稈中会出现早熟收敛现象,为解决这一问题,提高 算法的精度,Δ angeline P J将粒子群优化算法与還传算法的杂交原理相结合,提出了杂交粒 子群优化算法(关于算法的原理这里不再赘述)。但是,由于杂交粒子群算法使得子代粒 子完全取代亲代粒子,所以亲代粒子可能丟失。因此,本文在比基础上增加」模拟退火算法 135 来判断亲代粒」是合应该被替换,冉利用混沌优化进行局部搜索,从而保证了种群的多样性, 避免了缺失最优位置的发生,提高了算法的收敛精度。 改进后的杂交粒子群算法的主要思想是:粒子杂交后,利用模拟退火思想中的比较策 路判断亲代粒子是否需要更新,保持当前状态的历史最优解;然后利用混沌优化算法⑩对 杂交后产生的新子群进行混沌局部搜索,使随机搜索到的最优解替换亲代粒子;最后利用模 140 拟退火算法进行循环搜索,直到满足要求。这样,可以保持种群多样性,在指定时间搜索的 仝局最优解更优,从而提髙算法旳精度和收敛速度。本文还洊一种新的惯性权重计算方法融 入到新算法中,并验证了该算法在FIR数字滤波器优化设计中的可行性和优越性 惯性权重系数是粒子群优化算法中最重要的可调参数。位置更新方程如下 vid=avid+c rand,(pbestid -xid)+crand,(gbesta-xid) 145 根据上式可以发现,较大的惯性权重可以增加初始阶段的全局搜索能力,较小的惯性杈 重可以在后面阶段增加全局搜索能力。这里提出三种权值计算方法,比较其全局搜索能力和 局部搜索能力,方法如下: 线性递减:O=Omn-(na-cn)*/7 指数函数递减:O=(n+(ona- 0)exp[-20(t/T) 150 凹函数递减:C=nm*( 0/0)+107 其中,ω,和ω分別表示最大惯性权重值和最小惯性权重值,通常分配值为0.9和0.4;t 表示当前迭代次数,T表示最大迭代次数 山国武技论文在线 http://www.paper.edu.cn 0.9 线性权重 0.85 指数函数权重 ----·凹函数权重 0.8 075 0.7 0.65 0.6 0.5 045 0.4 0.10.20.30.40.5060.7080.9 当前迭代次数/大达代次数 图4惯性权重的比较与选择 Fig. 4 CoInparison and selection of inertia weight 如图4所小,指数函数形式的权重在初始阶段相对较大,但后期下降速度过快;而线性 递减方法的权重在后期卜降速度较慢。因此,木文提岀了一和新的惯性权重计算方法:选择 交叉点A前的指数权重和交叉点A后的线性权重。 322算法的性能测试 下面两个基准函数用于验证改进后优化算法的性能测试,其中 Rastrigrin函数是单峰函 数, Griewank函数是多峰函数。 Rastrigrin I函数:f(x)=∑|x2-10c092x)+10 Griewank函数:/2()~1 COs(=)+1 4000 i=1 为了比较算法的性能,分别采用混沌粒子群算法(CPSO)、杂交粒子群算法(HPSO) 165 混沌杂交粒」群算法( CHPSO)和本文的改进粒子群算法(MPSO)求解两个函数。在MPSO 算法中,采用前述新的惯性权重法求解函数。测试中迭代次数为1000,测试次数为30次 表1所示的是取平均值后的最终结果。 170 表1每种算法的性能比较 Table 1 Performance comparison for each algorithm 算法 函数 最优解 平均收敛率 6 山国武技论文在线 http://www.paper.edu.cn LIPSO Rastrigrin 0.042142351 670 Griewank 0).370986521 CPSO Rastrigrin 0.061984378 Gricwank 0.297875321 79% CHPSO Rastrigrin 0.020721876 91 Griewank 0.052317807 840 MPSO Rastrigrin 0.000275431 100 Griewank 0.001534178 175 根据表1可知,改进的杂交粒子群优化算法的求解精度和收敛速度均优于其他三种混合 粒子群算法,改进的杂交粒子群算法虽然比较复杂,但仍具有稳定的性能。 323FIR低通滤波器的设计 为了验证本文提出的改进算法的有效性,利用 MATLAB对线性相位FIR数字低通滤波 器进行了仿真实验。改进的杂交粒子群优化算法的参数设置如下:种群大小设置为40,参 180 数的维数为N+1)2,杂交池的大小为0.2,杂交概率为0.9,混沌搜索的最大步长为20,退 火常数为0.8,粒了所在区域范围为[-1,1],速度值范围为[-2,2],最大迭代次数为1000 设计了个阶数为21,阻带最小衰减为20dB的数字低通滤波器,其技术指标如下: l,O∈[O,0.20z] 0,O∈[0.387z,x 图5和图6分别小出了滤波器的仿真结果 MPSO CHPSO - CPSO 00.10203 40506070809 185 Frequency (w/pi) 图5FIR低通滤波器的幅频响应 Fig 5 Amplitude-frequency response of FIR low-pass digital filter 7 山国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn M PSO CHPSO -·CPSo 16 0.8 0.6 00.102030.4 0 50.60.70.80.91 Frequency(w/pi) 图6归一化由线 190 Fig 6 Normalization curve 根摭图5可知,改进的粒子群优化算法(MPSO)设计的FR数字滤波器的阻带特性满 足低通的技术要求,明显优于 CHPSO和CPSO设计的数字滤波器:根据图6归一化的幅频 响应曲线,采用MPSO设计的滤波器具有更快的收敛速度和更高的收敛精度,在阻带上没 有纹波,阻带相对稳定,这种滤波器更接近理想滤波器。利用设计的FIR滤波器可以很好地 195 滤除视频图像中的低频噪声,为图像的后续处理打下了坚实的基础。 4结束语 本文设计的智能巡检机器人控制系统稳定性很高,硬件电路集成在一·块电路板上,非常 便捷、人性化,同时留出了通信端口,为以后的拓展模块做准备。在软件设计中,采用经典 的P算法控制电机的转速,重点提出一种改进的杂父粒子群优化算法设计FR低通滤波 200 器,对采集的视频图像进行预处理,再经过值化处理以提取目标特征。在最后的测试中 智能机器人能够在直线、弯路上自主循迹,实现了设计目标。 参考文献]( References) 1Ⅰ吴灿烽,王田苗,田佳文,等.无人救援机器人的设计与实现「.机械设计与制造,2018(5):236-239 「2]王宇一,吴智恒,刘泓滨,等.一种杋器视觉的灾后救援机器人系统设计∏J.杋械设计与制造,2017(8): 205 239-241 3」周鵬程,谈奂姿.救援机器人旳目标检测与跟踪系统硏究刂Ⅰ业控制计算机,2016,29(6:96-9 4」李志明.STM32入式系统开发实战指南M」北京:机械业出版社,2013 [5] Liu Shuang, Sun Dong. Minimizing energy consumption of wheeled mobile robots via optimal motion planning J. MechatronicS, 2014, 19(2): 401-411 [6]赵世峰,何晳健,基丁 OpenCV的复杂环境下图像二值化方法[.电子测量技术,2018(6):55-59 7曹春红,张永坚,李文辉,杂交粒子群算法在工程几何约束求解中的应用门.仪器仪表学 报,2004,25(4):397-400 8 Angeline P.. Evolutionary optimization versus particle swarm optimization: philosophy and performance differences[C]. In: Evolutionary Programming VIl, 1998: 601-610 215 [9]周创明、苏丁为,于明秋.基于直觉模糊熵的粒子群模拟退火算法J.空军工程大学学报,2018(3):88-94 [!0]王莹,曹军,张福元.基于模拟退火的改进混沌粒子群算法[冂.内蒙古工业人学学报,2017(3):173-177 [1]王瑞峰,孔维珍,占雪梅.基于杂交粒子群算法的FIR数字滤波器设计[冂.计算机工程与应用 山国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn 2012,48(20:168-172 9

...展开详情
试读 9P 论文研究-智能巡检机器人系统设计与实现 .pdf
img

关注 私信 TA的资源

上传资源赚积分,得勋章
    最新推荐
    论文研究-智能巡检机器人系统设计与实现 .pdf 41积分/C币 立即下载
    1/9
    论文研究-智能巡检机器人系统设计与实现 .pdf第1页
    论文研究-智能巡检机器人系统设计与实现 .pdf第2页
    论文研究-智能巡检机器人系统设计与实现 .pdf第3页

    试读已结束,剩余6页未读...

    41积分/C币 立即下载 >