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1、摘要 摘 要本文设计了基于数字图像处理和远程控制的智能环保卫士机器人白色垃圾拾取系统。设计了基于数字图像处理技术的智能白色垃圾识别系统，采用CMOS数字图像传感器识别白色垃圾；采用以太网通信技术同Internet联网，实现双向互通；设计了斩波恒流细分步进电机驱动方案，驱动机器人拾取和回收目标垃圾；软件上采取了模糊PID算法，实现灵活的机器人控制；设计了最优化的垃圾搜寻路线确定算法，使机器人高效快捷地寻找目标垃圾。系统采用数字图像处理技术对白色垃圾图像进行识别，运用模糊PID算法的舵机系统控制电机驱动部分，采用步进电机对目标垃圾进行拾取和回收，同时，根据服务性机器人的特点及需求，采用无线以太网接
2、入Internet网，对机器人进行智能远程操控。基本完成了环保卫士机器人的车体和电路部分，实现了白色垃圾的识别、拾取和回收功能。基于数字图像处理技术结合以太网通信技术的环保机器人代替手动人力清扫白色垃圾的方案是可行的。关键词：以太网通信；PID模糊算法；图像采集；环保机器人Abstract This article is designed based on digital image processing, intelligent robots instead of manual cleaning of human waste in public places of the white sys
3、tem. Identification based on digital camera technology to identify the white trash, after identification by servo control to pick up on garbage and recycling targets and, based on the characteristics of service robots and demand, not through the operation of the hardware design to realize The Intern
4、et connection and intelligent control. The system uses image recognition technology, and special images of white trash image recognition algorithm; with Ethernet networking technology with the Internet, and wireless intelligent robot control; fuzzy PID algorithm designed out precision, stability of
5、the rudder machine control system. The test and data analysis, the identification process of the white trash, white trash on the identification of more accurate to meet the needs of ordinary people; and in trials, intelligent robot work environment fast response, you can achieve clean and efficient
6、environment. Based on the digital camera recognition technology to identify the white trash, Ethernet communication technology control the environmental robot system is feasible.Keywords: Ethernet; PID Fuzzy algorithm; Image Acquisition Environmental RobotsI目录目 录摘 要I目 录I第一章绪论11.1本系统设计的意义11.2 环保机器人我国
7、的发展前景11.3国内外技术水平比较分析21.4 环保机器人在我国发展趋势21.5论文结构3第二章环保机器人系统分析以及硬件设42.1系统功能42.2系统组成42.3系统介绍62.3.1主控器模块72.3.2图像采集模块72.3.3通信模块112.3.4电机模块152.3.5舵机模块162.3.6电源模块18第三章系统软件设计203.1系统软件工作流程203.1.1 HCS12X（图像采集及处理）工作流程203.1.2 XGATE（电机控制及以太网通信）工作流程233.2 系统软件实现及算法分析243.2.1 图像采集系统及数据处理243.2.2 提高系统的工作速率27第四章试验及数据分析28
8、4.1 模糊PID控制在电机中的试验284.2 以太网通信试验数据294.2.1站点数目( N) 对通信延迟的影响294.2.2通信速率对通信延迟的影响304.2.3 改善以太网实时特性314.3数据结果分析32结 束 语33参考文献I致 谢II第一章 绪论1.1本系统设计的意义本系统设计出了一个能在特定场所，按高效的路径进行搜索，实现预定垃圾搜索识别，然后拾取目标垃圾的环保智能小车。实现智能机器人代替手动人力来对街道、公园等大中小型平面场所的白色垃圾的清洁环保工作。1.2 环保机器人我国的发展前景目前市场上销售的保洁机器人有北京利而浦电器有限责任公司的福玛特保洁机器人、浙江海星电子科技有限公
9、司的HA C-2智能吸尘器、深圳银星智能电器有限公司的kv8家用清洁机器人、台湾公司的QQ-2保洁机器人、上海罗宝公司的罗宝智能吸尘器机器人等。服务机器人在家庭中的应用是其发展的一个重要方向，势必涉及到智能传感器单元的应用、通信协议接口、无线通信网络等技术，这也是服务机器人技术在广义上的应用，并有可能带动服务机器人在家用领域的产业应用。国内，以海尔和联想牵头成立的网络家电组织都推出了其实施应用的标准和规范，如海尔集团、清华同方、中国网通等发起组建了家庭网络标准产业联盟e家佳(IT on Home)，并由海尔集团推出了“卡萨帝”(Casarte)品牌的UHome网络家电产品。环保机器人是现今科技
10、应用领域的朝阳产业，在未来的服务性机器人发展领域中前景广阔，有待进一步大力推广和实现。1.3国内外技术水平比较分析 根据WTEC评估结果，环保机器人室外导航、机器人体系结构( 控制、机构和计算的集成)、以及部分服务和个人机器人领域，美国始终保持领先地位：日本和韩国在机器人移动技术、人形机器人和部分服务和个人机器人( 包括娱乐) 领域处于领先位置。欧洲在结构化环境的移动技术， 包括城市交通领域保持领先。欧洲还在助老和家庭服务机器人领域资助了重大计划。澳大利亚在定位和导航的理论和应用方面具有优势。我国学术界和企业界在863计划和国家自然科学基金等项目的支持下，先后针对上述技术进行攻关，并取得大量研
11、究成果。但值得指出的是，上述研究成果大都停留在理论研究层面，并没有将研究成果在产品技术上体现出来。从成果应用上看，我国的服务机器人主要以吸尘器机器人和教育平台为主。1.4 环保机器人在我国发展趋势纵观国内外服务机器人的发展，可以发现服务机器人在我国具有广阔的市场空间。首先是老龄化社会和残疾人服务对服务机器人的市场需求。目前我国60岁以上人口已超过总人口的10%，预计到2015年国老年人口总数将达到2亿人，人口的老龄化问题将成为中国面临的前所未有的新挑战；此外，我国残疾人占总人口比重位居全世界较高国家之列。可以预计，在不远的将来，老年人和残疾人的护理将成为社会的一个重要负担 需要一大批护理机器人
12、提供诸如取物、喂饭、翻书等服务，帮助、照顾老年人和残疾人的日常生活，提高他们的生活质量，从而减少社会对护理人员的数量和要求。其次当前，随着城市化的现象日益加剧，城市面积日益加大，相应的城市环卫工作量随城市的发展而日益增大。在公共场所，特别是在公园里人流量较大，对清洁程度要求较高的场所，不仅需要定时清洁，而且要求随时巡逻，清洁少量白色垃圾。本作品研发旨在设计一个能代替环卫工人完成公共场所的巡逻任务并清理垃圾的智能环保机器人，以保持巡逻场所随时保持一个清洁的环境，提高环境清洁效率，同时减少社会清洁员的数量和工作量，节省人力，从而提高现今人群生活的舒适度，以及同自然环境保持一个和谐的关系。1.5论文
13、结构本文阐述以以太网为通信，基于数字摄像头识别的环保卫士机器人的系统设计。系统采用图像识别技术以及特殊图像算法对白色垃圾图像识别，以太网通信技术同Internet联网，并对机器人进行无线智能控制。采用模糊PID算法设计了搞精度，稳定性的舵机控制系统，系统地从理论分析到硬件设计，给出了相应具体的设计方案和模拟仿真。3第二章 环保机器人系统分析以及硬件设2.1系统功能本课题的目标是设计一个能实现在特定平面场所，按高效的搜索路径进行搜索，实现垃圾搜索识别，然后拾取目标的环保智能小车，研究内容大致包括以下三个方面：（1）目标识别：即垃圾的识别，需要在确定背景环境下识别满足要求的目标。此为执行拾取回收的
14、前提条件。（2）目标拾取与回收：在识别出目标之后，需要跟踪目标并拾取。（3）定位与规划搜索路径：对一定区域内的巡逻，需要定位小车的当前位置，并决定如何高效的搜索完该区域。 2.2系统组成本系统选用FREESCALE公司的16位双核微控制器MC9S12XEP100作为主控芯片，选用数字CMOS图像传感器OV6620获取环境信息。微控制器内置两块处理器芯片，分别是S12X处理器和XGATE处理器。S12X处理器负责完成采集摄图像，获取环境信息，根据白色垃圾特征，进行特征匹配等工作，以完成自动垃圾识别。XGATE处理器完成车的移动控制、拾取垃圾机构控制以及通信任务，控制系统框图如图2-1所示。垃圾拾
15、取机构的设计基于模糊PID算法控制舵机驱动并完成垃圾回收，采用步进电机驱动小车移动，以方便定位，机构俯视简图如图2-2所示。 图2-1 系统框图 图2-2 环保卫士机器人的俯视图2.3系统介绍本系统依次通过六个模块进行介绍，分别是主控器模块、图像采集模块、通信模块、电机驱动模块、舵机模块以及电源模块。总体硬件电路图如图2-3所示。 图2-3 系统总体硬件电路图 2.3.1主控器模块本系统以MC9S12XEP100为核心控制器的控制板原理图，从而协调控制各个模块之间的工作，如图2-4是主控芯片电路原理图。图2-4主控器原理2.3.2图像采集模块本系统采用图像传感器对图像信号进行采集，其图像传感器的原理是利用光电器件的光电转换功能，将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的“图像”电信号的一种功能器件。图像传感器的两大主流是CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体元件)和CCD(ChargedCoupled Device电荷耦合元件)。CMOS图像
