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基于OMAP平台蛇形机器人控制系统设计及复杂环境下视觉导航的研究

作　者: 朱红山
导　师: 魏武
学　校: 华南理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 蛇形机器人 OMAP3530平台 CAN总线 Linux OpenCV 视觉导航 Webots
分类号: TP242.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,传统的轮式机器人,由于自身结构的限制,不能适应沙漠,池塘,森林等复杂的环境,而蛇形机器人很容易适应这样的环境,它不仅具有灵活性高,横截面小的特点,还具有多关节、多自由度,多种运动方式特性,使它能在许多领域具有广泛的应用前景,如在星际探索、抢险救灾、军事等领域,可以代替人做一些危险的工作,不仅使人们更安全,也使探测、救援更高效。国内外对蛇形机器人的控制系统多采用单片机实现,不仅处理速度慢,没有操作系统管理,很难完成视频采集,处理,传输,而且采用的RS232串行通信速率低。针对蛇形机器人控制系统的薄弱环节,本文提出了一种基于OMAP3530处理器及嵌入式Linux操作系统,采用CAN总线,WLAN通信的蛇形机器人控制系统方案,不但提高了系统的处理速度,而且能完成视频采集,处理,传输等。本课题硬件上设计以OMAP3530作为主控制器,以Atmega162为从控制器的蛇形机器人控制系统,利用CAN总线,WLAN实现了多级分布式通信;软件上,实现了U-boot、Linux内核、根文件系统的移植,开发移植了摄像头和无线网卡驱动程序,完成视觉传感器的数据采集、视频的无线传输、处理,并在此基础上,利用开源机器视觉库OpenCV,实现对障碍物的识别、定位,改变蛇形机器人的步态,进而实现安全避障,完成在复杂环境下的视觉导航。本文的特色是:1、基于OMAP3530和传感器系统硬件平台的嵌入式软件设计,把相应的软件移植到OMAP平台上,利用ARM核完成蛇形机器人步态控制,DSP核实现图像的采集处理,结合DSP/LINK完成双核间的通信,充分发挥了ARM核和DSP核各自的优点,而且可实现多任务调度,提高了系统的运行效率。2、提出分布式多级控制,每级完成的不同的任务,蛇形机器人控制规律在从控制器中实现,主控制器只发送控制规律参数、视频采集、传感器数据融合等任务,缓解了主控制器的压力,增强了系统的实时性。3、移植开源机器视觉库的算法到OMAP平台,利用成熟的算法,提高了图像采集处理的效率,增强了系统的快速性。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-17
  1.1 课题研究背景及意义  11
  1.2 国内外蛇形机器人研究现状  11-15
    1.2.1 国外研究现状  12-14
    1.2.2 国内研究现状  14-15
  1.3 本文的研究内容及结构安排  15-17
第二章蛇形机器人系统总体设计方案  17-25
  2.1 机械结构方案介绍  17-19
    2.1.1 蛇形机器人本体结构  17-18
    2.1.2 蛇形机器人的执行机构选型  18-19
  2.2 系统硬件平台的方案选型  19-21
  2.3 软件系统平台的方案选择  21-24
  2.4 本章小结  24-25
第三章蛇形机器人控制系统硬件设计  25-40
  3.1 蛇形机器人控制系统框架  25-27
  3.2 主控制器模块  27-30
    3.2.1 主控制器处理器简介  27-28
    3.2.2 OMAP3530 硬件开发平台  28-29
    3.2.3 电源管理芯片TPS65930  29-30
  3.3 从控制器模块  30-32
    3.3.1 从控制器控制系统方案  30
    3.3.2 Atmega162 简介  30-32
    3.3.3 从控制器原理图  32
  3.4 传感器模块  32-34
    3.4.1 超声波传感器  32-33
    3.4.2 视觉传感器  33-34
  3.5 多处理器分布式控制系统通信  34-39
    3.5.1 CAN总线  34-37
    3.5.2 无线局域网  37-39
  3.6 本章小结  39-40
第四章蛇形机器人系统软件设计  40-65
  4.1 蛇形机器人系统软件框架  40-41
  4.2 嵌入式Linux开发环境搭建  41-46
    4.2.1 配置交叉编译工具  42
    4.2.2 超级终端和minicom配置  42-43
    4.2.3 TFTP服务  43-44
    4.2.4 NFS服务  44-46
  4.3 嵌入式Linux系统软件移植  46-52
    4.3.1 X-Loader移植  46-47
    4.3.2 U-boot移植  47-48
    4.3.3 Linux 2.6 内核移植  48-50
    4.3.4 根文件系统制作  50-52
  4.4 嵌入式Linux驱动开发及移植  52-57
    4.4.1 Linux设备驱动程序简介  52
    4.4.2 嵌入式Linux驱动程序的框架  52-53
    4.4.3 Linux驱动程序装载及卸载  53
    4.4.4 主要模块驱动开发及移植  53-57
  4.5 视频的采集及无线传输软件实现流程  57-59
    4.5.1 视频采集软件流程  57-58
    4.5.2 无线路由传输软件实现流程  58-59
  4.6 DSP核开发  59-62
    4.6.1 常用开发方法  59-62
    4.6.2 双核通信  62
  4.7 机器视觉OpenCV库移植  62-64
    4.7.1 OpenCV简介  62-63
    4.7.2 移植OpenCV库  63-64
  4.8 本章小结  64-65
第五章复杂环境下的视觉导航  65-75
  5.1 障碍物的检测  65-67
    5.1.1 彩色图像转灰度图像  66
    5.1.2 障碍物边缘检测  66-67
  5.2 障碍物测距  67-71
    5.2.1 摄像机针孔模型  67-69
    5.2.2 单目视觉测距原理  69-71
  5.3 蛇形机器人蜿蜒运动  71-73
    5.3.1 蜿蜒运动曲线  72
    5.3.2 蛇形机器人蜿蜒运动控制规律  72-73
  5.4 蛇形机器人运动控制  73-74
    5.4.1 信息融合  73-74
    5.4.2 避障策略  74
  5.5 本章小结  74-75
第六章仿真实验  75-79
  6.1 蛇形机器人在Webots软件中仿真  75-77
    6.1.1 蛇形机器人在Webots环境中的构架  75-76
    6.1.2 蛇形机器人视觉导航仿真  76-77
  6.2 本章小结  77-79
总结与展望  79-81
参考文献  81-84
附录  84-85
攻读硕士学位期间取得的研究成果  85-86
致谢  86

基于OMAP平台蛇形机器人控制系统设计及复杂环境下视觉导航的研究

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