乒乓球追踪机器人设计
课程设计
设计题目：乒乓球追踪机器人设计
系别：自控系
班级：测控本091班
学号： 2009308120
学生姓名：刘礼旭
指导教师：祝尚臻
职称：讲师
起止日期：2012 年 7 月 9 日起——2012年7月13日止
沈阳工程学院
课程设计任务书
课程设计题目：乒乓球追踪机器人设计
系别自控系班级测控本091班
学生姓名刘礼旭学号 2009308120 指导教师祝尚臻职称讲师
课程设计进行地点：实训F430 任务下达时间： 12年 7月9日
起止日期： 12年7月9日起——至12年7月13日止教研室主任吕勇军 2012年 7月 9 日批准
乒乓球追踪机器人设计
1设计目的及基本要求：
1.1设计目的
（1）了解机器人技术的基本知识以及有关电工电子学、单片机、机械设计、传感器等相关技术。
（2）初步掌握机器人的运动学原理、基于智能机器人的控制理论，并应用于所设计的机器人中。
（3）通过学习，具体掌握机器人的控制技术，并使机器人能独立执行一定的任务。
1.2基本要求
（1）要求设计一个能追踪乒乓球的机器人。
（2）要求设计机器人的行走机构，控制系统、传感器类型的选择及排列布局。（3）要求机器人具有乒乓球追踪功能，避障功能（不能撞到障碍物上）。
1.3 发挥部分
自由发挥
2对设计论文撰写内容、格式、字数的要求；
（1）课程设计论文是体现和总结课程设计成果的载体，一般不应少于3000字。
（2）学生应撰写的内容为：中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献等。课程设计论文的结构及各部分内容要求可参照《沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范》执行。应做到文理通顺，内容正确完整，书写工整，装订整齐。（3）论文要求打印，打印时按《沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范》的要求进行打印。
（4）课程设计论文装订顺序为：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献。
3时间进度安排；
顺序阶段日期计划完成内容备注
1 2012.7.9 讲解主要设计内容，学生根据任务书做出原始框图打分
2 2012.7.10 检查框图及初步原理图完成情况，讲解及纠正错误打分
3 2012.7.11 检查逻辑图并指出错误及纠正；讲解原理图绘制及报告书写打分
4 2012.7.12 继续修正逻辑图，指导原理图绘制方法，布置答辩打分
5 2012.7.13 答辩、写报告打分
2012-7-9
沈阳工程学院
机器人课程设计成绩评定表系（部）：自控系班级：测控本091班学生姓名：刘礼旭
指导教师评审意见
评价内容具体要求权重评分
加权
分
调研论证能独立查阅文献,收集资料；能制定
课程设计方案和日程安排。
0.1 5 4 3 2
工作能力态度工作态度认真，遵守纪律，出勤情况
是否良好，能够独立完成设计工作。
0.2 5432
工作量按期圆满完成规定的设计任务，工作
量饱满，难度适宜。
0.2 5432
说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严
谨合理，文字通顺，技术用语准确，
符号统一，编号齐全，图表完备，书
写工整规范。
0.5 5432
指导教师评审成绩
（加权分合计乘以12）
分加权分合计
指导教师签名：年月日
评阅教师评审意见
评价内容具体要求权重评分
加权
分
查阅文献查阅文献有一定广泛性；有综合归纳
资料的能力。
0.25432
工作
量
工作量饱满，难度适中。0.55432
说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严
谨合理，文字通顺，技术用语准确，
符号统一，编号齐全，图表完备，书
写工整规范。
0.35432
评阅教师评审成绩
（加权分合计乘以8）
分加权分合计
评阅教师签名：年月日课程设计总评成绩分
摘要
机器人是现代一种典型的光机电一体化产品，机器人学也是当今世界极为活跃的研究领域之一，它涉及计算机科学、机械学、电子学、自动控制、人工智能等多个学科。
机器人从出现到现在的短短几十年中，已经广泛应用于国民经济的各个领域，在现代工业生产中，机器人已成为人类不可或缺的好帮手；在航空航天、海底探险中，机器人更是能完成人类所难以完成的工作。随着计算机、人工智能和光机电一体化技术的迅速发展，机器人已经不仅仅局限于在工业领域的应用，它还将发展成具有人类智能的智能型机器人，具有一定的感觉思维能力和自主决策能力。
与乒乓球追踪机器人相关的还有打乒乓球机器人，其关键技术是图像处理，亦即机器视觉系统。机器视觉系统是指通过机器视觉产品将被摄取目标图像信号转变成数字化信号,然后由图像处理系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作，即机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。目前机器视觉系统是实现仪器设备的精密控制、智能化、自动化的有效途径，堪称现代工业生产的“机器眼睛”。
目前如何让机器也拥有人一样的视觉，让机器人更好地服务于人类，以及如何更好地运用机器视觉已经成为当今科学及工业运用领域的前沿技术，已经成为一门内容丰富的综合性学科。随着机器视觉技术的不断发展，未来机器视觉将在人类生活的各个方面发挥举足轻重的作用，为此发展机器视觉将具有重要的科学价值和意义。
基于机器视觉的乒乓球追踪机器人就是利用TI公司的DSP C6711开发平台和结合他人的研究成果自行设计的硬软件来构建机器视觉开发平台，来开发和运用机器视觉。
关键词机器人；乒乓球追踪；机器视觉系统；DSP
目录
课程设计任务书...................................................... I 机器人课程设计成绩评定表..................................... III 摘要............................................................... IV 1 设计任务描述 (1)
1.1设计题目 (1)
1.2设计主要内容及要求 (1)
1.2.1设计目的 (1)
1.2.2基本要求 (1)
1.2.3发挥部分 (1)
2 设计思路 (2)
2.1 机器人手臂的选择 (2)
2.2 机械手的选择 (2)
2.3 行走机构的选择 (3)
2.4 驱动形式的选择 (3)
2.5 图像采集、图像处理设备的选择 (5)
2.6 驱动控制系统设计 (5)
2.7 单片机与DSP通信 (5)
3 设计流程图 (7)
4 系统的硬件设计 (8)
4.1 硬件设计综述 (8)
4.2 图像采集、图像处理设备 (8)
4.3 追踪车的驱动模式及架构 (8)
4.4 追踪机器人的驱动控制系统设计 (9)
4.5 机器视觉系统的最终构成 (9)
4.6 单片机与DSP通信 (10)
4.7 避障部分：光电开关传感器 (11)
4.8 红外测距传感器 (11)
5 系统的软件设计 (12)
5.1 采用彩色图像处理的原因及要求 (12)
5.2 彩色图像处理流程 (12)
5.3 颜色分割 (12)
5.4 目标提取方案 (13)
5.5 快速区域参数提取算法 (14)
5.5.1算法的具体实现过程 (14)
5.5.2快速区域参数提取算法与传统的图像标签化算法的不同之处.. 15
5.5.3算法总结 (16)
5.6 目标物体方位的提取和追踪 (16)
5.6.1目标方位的提取 (16)
5.6.2追踪目标物体 (17)
5.7 拾取乒乓球 (17)
5.8 将乒乓球放入球篮 (17)
小结 (18)
致谢 (19)
参考文献 (20)
附录1 实物设计图、手臂机械手图 (21)
附录2 前后轮实际设计图 (22)
1 设计任务描述
1.1设计题目
乒乓球追踪机器人设计。
1.2设计主要内容及要求
1.2.1设计目的
（1）了解机器人技术的基本知识以及有关电工电子学、单片机、机械设计、传感器等相关技术。
（2）初步掌握机器人的运动学原理、基于智能机器人的控制理论，并应用于所设计的机器人中。
（3）通过学习，具体掌握机器人的控制技术，并使机器人能独立执行一定的任务。
1.2.2基本要求
（1）要求设计一个能追踪乒乓球的机器人。
（2）要求设计机器人的行走机构，控制系统、传感器类型的选择及排列布局。（3）要求机器人具有乒乓球追踪功能，避障功能（不能撞到障碍物上）。
1.2.3发挥部分
追踪到乒乓球后拾取乒乓球，并将乒乓球放到机器人身上的球篮里。
2 设计思路
此次课设主要是要实现乒乓球追踪机器人的设计，然而本人认为只追踪乒乓球的机器人的应用领域受到限制。因此我在乒乓球追踪机器人的基础上增加了乒乓球拾取的功能。该设计涉及机器视觉系统的设计、机器人手臂的选择、机械手的选择等等。
2.1 机器人手臂的选择
由于要使用乒乓球追踪拾取机器人的场所多为乒乓球赛场，而赛场一般比较宽敞，且地面平整，而且乒乓球形状规则，体重轻，为了设计小巧简便的乒乓球追踪拾取机器人，首先要选择合适的机械臂的运动形式。
对于直角坐标型机器臂，这种机器臂臂部由三个相互正交的移动副组成。带动腕部分别沿X、Y、Z三个坐标轴的方向作直线移动。结构简单，运动位置精度高。但所占空间较大，工作范围相对较小。在乒乓球赛场妨碍了运动员的运动，且平时放置时占地面积大。
对于关节型的机器臂，由动力型旋转关节和前、后两臂组成。关节型机器人以臂部各相邻部件的相对角位移为运动坐标。动作灵活，所占空间小，工作范围大，能在狭窄空间内饶过各种障碍物。乒乓球机器人使用场地较好，使用关节型结构复杂，不够简便。
对于极坐标型机械臂，臂部由两个转动副和一个移动副组成。产生沿手臂轴X的直线移动，绕基座轴Y的转动和绕关节轴Z的摆动。其手臂可作绕Z轴的俯仰运动，能抓取地面上的物体。通过俯仰来实现上下移动，动作不够灵活，占地面积大，工作范围小。
对于圆柱坐标型机械臂，臂部由一个转动副和两个移动副组成。相对来说，所占空间较小，工作范围较大。
综上，选择圆柱坐标型机械臂是比较合适的。它所占空间较小，工作范围较大，动作比较灵活，且结构相对简单。腰部靠电动机带动旋转，肩关节的上下移动是通过电动机转动啮合齿条来实现的，小臂的伸缩是通过气动来实现的。
2.2 机械手的选择
机械手的结构形式有夹持式和吸盘式，夹持式架构复杂，控制困难，而乒乓球的体重轻，形状规则，故使用吸盘式即可完成相应的动作，吸盘式机械手结构如图2.1所示。
当机器人要拾起乒乓球时，电动机带动真空泵转动，将机械手内的气压减小，使得乒乓球在与大气压的压差下被吸取。当机器人要放下乒乓球时，电动机反转，使得机械手内的气压增大到一定的程度，使得压差减小，产生的摩擦力小于乒乓球的重量而使乒乓球落入装球篮内，完成各个动作。
图2.1 吸盘式机械手结构
2.3 行走机构的选择
机器人的行走机构有以下几种
表2-1 行走机构
行走机构特点
轮式
最适合平地行走，不能跨越高度，不能爬楼梯。
履带式可以在有些凸凹的地面上行走，可以跨越障碍物，能
爬梯度不太高的台阶。
行走式使机器人的重心经常在接地的脚掌上，一边不断取得准静态平衡，一边稳定步行。控制复杂。
由于赛场一般比较宽敞，且地面平整，所以选择轮式行走方式是比较合适的。另外，乒乓球在比赛场分布散乱，需要机器人能够识别并追踪乒乓球，一旦乒乓球着地并被机器人检测到，机器人马上追踪并拾起乒乓球，然后放到合适的位置，为了提高效率，乒乓球机器人自身带一个装球篮，这样机器人可以拾取多个球后再运动到合适位置，由操作人员把乒乓球放到合适的位置。
2.4 驱动形式的选择
乒乓球体拾取机器人拾取的对象乒乓球体重轻，所以机器人的转动，提升以及机器人的行走可以使用电动机带动，不仅响应快，环保，而且结构简单。并且液压驱动可能会有液压油泄露，给比赛场地带来污染。对于小臂的伸缩，也可以使用齿轮齿条，小臂结构小，使用齿轮齿条会使制作更不方便，而用气动则可以
很方便的解决。最后，机器人的手部，由于拾取的乒乓球形状规则，体重轻，可以使用吸盘式的机械手，这时采用气动可以方便的实现吸盘的动作，并且气动响应快，可以提高效率。
综上，机器人的腰部转动是通过电动机带动齿轮的转动；肩关节的上下移动是通过电动机转动啮合齿条来实现的；小臂的伸缩是通过气动来实现的；手部对乒乓球的拾起，放下是通过气动来实现的。
下面分析一下机器人的行走装置的驱动方式。
乒乓球拾取机器人是轮式行走装置，为了实现拾取整个场地的乒乓球，转弯是必须的，所以该设计采用的行走形式是：两个后轮驱动，一个前轮导向。其结构如图2.2和图2.3所示。
对于后轮，电机带动齿轮1转动，齿轮1再带动齿轮2转动，齿轮2带动主轴转动，带动锥齿轮的转动使两后轮转动，机器人行走。
图2.2 后轮
对于前轮，电机带动带轮的转动，使得前轮转向，实现机器人的转向。
图2.3 前轮
2.5 图像采集、图像处理设备的选择
通过分析、比较和参考前人设计，本系统的图像采集、图像处理设备最终采用的是TI公司的DSP C6711图像处理开发平台，DSP C6711为TMS320C67xx 浮点系列DSP芯片，采用浮点数字信号处理器，支持32位浮点运算，采用2级Cache，外频为100MHZ～150MHZ，运算速度达到900MFLOPS。
2.6 驱动控制系统设计
本设计以AT89C51为核心控制元件，采用CMOS摄像头作为检测装置，通过与DSP的通信，获取乒乓球的信息并实施追踪和拾取，运用直流电机作为执行装置来调整机器人的位置，并且，小臂的伸缩是通过气动来实现的。
2.7 单片机与DSP通信
由一片DSP加上存储器、模/数转换单元和外设接口就可以构成一个完整的控制系统，但这种方案要达到高速实时控制是不可行的。因为一个实时控制系统一般需要完成数据采集、模/数转换、分析计算、数/模转换、实时过程控制以及
显示等任务，单靠一片DSP来完成这些工作势必会大大延长系统对控制对象的控制周期，从而影响整个系统的性能。所以我们添加一个CPU，负责数据采集、模/数转换、过程控制以及人机接口等任务，使DSP专注于系统控制算法的实现，充分利用它的高速数据处理能力。而DSP与单片机之间快速正确的通信是构建双CPU处理器的关键问题。
DSP与单片机之间有许多连接方式，例如利用双口RAM，或者是通过串口，但是它们都占用DSP的处理时间，在要求苛刻的场合可能会影响到系统的实时性。而HPI接口是通过DSP片内的DMA控制器来访问片内存储器的，不需要DSP 的干预。可以说，HPI接口是DSP的一个“后门”，单片机通过这个“后门”可以访问到DSP的片内存储器。只有当HPI接口和DSP同时对同一地址进行访问时，由于HPI具有访问优先权，这时DSP的执行会被延迟一个周期，而这种情况对系统实时性的影响是非常小的。因此本设计选择HPI接口来实现DSP与AT89C51单片机的通信。
3 设计流程图
HPI 接口
否
是
AT89C51 直流电机及
气动马达 调整机器人位置
追踪乒乓球
距离和方向是否 满足拾取要求
拾取乒乓球
DSP C6711
CMOS 摄像头
获取乒乓球信息
光电开关
自动避障
将乒乓球 放入装球篮
4 系统的硬件设计
4.1 硬件设计综述
基于机器视觉的追踪机器人是利用机器视觉来完成对已知目标的自主追踪。追踪机器人的系统架构如4.1图所示。
图4.1 追踪机器人的系统架构
如上图所示。追踪机器人系统包括图像采集、图像处理、特征提取和判决控制部分，因而要完成本系统的设计就要包含以下三部分的硬件设计。
（1）图像采集、图像处理硬件设计。
（2）追踪机器人的车体结构设计。
（3）追踪机器人的驱动控制系统设计。
即采用图像采集、图像处理硬件来完成图像的采集、图像的分割、目标物体的特征提取、目标物体的方位提取及发送追踪指令；由驱动控制系统来响应图像采集、图像处理硬件所发送的追踪指令，驱动追踪机器人实施追踪；而由追踪车的车体来搭载追踪机器人的所有设备和能源。
4.2 图像采集、图像处理设备
如前所述，通过分析、比较和参考前人设计，本系统的图像采集、图像处理设备最终采用的是TI公司的DSP C6711图像处理开发平台，DSP C6711为TMS320C67xx浮点系列DSP芯片，采用浮点数字信号处理器，支持32位浮点运算，采用2级Cache，外频为100MHZ～150MHZ，运算速度达到900MFLOPS。
4.3 追踪车的驱动模式及架构
如图4.2所示。追踪机器人采用的是两轮驱动模式的万向转动平台，该驱动模式具有转向灵活、低能耗、简化控制及简化设计加工等优点。
摄像头
红外测距传感器齿条
搭载DSP C6711开发平台、
驱动控制系统及电源光电开关传感器
图4.2 追踪车的整体结构
4.4 追踪机器人的驱动控制系统设计
本设计以AT89C51为核心控制元件，采用CMOS摄像头作为检测装置，通过与DSP的通信，获取乒乓球的信息并实施追踪和拾取，运用直流电机作为执行装置来调整机器人的位置，并且，小臂的伸缩是通过气动来实现的。驱动控制系统采用自主模式。自主模式用来响应DSP的指令控制，实现自主追踪。
4.5 机器视觉系统的最终构成
通过上述三部分硬件的分步设计，构成机器视觉的三大部分已经全部完成，然而在整个系统的运行过程中除了上述设备外，还要一台PC机在系统启动时加载程序。这是由于TI公司的C6711开发平台只是一个学习板，其Flash memory 只有128k，而最小的图像处理程序也有300k，显然无法烧写到Flash 里，故不能采用从ROM启动模式，因而本系统采用主机加载启动模式，即系统上电后，从PC机上将程序加载到c6711开发平台的SDRAM上，然后脱机运行。
4.6 单片机与DSP通信
HPI-8是一个8位(HD0～HD7)的连接DSP与主机设备或主处理器的并行接口。DSP与主机通过DSP的片内RAM交换数据，整个片内RAM都可以作为HPI-8的存储器。HPIA地址寄存器只能由主机直接访问，存放当前寻址的存储器的地址；HPID数据锁存器只能由主机直接访问，存放当前要写入或读出的数据；HPIC 控制寄存器可以被主机和DSP共同访问。HPI本身的硬件中断逻辑可以完成主从设备之间的握手，主机通过置HPIC中的特定位产生DSP中断，同样DSP通过nHINT 引脚对主机产生中断。HRDY引脚用于自动调节主机访问HPI的速度，使慢速外部主机与DSP能很好地匹配。HRDY由HCS使能，即当HCS为高时HRDY一直为高，而当EMUl／nOFF为低时，HDRY输出高阻。HPI连接如图4.3所示。
图4.3 单片机与DSP通信
将C51置为主机，DSP置为从机。C51的P0口和HPI的8位数据线HD0～HD7相连作为数据传输通道，P1．0～P1．3设置为输出控制HPI口的操作。其中P1．0作为读写控制选通信号连接HR／W；P1．1连接字节识别信号HBIL，控制读写数据是属于16位字的第1还是第2字节；P1．2和P1．3分别连接HCNTL0和HCNTLl，以实现对HPIC、HPIA和HPID寄存器的访问；nRD和nWR连接nHDSl和nHDS2作为数据选通信号来锁存有效的HCNTLO／1、HBIL和HR／W信号。nINTl作为输入，与HPI口的主机中断信号nHINT相连。nHCS一直接地，而nHAS口和ALE口相连
接，在HCNTL0／I、HBIL和HR／W信号有效之后，设置nHDSl为低电平，则实现了读写的数据选通，从而完成C51对DSP HPI口的读写操作。在数据交换过程中，C51向HPI发送数据时，通过置DSP的HPI控制寄存器HPIC中的DSPINT位为l 来中断DSP。C51接收来自HPI的数据时通过查询方式，当DSP准备发送数据时，置nHINT信号为低；C51查询到nlNTl为低时，调用接收数据子程序来实现数据的接收。
考虑到DSP是采用3．3 V供电，C51采用5 V供电。两者之间存在信号电平的差异而不能直接相连，应互连接口隔离器件。
4.7 避障部分：光电开关传感器
光电开关可以检测距离20cm左右的障碍物，当检测到障碍物时，其信号输出端（SIG引脚）会输出低电平，否则会输出高电平。因此，可以利用控制器的输入/输出端子来检测这个信号并调整机器人的位置，达到自动避障的目的。在机器人前部放置两个光电开关，通过两个光电开关返回的值进行处理，判断是向左移还是向右移。光电开关传感器的安装位置如图4.2所示。
4.8 红外测距传感器
当DSP识别出乒乓球以后，机器人通过红外测距传感器感知乒乓球，检测乒乓球的具体位置，将乒乓球的位置信息反馈到单片机中，以便调整手臂和机械手到最佳位置，直到将乒乓球拾取。本机器人采用PSD传感器，其有效测距范围为10 cm～80 cm。并具有方向性强，不受干扰，操作简单，价格便宜等特性。该传感器采用三角测量的原理，红外发光二极管发出红外线光束，当红外光束遇到前方的乒乓球时，一部分反射回来，通过透镜聚焦到后面的线性耦合器件CCD 上，根据红外光线在CCD上聚焦的位置，可知道光线的反射角，进一步折算出物体的距离。由于PSD传感器输出电压和实际距离是非线性关系，可以通过线性插值运算得出其转换近似公式。红外测距传感器的安装位置如图4.2所示。
5 系统的软件设计
5.1 采用彩色图像处理的原因及要求
由于彩色系统拥有6700万种颜色，所以可以更好的表现实际存在的各种物体，并且能够提供更多的物体信息。同时由于彩色图像处理所涉及的颜色信息是在图像检索中使用最广泛的底层特征，它和图像中的物体和场景有着紧密联系，与其他底层特征相比，颜色特征对于图像缩放、旋转、遮挡及其他形变有着更强的鲁棒性。也就是说采用彩色图像处理将更易于实现非严格定义背景下的自主追踪。
本系统的彩色图像处理目的就是通过颜色分割、提取目标物体、确定目标躯体的方位、实现追踪，通过采用彩色图像处理来减少追踪机器人对追踪背景的要求。但由于彩色图像的数据量比较大，为了满足系统的实时性要求，必须运用或者自行开发运行效率更高的算法，来提高算法的执行效率，缩短执行时间。
5.2 彩色图像处理流程
本系统的彩色图像处理流程如图5.1所示。
图5.1 彩色图像处理流程
5.3 颜色分割
对图像分割是按照具体的运用要求和具体图像的内容将图像分割成一块块区域,目的就是理解图像的内容，提取出我们感兴趣的对象，图像分割是模式识别和图像分析的预处理阶段。
在本系统中的图像分割方法是采用聚类分割方法，其假设是图像中组成我们所感兴趣的对象的象素具有相同的颜色。
本系统所追踪的目标物体为已知的橙红色乒乓球，系统利用相关性较低的YCrCb颜色模型来进行颜色分割，利用Y值来去除背景中的暗红色干扰。而用Cb值来去除背景中大部分的蓝色背景，再通过Cr来提取目标物体。图5.2和图5.3是引用前人所做的实验结果。
图5.2 彩色图像处理的背景图
图5.3 彩色分割结果
5.4 目标提取方案
通过上述的颜色分割后，图像中会出现一系列的图像噪声，为了消除噪声对后期图像处理的影响，本系统采用类膨胀收缩算法来除去大部分的背景干扰，尽管如此，还有成块的背景干扰存在，如果不加以除去，提取的目标方位将产生严重偏差。同时除了上述的噪声外，由于光照的不均匀和背景的不确定，将造成图像在经颜色分割时有一部分的图像将被分离掉并在图像内部出现空洞和断层。如图5.4所示。即分割的效果将随着光源及背景的改变而改变。