基于AI視覺的人形機器人設(shè)計

第1章緒論1.1研究目的及意義自上世紀(jì)五十年代以來，機器與人力在工業(yè)中得到了應(yīng)用。機器與人的結(jié)合，極大地提高了生產(chǎn)力，并使人類的生活發(fā)生了翻天覆地的變化。由于“機器人”能夠取代“人類”，從事一切“沉重”“危險”的工作，所以，“機器人”已經(jīng)開始在航空航天，海洋工程，化工工程，安全工程，以及第三工業(yè)中使用?！霸诳梢浴鳖A(yù)測的“今后的”歲月中，“機器人”仍將是“工作、旅行和生活中最強大的幫手”。屬于機器人家族中的一個重要分支，它的最大特點是外表的擬人，能夠完成類似人的走路和多種人類的動作，它可以替代人類完成各項工作，而且與日常生活中經(jīng)常見到的輪式和履帶式的機器人比較起來，它擁有著功耗低，對環(huán)境適應(yīng)性強，活動空間大，占據(jù)面積小等明顯的優(yōu)點。就像2014年，巴西對陣克羅地亞時，一名巴西的半身癱瘓青年借助來自各國的“人造外部骨骼”學(xué)習(xí)站立行走，并打入了第一個世界杯賽。。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀當(dāng)前國內(nèi)外對于人形機器人的研究都有著不同方面的突破，類人足球機器人比賽是近些年研究課題的一個熱點，它與智能控制、模式識別、信號處理、傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)等領(lǐng)域密切相關(guān)。2022年，胡徐勝、李賽紅、陶彬彬在《基于STM32的循跡足球機器人設(shè)計》文中談到當(dāng)前視覺大體上可以分為生物視覺和機器視覺。生物視覺是指地球上的生物用眼睛來觀測事物的波長，由大腦皮層做視覺處理，獲取事物信息。與之類似，將人類用眼睛觀測事物由大腦處理的過程改用圖像傳感器采集，經(jīng)由計算機處理，實現(xiàn)對事物的認(rèn)知和理解，該過程稱為機器視覺[1]。2019年，趙爽在《小型足球機器人的模塊化設(shè)計與運動控制研究》文中講到，足球機器人首先通過圖像傳感器檢測路面上的白線，將檢測到的路面信息發(fā)生給微處理器，微處理器將圖像傳感器檢測到的路面信息經(jīng)過分處理、分析和決策，最后得出PID參數(shù)來控制電機轉(zhuǎn)速，確定足球機器人的方向以及接下來的行駛路線[2]。2022年，殷晶晶在《RoboCup類人足球機器人智能控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)》文中介紹了機器視覺的發(fā)展仍處于起步階段，機器視覺產(chǎn)品的應(yīng)用也多集中于低端產(chǎn)品，且多數(shù)需要從臺灣和國外進口。但是隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，基礎(chǔ)配套設(shè)施不斷完善[3]。2020年，CuiQinWu、YinFengWu在《ResearchandDesignofCentralizedMicroSoccerRobot'sDecision-MakingSystem》文章中講到機器人與外界溝通的方式是借助各種各樣的傳感器，而視覺傳感器就是機器人的眼睛，可以幫助機器人獲取外部環(huán)境的信息，從而提高機器人對外部環(huán)境的適應(yīng)能力，最終達到在沒有人類參與和協(xié)助的情況下，模仿或代替人類的行為[16]。2019年，Pamungkas,RizkiAdhi、Maulana,Arbayu在《WiFiDataCommunicationSystemDesignforWheeledSoccerRobotController》文中講到為了進一步確定循跡足球機器人系統(tǒng)是否可行，在實驗室構(gòu)建了這個循跡足球機器人，足球機器人使用的主要模塊包括藍牙模塊、電機驅(qū)動模塊和OV7670圖像傳感器模塊[17]。2021年，XiaoGuangLi、LiKang在《ResearchontheOptimalDesignofSoccerRobotBasedontheMechanicalAnalysis》文中談?wù)摰紸lanMackworth是加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的教授，他最早提出讓機器人之間進行足球比賽的構(gòu)想。機器人足球比賽作為一項機器人之間的復(fù)雜的高科技對弈項目，是檢驗機器人性能的實驗平臺，吸引著眾多的科研工作者孜孜不倦的投身其中[18]。綜上所述，隨著我國制造業(yè)的持續(xù)高速發(fā)展，對高集成度的半導(dǎo)體芯片的需求將越來越大，隨著機器視覺技術(shù)的不斷深入，與之配套的產(chǎn)品將越來越多，從低端向高端轉(zhuǎn)變。雖然我們正在慢慢地進步，但對于智能汽車的研究顯得尤為關(guān)鍵。在每一次競賽中，都有智能化小車的身影，因此，對此課題的學(xué)習(xí)也是十分關(guān)注的。這一點很重要。以此為依據(jù)，我的老師們才能勝任。該問題屬于問題范疇，屬于與科學(xué)研究相關(guān)的技術(shù)層次的綜合問題。該設(shè)計可以準(zhǔn)確地展示行駛速度的小車，具有自動尋軌、避障等特殊的功能，可以對小車的速度進行有效的控制，并且可以實現(xiàn)準(zhǔn)確的定點停車。該項目涉及到了一些技術(shù)方面的研究，通過對項目的研究，能夠有效地完成任務(wù)。。1.3主要研究內(nèi)容基于此，本課題擬開展一批基于AI視覺的類人機器人研究。論文從總體上介紹了整個足球機器人的組成與總體結(jié)構(gòu)，然后詳細(xì)討論了基于該部分的足球機器人的小車控制系統(tǒng)的硬件部分，并詳細(xì)介紹了小車控制系統(tǒng)中的五個主要部分：徽控制系統(tǒng)、電機與電機驅(qū)動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速探測系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、電源系統(tǒng)。本文在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，分析了國內(nèi)外在這方面的發(fā)展現(xiàn)狀，提出一種基于復(fù)合可編程邏輯器件的系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，它可以對兩個正交脈沖進行鑒相、四倍頻以及對兩個正交脈沖進行計數(shù)。將該方法用于電機速度的控制，便于實現(xiàn)更為精確、更為高級的控制算法，發(fā)揮出更大的效能。實驗結(jié)果證明，這種方法可以提高機器人的操作準(zhǔn)確度和柔軟性。。第2章系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)2.1設(shè)計方案論文首先介紹了整個機器人足球系統(tǒng)的組成和總體結(jié)構(gòu)然后詳細(xì)的論述了基于的足球機器人小車控制器的硬件設(shè)計方案，對小車的徽控制器、電機和電機驅(qū)動、速度檢測、通訊單元和電源五個部分進行了全面的描述。在對國內(nèi)外足球機器人小車開發(fā)現(xiàn)狀的廣泛調(diào)研基礎(chǔ)上，提出了一種基于和復(fù)雜可編程邏輯器件的硬件基本框架，器件完成兩路正交脈沖的鑒相、四倍頻和計數(shù)的方案。這樣將的主要用于電機的速度控制，以便于實現(xiàn)高級復(fù)雜的控制算法，充分發(fā)揮的作用。圖2-1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖2.2技術(shù)路線（1）硬件部分需要單片機K210、傳感器、舵機、藍牙遠程APP模塊；（2）軟件平臺程序用keil5；（3）畫原理圖用AD；（4）編程語言用C語言；（5）用戶信息顯示查看；2.3單片機型號選擇endryteK210是64位單核處理器，由臺積電28納米制程制造，具有較小的能耗，較高的穩(wěn)定度和較高的性能。本項目所設(shè)計的芯片不僅適用于人工智能領(lǐng)域，而且適用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。Kendryte其中文意為“勘智”，意為“勘智”，意為“勘智”，其主要應(yīng)用領(lǐng)域為物聯(lián)網(wǎng)，故名“勘智”。這款芯片的作用，主要就是解決人工智能問題，還有一個名字叫做“探智”。就像是一臺機器。有機械聽覺的。在低功耗下提高了視覺處理的精確度。本項目擬開發(fā)一款新型卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件加速器KPU，在-40℃-125℃下，實現(xiàn)TSMC28nm先進工藝，并能在-40℃-125℃下穩(wěn)定可靠地工作。支持固件加密功能，獨特的可編程輸入輸出陣列難以攻破，為產(chǎn)品設(shè)計提供了更大的靈活性。具有比同等運算容量的系統(tǒng)低得多的電壓。支持3.3V/1.8V，無需轉(zhuǎn)換等級，節(jié)約成本。圖2-1K210單片機最小系統(tǒng)原理圖第3章系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計3.1系統(tǒng)總體設(shè)計本課題設(shè)計了一套基于AI視覺的人形機器人設(shè)計。論文首先介紹了整個機器人足球系統(tǒng)的組成和總體結(jié)構(gòu)然后詳細(xì)的論述了基于的足球機器人小車控制器的硬件設(shè)計方案，對小車的徽控制器、電機和電機驅(qū)動、速度檢測、通訊單元和電源五個部分進行了全面的描述。圖3-1總體原理圖3.2系統(tǒng)的主要功能模塊設(shè)計3.2.1LCD顯示屏模塊設(shè)計\o""液晶顯示器，或稱LCD（LiquidCrystalDisplay），\o""是一種極細(xì)的平板，包含了一定量的彩色像素或黑白像素，放置在一個光源前面或前面。LCD只需很小的電量，這一點是很受工程師歡迎的，因為它可以作為后備電池使用。它的基本原理就是通過電流來激發(fā)液晶分子，使其在屏幕上呈現(xiàn)出點、線、面的形狀，從而使背景照明系統(tǒng)在屏幕上顯示出來。盡管不同的商品種類、不同的工作原理，但LCD與CRT都有一個相同的追求，那就是獲得優(yōu)良的顯示性能。結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品體積：常規(guī)的CRT型顯示器，一定要通過發(fā)射到屏幕，所以它的管不能過長，如果屏幕放大，就一定要擴大體積。T則是利用顯示屏上的電子板，來對其進行變化，從而實現(xiàn)顯示。雖然屏幕放大了，但是它只需要將水平面積增大就可以了，但是其體積并不會有很大的增加，反而要比器更輕。與此同時，TFT因為功耗只被用在板和驅(qū)動IC上，所以消耗的電能比較少。輻射和傳統(tǒng)的顯示器由于采用電子槍發(fā)射電子束打到屏幕產(chǎn)生。雖然有一些先進的技術(shù)可將輻射降到最小，但仍然不能完全根除。TFT液晶顯示器則不必?fù)?dān)心這一點。至于波的干擾，TFT液晶顯示器只有來自\t"/item/LCD%E6%B6%B2%E6%99%B6??%E6%98%BE%E7%A4%BA%E5%99%A8/_blank"驅(qū)動電路的少量電磁波，只要將外殼嚴(yán)格密封就可使電磁波不外泄，而CRT顯示器為了散熱不得不在機體上打出散熱孔，所以必定會產(chǎn)生電磁干擾。屏幕平坦度和分辨率：TFT液晶一開始就采用純平面的璃板，所以平坦度要比大多數(shù)CRT顯示器好得多，當(dāng)然有了純平面的CRT彩顯。在分辨率上，TFT卻遠不如CRT顯示器，雖然從理論上講它可提供更高的分辨率，但事實卻不是這樣。顯示效果：傳統(tǒng)CRT顯示器是通過電子槍打擊因而顯示的度比液晶的透光式顯示要好得多，在角度上CRT也要比TFT好一些，在顯示反映速度上，CRT與TFT相差無幾。液晶的物理特性是：當(dāng)通電時導(dǎo)通，排列變的有秩序，使光線容易通過；不通電時排列混亂，阻止光線通過。讓液晶如閘門般地阻隔或讓光線穿透。從技術(shù)上簡單地說，包含了兩片相當(dāng)精致的無鈉玻璃素材，稱為Substrates，中間夾著一層液晶。當(dāng)光束通過這層液晶時，液晶本身會排排站立或扭轉(zhuǎn)呈不規(guī)則狀，因而阻隔或使光束順利通過。大多數(shù)液晶都屬于有機復(fù)合物，由長棒狀的分子構(gòu)成。在狀態(tài)下，這些棒狀分子的長軸大致平行。將液晶倒入一個經(jīng)精良加工的開槽平面，液晶分子會順著槽排列，所以假如那些槽非常平行，則各分子也是完全平行的。LCD技術(shù)是把液晶灌入兩個列有細(xì)槽的平面之間。這兩個平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是說，若一個平面上的分子南北向排列，則另一平面上的分子?xùn)|西向排列，而位于兩個平面之間的分子被強迫進入一種90度扭轉(zhuǎn)的狀態(tài)。由于光線順著分子的排列方向傳播，所以光線經(jīng)過液晶時也被扭轉(zhuǎn)90度。但當(dāng)液晶上加一個電壓時，分子便會重新排列，使光線能直射出去，而不發(fā)生任何扭轉(zhuǎn)。LCD是依賴極化(片)和光線本身。自然光線是朝四面八方隨機發(fā)散的。極化濾光器實際是一系列越來越細(xì)的行線。這些線形成一張網(wǎng)，阻斷不與這些線平行的所有光線。極化濾光器的線正好與第一個垂直，所以能完全阻斷那些已經(jīng)極化的光線。只有兩個濾光器的線完全平行，或者光線本身已扭轉(zhuǎn)到與第二個極化濾光器相匹配，光線才得以穿透?？偨Y(jié)下來LED液晶的優(yōu)點：LED液晶電視有省電、環(huán)保、色彩更真實的優(yōu)勢，為了創(chuàng)造更優(yōu)質(zhì)畫面構(gòu)造，新技術(shù)采用了用獨有TFT型Active素子進行驅(qū)動。圖3-2LCD顯示屏原理圖3.2.2舵機模塊設(shè)計PWM(PulseWidthModulation)，英文名稱為PWM(PulseWidthModulation)，簡稱為PWM(PWM)，即利用一組脈沖的長度，將其等效為所需的波形（包括波形和振幅），來實現(xiàn)對模擬信號的數(shù)字化編碼，即調(diào)整占空比對信號和能量的改變，即在一個循環(huán)中，信號在高電平的時刻所占的比例，比如方波的占空比對為50%。通過給伺服機發(fā)出一個控制訊號，伺服機的輸出軸會轉(zhuǎn)動到指定的位置。在此過程中，如果所需的控制訊號是恒定的，則該伺服系統(tǒng)將維持所需的轉(zhuǎn)動角和位置。當(dāng)輸入信號改變時，則需要改變輸出軸的位置。在現(xiàn)實生活中，轉(zhuǎn)向機構(gòu)經(jīng)常應(yīng)用于飛機、汽車和機器人等領(lǐng)域。轉(zhuǎn)向器在機械臂的應(yīng)用中是很重要的。由于操縱桿本身就有內(nèi)部的控制回路，所以操縱桿的體積不大，輸出功率也足夠大。標(biāo)準(zhǔn)方向盤，如福塔巴S-148，可輸出0.3?！っ椎霓D(zhuǎn)矩，就其體積而言，這個功率相當(dāng)可觀。而轉(zhuǎn)向器的能耗則與其所承載的負(fù)載呈線性關(guān)系。所以，一個輕便的操縱器系統(tǒng)所需的能源并不多。在操縱臺的內(nèi)部，操縱臺的控制線路、電位儀（變阻器）及馬達都與一塊電路板相連，見右側(cè)的內(nèi)部構(gòu)造圖。在控制回路中，可以利用電位傳感器對操縱器的轉(zhuǎn)角進行監(jiān)測。若主軸的位置符合指令，則馬達停止運轉(zhuǎn)。若控制回路發(fā)覺此角不對，則將使電機旋轉(zhuǎn)至設(shè)定的角為止。轉(zhuǎn)向器的角度隨廠家而變化。例如，180°的操縱器，能夠在0°到180°的范圍內(nèi)移動。因為限制器是固定在主要的輸出器上的，超過此限制后，機構(gòu)將不再旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)向器能提供與其所需旋轉(zhuǎn)的長度直接相關(guān)的動力。當(dāng)輸出軸要旋轉(zhuǎn)一段很遠時，電機將處于最大轉(zhuǎn)速，而當(dāng)電機僅旋轉(zhuǎn)一段很短時，電機將處于低速狀態(tài)，也就是所謂的轉(zhuǎn)速成正比。采用了控制線路進行轉(zhuǎn)角控制。該角度取決于一個被稱為PulseCodingModulation(PulseCodingModulation，簡稱為PulseCodingModulation）的寬度。執(zhí)行器的工作通常要求時間周期為20ms，高電平段在0.5ms-2.5ms之間，時間周期為2ms。脈沖的寬度將確定電機旋轉(zhuǎn)的范圍。比如：在1.5ms的時間內(nèi)，電動機會發(fā)生90度的偏轉(zhuǎn)（一般稱之為中性偏轉(zhuǎn)，180度操縱器則是90度偏轉(zhuǎn)）。若脈寬在1.5ms以下，則馬達的軸線指向0°。若脈寬超過1.5msec，則軸的方向為180°。。圖3-3舵機原理圖3.2.3TF內(nèi)存卡模塊設(shè)計MicroSD卡片，又稱TF卡片，在2004年被官方改名為MicroSD卡片，是閃迪（FlashDisk）開發(fā)出來的，其用途是在手機上。在MicroSD系統(tǒng)出現(xiàn)以前，大部分的手機廠商都是以內(nèi)置的形式存在，這種模塊安裝起來很簡單，但也有一個問題，那就是不能滿足市場的需要，因為它的存儲空間有限，沒有足夠的空間來進行升級。MicroSD模仿SIM卡的使用方式，也就是相同的卡可以使用在各種類型的手機上，使得手機生產(chǎn)商不再為插卡式的開發(fā)和設(shè)計而煩惱。一張微型SD卡足夠稱得上是一個便攜式存儲芯片了。Micro卡片是一種很小的閃存卡片，它的形式來自于SanDisk，最初被命名為T-h，后來被命名為TransFlash。之所以改名為MicroSD，是由于它被SD學(xué)會所采納。SDA所使用的其它存儲器卡片有迷你SD和SD卡片。由于其尺寸較小，且存儲能力較強，目前已被用于裝置、便攜式播放裝置及某些碟片上。這張卡片只有十五毫米×十一毫米×一毫米，只有指甲蓋那么大，是目前最小的一張。還可以與SD卡口相連接，用于SD卡口。目前MicroSD卡的容量為128Mbps,256Mbps,512Mbps,1G,2G,4G,8G,16G,32G,64G,128G（閃迪）在2014WC大會上，突破了64G的極限，推出了128G的MicroSDXC記憶卡。安全數(shù)字記憶卡（SD）是日本松下（Sony）、東芝（Toshiba）和美國K公司（KK）在MMCMulti介質(zhì)卡（SD）的基礎(chǔ)上，于一九九九年八月聯(lián)合開發(fā)而成的一款多用途記憶卡。SD卡是以半導(dǎo)體快閃存儲器為基礎(chǔ)的一種新一代存儲器，因為其體積小、數(shù)據(jù)傳輸速度快、可拔、大容量等優(yōu)點，被廣泛用于諸如詞典、移動電話、數(shù)碼相機等便攜式產(chǎn)品中。SD卡標(biāo)準(zhǔn)是SD卡業(yè)為一種可拆式儲存裝置而發(fā)明的技術(shù)，它的目的在于設(shè)定卡片的外部尺寸，電子介面以及通訊協(xié)定。在SD卡3.0規(guī)范中，SD卡的理論最大容量可達到2TB，理論最大讀寫速度可達到104MB/s（在最新的4.10規(guī)范中，理論最大讀寫速度已提高到312MB/s)，并且MicroSD卡是SD類型中，尺寸為15mm*11mm*1mm的一種SD卡。若將SD卡的上述優(yōu)點運用到自動測試監(jiān)控系統(tǒng)，如對診斷測試數(shù)據(jù)、衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)、導(dǎo)彈掛飛載荷數(shù)據(jù)的儲存，將為當(dāng)前自動測試監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)儲存提出新的可行的解決辦法，對實現(xiàn)小型化、大容量、高速?率的數(shù)據(jù)儲存有著不可取代的重要意義。圖3-4TF內(nèi)存卡原理圖3.2.4GC0328攝像頭模塊設(shè)計攝像頭（CAMERA或WEBCAM）也叫電腦相機、腦眼、電子眼等，它是一種視頻裝置，在視頻會議、治療及等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用。普通人也可以在網(wǎng)上用相機互相交流，有圖像，有聲音。此外，它也可以被應(yīng)用到目前最受歡迎的像，視頻，視頻等處理中。相機的工作原理是：將景物通過透鏡（LENS）生成的投影到感器表面上，之后轉(zhuǎn)為號，經(jīng)（D）轉(zhuǎn)換后變成像信號，再將其送到數(shù)字（DSP）中進行加工，再由口傳送到計算機中進行處理，最后由顯示器進行顯示。

GC0328的解析度為640Vx480H,1/6.5“的光學(xué)畫幅，4個晶體管的象素配置，使畫質(zhì)更好，噪音更小。它利用了10位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片上的設(shè)計，以及嵌入的圖像信號處理器，為用戶帶來了優(yōu)異的圖像品質(zhì)。由于對高性能和低能耗功能的充分整合，GC0328非常適用于設(shè)計，大大降低了實際使用的時間，延長了手機、PDA和多種移動應(yīng)用的電池續(xù)航時間。圖3-5GC03228攝像頭原理圖3.2.5超聲波測距模塊設(shè)計超聲波傳感器是根據(jù)超聲波的一些特性制造出來的，用于完成對超聲波的發(fā)射和接收，內(nèi)部的換能晶片受到電壓的激勵而發(fā)生振動產(chǎn)生超聲波，超聲波的頻率高、波長短、方向性好、可以線性傳播、對液體或者固體有不錯的穿透效果，比如一些不透明的物體，超聲波可以穿透幾十米，而且它在遇到雜質(zhì)等等物體時會發(fā)生反射現(xiàn)象，從而產(chǎn)生回波。想要用超聲波完成檢測工作，必須要有一個既可以發(fā)出超聲波又可以接收超聲波的裝置，能實現(xiàn)這樣功能的裝置我們稱為超聲波傳感器，也叫作超聲波換能器或者超聲探頭。超聲波傳感器內(nèi)部的主要部件是壓電晶片，它在受到電壓的刺激時就可以發(fā)射超聲波，然后由接收端進行接收。小功率超聲波傳感器大多用來進行檢測，例如一些導(dǎo)盲、坐姿矯正的產(chǎn)品，應(yīng)用的就是小功率傳感器，大功率的超聲波傳感器在生活中并不常見。超聲波傳感器有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭、斜探頭、表面波探頭、蘭姆波探頭、雙探頭（一個用來發(fā)射、一個用來接收）等。超聲波傳感器主要由發(fā)送部分、接收部分、控制部分和電源部分構(gòu)成。其中，發(fā)送部分由發(fā)送器和換能器構(gòu)成，換能器可以將壓電晶片受到電壓激勵而進行振動時產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為超聲波，發(fā)送器將產(chǎn)生的超聲波發(fā)射出去；接收部分由換能器和放大電路組成，換能器接收到反射回來的超聲波，由于接收超聲波時會產(chǎn)生機械振動，換能器可以將機械能轉(zhuǎn)換成電能，再由放大電路對產(chǎn)生的電信號進行放大；控制部分就是對整個工作系統(tǒng)的控制，首先控制發(fā)送器部分發(fā)射超聲波，然后對接收器部分進行控制，判斷接收到的是否是由自己發(fā)射出去的超聲波，最后識別出接收到的超聲波的大??；電源部分就是整個系統(tǒng)的供電裝置。這樣，在電源作用下、在控制部分控制下，發(fā)送器與接收器兩者協(xié)同合作，就可以完成傳感器所需的功能。為了方便對超聲波的研究和利用，人們設(shè)計出了許多種類的超聲波發(fā)生器，各種發(fā)生器中超聲波的產(chǎn)生方式不同，有電氣方式也有機械方式，所以用途也不盡相同。每一種發(fā)生器都有自己的應(yīng)用范圍，但是就目前來講，被普遍使用的還是壓電式超聲波發(fā)生器。壓電式超聲波發(fā)生器的關(guān)鍵部分是內(nèi)部的壓電晶片，主要是利用壓電晶片的諧振來工作，發(fā)生器內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個共振板。在發(fā)生器的兩電極之間外加一個脈沖信號，當(dāng)外加信號的頻率與壓電晶片的頻率相等時，壓電晶片就會發(fā)生振動，同時也會帶動共振板進行振動，這時就會產(chǎn)生超聲波，這就是超聲波發(fā)生器的發(fā)送端；但是如果發(fā)生器的兩電極之間沒有外加脈沖信號，而共振板又接收到了發(fā)射的超聲波時，就會迫使壓電晶片發(fā)生振動，然后產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這就是超聲波發(fā)生器的接收端。由超聲波測距的公式可知，測距時誤差產(chǎn)生的原因主要為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度和測量距離時超聲波傳播所需要的時間。假設(shè)要求測量距離時的誤差小于1mm，已知超聲波在空氣中的傳播速度C=344m/s(20℃室溫)，忽略掉超聲波的傳播誤差。測距誤差s△t<(0.001/344)≈0.000002907s即2.907μs。所以，只要保證測距時的時間誤差精度在微妙時，就可以讓測量誤差小于1mm。超聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度有關(guān)，密度越高的時候超聲波的傳播速度也就越快，當(dāng)介質(zhì)為空氣時，空氣的密度又與溫度有關(guān)，因此超聲波的傳播速度受溫度影響。在利用超聲波測距時還要考慮環(huán)境因素，其中最為主要的就是溫度的影響，在0℃和30℃時，超聲波的速度明顯不同。因此，在進行高精度測量時，應(yīng)考慮到溫度變化的影響。圖3-6超聲波測距第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1軟件的主要流程基于的足球機器人小車控制器的硬件設(shè)計方案，對小車的徽控制器、電機和電機驅(qū)動、速度檢測、通訊單元和電源五個部分進行了全面的描述。在對國內(nèi)外足球機器人小車開發(fā)現(xiàn)狀的廣泛調(diào)研基礎(chǔ)上，提出了一種基于和復(fù)雜可編程邏輯器件的硬件基本框架，器件完成兩路正交脈沖的鑒相、四倍頻和計數(shù)的方案。這樣將的主要用于電機的速度控制，以便于實現(xiàn)高級復(fù)雜的控制算法，充分發(fā)揮的作用。實現(xiàn)的功能如下，上位機：1.功能選擇2.接收回傳的畫面；3.可進行控制下位機移動下位機：1.攝像頭實時采集畫面；2.接收上位機指令控制移動；3.機器人可完成人臉識別功能；4.機器人可完成顏色追蹤功能；5.機器人可完成自動踢球功能；圖4-1總體軟件流程圖4.2移動模塊的軟件設(shè)計整個系統(tǒng)通電后進行AI識別以及超聲波測距，通過對球的位置判定，進行AI處理，最后下位機進行相應(yīng)的移動。圖4-2機器人移動軟件流程圖4.3顏色追蹤模塊軟件的設(shè)計整個系統(tǒng)通電后進行AI識別，通過對球的顏色判定，進行AI處理，最后下位機通過舵機進行相應(yīng)顏色追蹤。圖4-3顏色追蹤軟件流4.4踢球模塊軟件的設(shè)計整個系統(tǒng)通電后進行AI識別，通過對球的顏色以及超聲波測距判斷球的位置進行相應(yīng)移動，最后下位機通過舵機實現(xiàn)踢球動作。圖4-4踢球軟件流程圖第5章系統(tǒng)測試5.1系統(tǒng)實物圖對小車的徽控制器、電機和電機驅(qū)動、速度檢測、通訊單元和電源五個部分進行了全面的描述。在對國內(nèi)外足球機器人小車開發(fā)現(xiàn)狀的廣泛調(diào)研基礎(chǔ)上，提出了一種基于和復(fù)雜可編程邏輯器件的硬件基本框架，器件完成兩路正交脈沖的鑒相、四倍頻和計數(shù)的方案。這樣將的主要用于電機的速度控制，以便于實現(xiàn)高級復(fù)雜的控制算法，充分發(fā)揮的作用。圖5-1總體實物圖5.2各項測試這個系統(tǒng)通電后進行AI識別，通過對球的顏色判定，進行AI處理?，最后下位機通過舵機進行相應(yīng)顏?色追蹤?。通過超聲波測距對球的位置判定?，進行AI處?理，最后下位機進行?相應(yīng)的移動。通過對球的顏色以及超聲波測距判斷球的位置進行相應(yīng)移動，最后下位機通過舵機實現(xiàn)踢球動作。圖5-2實物通電測試第6章總結(jié)與展望在整個設(shè)計過程中，硬件方面主要設(shè)計了單片機的最小系統(tǒng)、電機驅(qū)動電路、傳感器測量電路。軟件方面借助各個渠道的資料，進行程序的編程來實現(xiàn)我們各個模塊的功能搭建。系統(tǒng)的調(diào)試主要是通過一塊開發(fā)板，再借助于Keil、K210以及少許自己搭建的外圍電路實現(xiàn)的；集中調(diào)試時達到預(yù)期效果。此設(shè)計具有讀顯示直觀、功能多樣、電路簡潔、成本低廉等諸多優(yōu)點，符合電子儀器儀表的發(fā)展趨勢，具有廣闊的市場前景。通過對系統(tǒng)的布設(shè)和完善，最終完成的基于AI視覺的人形機器人設(shè)計統(tǒng)預(yù)期有如下成果：上位機：1.功能選擇2.接收回傳的畫面；3.可進行控制下位機移動下位機：1.攝像頭實時采集畫面；2.接收上位機指令控制移動；3.機器人可完成人臉識別功能；4.機器人可完成顏色追蹤功能；5.機器人可完成自動踢球功能；未來展望：為了畫出自己滿意的電路圖，圖表等，我仔細(xì)學(xué)習(xí)了繪圖技術(shù)。在設(shè)計電路初期，由于沒有設(shè)計經(jīng)驗，覺得無從下手，空有很多設(shè)計思想，卻不知道應(yīng)該選哪個，經(jīng)過導(dǎo)師的指導(dǎo)，我的設(shè)計漸漸有了頭緒,通過查閱資料，逐漸確立系統(tǒng)方案。畢業(yè)設(shè)計對于每個大學(xué)生來說是一門必修課程，在大學(xué)這一個求學(xué)階段只有一次。完成了電路設(shè)計這一部分的工作內(nèi)容，我覺得自己將曾經(jīng)學(xué)習(xí)過的知識再次學(xué)習(xí)了一遍，對于各個元器件的設(shè)計規(guī)則，又有了進一步的熟悉。在這個的過程中，每一步都是自己親自做過的,遇到的問題也非常多，在經(jīng)過遇到問題，思索問題到解決問題的過程中，收獲是最多的。以往沒有注意到的問題，都在這一次的畢業(yè)設(shè)計中得以體現(xiàn)，這培養(yǎng)了我的細(xì)心，耐心和專心。指導(dǎo)老師給予的指導(dǎo)、同學(xué)的幫助讓我受益良多，無論是理論工作上的計算，還是實際的操作，老師都給我們做了詳細(xì)的分析，讓我在設(shè)計各個量時更能理論結(jié)合實際，更合理的進行安排設(shè)計。但此次設(shè)計的基于AI視覺的人形機器人也存在不足的地方，以后有待改進。參考文獻[1]胡徐勝;李賽紅;陶彬彬.基于STM32的循跡足球機器人設(shè)計[P].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2022.[2]趙爽.小型足球機器人的模塊化設(shè)計與運動控制研究[C].西南交通大學(xué).2019.[3]高海丹.RoboCup類人足球機器人智能控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[C].東南大學(xué).2022.[4]趙越.小型足球機器人軟件系統(tǒng)設(shè)計及軌跡學(xué)習(xí)[M].浙江大學(xué),2020.[5]席文平.基于視覺的類人足球機器人決策系統(tǒng)的設(shè)計[P].遼寧工業(yè)大學(xué),2021.[6]王學(xué)慧;柳林.足球機器人小車總體設(shè)計思想及其單片機選型[M].機器人技術(shù)與應(yīng)用,2021.[7]曹衛(wèi)華;吳敏;陳鑫.基于DSP控制的足球機器人小車的設(shè)計與實現(xiàn)[P].機器人技術(shù)與應(yīng)用,2019.[8]羅歡;張健;席文平.基于ZigBee技術(shù)的足球機器人通信系統(tǒng)設(shè)計[P].無線電工程.2019.[9]曹盛林.基于單片機的足球機器人設(shè)計[J].南方農(nóng)機.2019.[10]周坤龍. 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源代碼#AprilTags示例##此示例顯示了OpenMVCam在OpenMVCamM7上檢測April標(biāo)簽的強大功能。#OpenMV2M4版本無法檢測April標(biāo)簽。importsensor,image,time,mathimportlcdfromMaiximportGPIOfromfpioa_managerimportfmfrommachineimportTimer,PWM#CarimportCar_DrivefrommachineimportUARTimportHC_SR04_Drive########################################Sys-config##############################################SYS_Status='END'#系統(tǒng)狀態(tài)Tag_Enter={0:{'family':'TAG16H5','ID':'0'},1:{'family':'TAG16H5','ID':'1'}}#Tag_Enter={'family':'-','ID':'-'}Tag_Current={'family':'-','ID':'-','CX':0,'CY':0}Distance_f_cm=0.0############################################################################################################################################Pin-config###############################################BEEP3.3vVCC，Pin控GND，低電平響PIN_BEEP=9#SG90(360°)5vVCCPIN_SG90_1_C=10PIN_SG90_2_C=11#KEYPIN_KEY_0=15PIN_KEY_1=16PIN_KEY_2=17#HC_SR045vVCCMCU_TX_HC_SR04_RX=20#引腳配置(Trig)MCU_RX_HC_SR04_TX=21#引腳配置(Echo)#狀態(tài)參數(shù)_BEEP__OPEN=const(0)_BEEP_CLOSE=const(1)#########################################################################################################################################蜂鳴器######################################################fm.register(PIN_BEEP,fm.fpioa.GPIO0)#構(gòu)建BEEP對象，并初始化輸出高電平，關(guān)閉BEEPBEEP=GPIO(GPIO.GPIO0,GPIO.OUT,value=1)#建立BEEP狀態(tài)變量--初值：關(guān)BEEP_Status=_BEEP_CLOSE#關(guān)閉蜂鳴器BEEP.value(BEEP_Status)###############################################################################################################################################Car#################################################tim1=Timer(Timer.TIMER0,Timer.CHANNEL0,mode=Timer.MODE_PWM)#PWM通過定時器配置tim2=Timer(Timer.TIMER0,Timer.CHANNEL1,mode=Timer.MODE_PWM)#PWM通過定時器配置SG90_1=PWM(tim1,freq=50,duty=0,pin=PIN_SG90_1_C)#右輪SG90_2=PWM(tim2,freq=50,duty=0,pin=PIN_SG90_2_C)#左輪Car=Car_Drive.Car_Drive(SG90_1,SG90_2)Car.Init()#Car.Turn_Right()#while1:#1#Car.Turn_Left()#####################################################################################################Tag_Enter={'family':'-','ID':'-'}#Tag_Current={'family':'-','ID':'-'}###########################################KEY###################################################按鍵1--學(xué)習(xí)標(biāo)簽#fm.register(16,fm.fpioa.GPIOHS0)#注冊IO-KEY#KEY_Enter=GPIO(GPIO.GPIOHS0,GPIO.IN,GPIO.PULL_UP)#構(gòu)建KEY對象#defexit_KEY_Enter_fun(KEY_Enter):#KEY_0中斷回調(diào)函數(shù)#globalSYS_Status#globalTag_Enter,Tag_Current#time.sleep_ms(10)#消除抖動#ifKEY_Enter.value()==0:#確認(rèn)按鍵按下#print('正在錄入--111')#ifSYS_Status=='END':#print('正在錄入--222')#ifTag_Current['family']!='-'andTag_Current['ID']!='-':#Tag_Enter['family']=Tag_Current['family']#Tag_Enter['ID']=Tag_Current['ID']#KEY_Enter.irq(exit_KEY_Enter_fun,GPIO.IRQ_FALLING)#開啟中斷，下降沿觸發(fā)#按鍵2--系統(tǒng)fm.register(17,fm.fpioa.GPIOHS2)#注冊IO-KEYKEY_Sys=GPIO(GPIO.GPIOHS2,GPIO.IN,GPIO.PULL_UP)#構(gòu)建KEY對象defexit_KEY_Sys_fun(KEY_Sys):#KEY_2中斷回調(diào)函數(shù)globalSYS_StatusglobalTag_Entertime.sleep_ms(10)#消除抖動ifKEY_Sys.value()==0:#確認(rèn)按鍵被按下ifSYS_Status=='END':SYS_Status='RUN'else:SYS_Status='END'KEY_Sys.irq(exit_KEY_Sys_fun,GPIO.IRQ_FALLING)#開啟中斷，下降沿觸發(fā)##############################################################################################################################################HC_SR04#################################################fm.register(MCU_TX_HC_SR04_RX,fm.fpioa.UART1_TX,force=True)fm.register(MCU_RX_HC_SR04_TX,fm.fpioa.UART1_RX,force=True)uart=UART(UART.UART1,9600,read_buf_len=10240)HC_SR04=HC_SR04_Drive.HC_SR04(uart)HC_SR04.Init()#Distance_f_cm=HC_SR04.Rece_Data_Handle()####################################################################################################circle_flag=0circle_count=0##########################################Tim###################################################定時器回調(diào)函數(shù)周期100msdeffun(tim):globalSYS_StatusglobalDistance_f_cmglobalTag_Enter,Tag_Currentglobalcircle_flag,circle_countifcircle_flag==1:circle_count=circle_count+1ifcircle_count>=150:#左輪轉(zhuǎn)15秒circle_count=0circle_flag=0else:circle_count=0#定時器0初始化，周期10mstim=Timer(Timer.TIMER1,Timer.CHANNEL0,mode=Timer.MODE_PERIODIC,period=100,callback=fun)####################################################################################################lcd.init()sensor.reset()sensor.set_pixformat(sensor.RGB565)sensor.set_framesize(sensor.QQVGA)#如果分辨率更大，我們的內(nèi)存會耗盡...(160*120)sensor.set_hmirror(True)#水平方向旋轉(zhuǎn)，即：鏡像sensor.set_vflip(1)#垂直方向旋轉(zhuǎn)sensor.skip_frames(time=2000)sensor.set_auto_gain(False)#必須關(guān)閉此功能，以防止圖像沖洗…sensor.set_auto_whitebal(False)#必須關(guān)閉此功能，以防止圖像沖洗…lcd.rotation(0)#調(diào)整屏幕方向clock=time.clock()#注意！與find_qrcodes不同，find_apriltags方法不需要對圖像進行鏡頭校正#apriltag代碼最多支持可以同時處理6種tag家族。#返回的tag標(biāo)記對象，將有其tag標(biāo)記家族及其在tag標(biāo)記家族內(nèi)的id。tag_families=0tag_families|=image.TAG16H5#注釋掉，禁用這個家族#tag_families|=image.TAG25H7#注釋掉，禁用這個家族#tag_families|=image.TAG25H9#注釋掉，禁用這個家族#tag_families|=image.TAG36H10#注釋掉，禁用這個家族#tag_families|=image.TAG36H11#注釋掉以禁用這個家族(默認(rèn)家族)#tag_families|=image.ARTOOLKIT#注釋掉，禁用這個家族deffamily_name(tag):if(tag.family()==image.TAG16H5):return"TAG16H5"if(tag.family()==image.TAG25H7):return"TAG25H7"if(tag.family()==image.TAG25H9):return"TAG25H9"if(tag.family()==image.TAG36H10):return"TAG36H10"if(tag.family()==image.TAG36H11):return"TAG36H11"if(tag.family()==image.ARTOOLKIT):return"ARTOOLKIT"Flag=0Distance_f_cm_tmp=0.0while(True):clock.tick()#init#Distance_f_cm=0.0#Tag_Current['family']='-'#Tag_Current['ID']='-'#Tag_Current['CX']=0#Tag_Current['CY']=0#task_1:Distance#Distance_f_cm_tmp=0.0#fornuminrange(2):#Distance_f_cm_tmp=Distance_f_cm_tmp+HC_SR04.Rece_Data_Handle()#Distance_f_cm=Distance_f_cm_tmp/2.0Distance_f_cm=HC_SR04.Rece_Data_Handle()#task_2:Tagimg=sensor.snapshot()fortaginimg.find_apriltags(families=tag_families):#如果沒有給出家族，默認(rèn)TAG36H11。img.draw_rectangle(tag.rect(),color=(255,0,0))img.draw_cross(tag.cx(),tag.cy(),color=(0,255,0))print(tag.cx(),tag.cy())print_args=(family_name(tag),tag.id(),(180*tag.rotation())/math.pi)print("TagFamily%s,TagID%d,rotation%f(degrees)"%print_args)Flag=1ifFlag==1:Tag_Current['family']=family_name(tag)Tag_Current['ID']='{}'.format(tag.id())Tag_Current['CX']=tag.cx()Tag_Current['CY']=tag.cy()Flag=0else:Tag_Current['family']='-'Tag_Current['ID']='-'Tag_Current['CX']