章謙驊，駱懿，陳巍

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引言

智能車又稱輪式移動機器人，集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動行駛等功能于一體，集中的運用到自動控制、模式識別、傳感器技術(shù)、電氣、計算機、機械等多個學(xué)科，是典型的高新技術(shù)綜合體［1］。該文提出了一種基于MATLAB的移動機器人實驗平臺，該平臺采用Math Works公司推出的一套高性能數(shù)值計算和可視化軟件Matlab作為圖像計算平臺?？梢暂^快速的構(gòu)建基于視覺的移動機器人實驗平臺。驅(qū)動部分采用MC9S12系列單片機［2］(也稱為HCS12系列，簡稱S12系列)，該單片機是基于速度更快的CPU12內(nèi)核的單片機系列，具備片上糾錯能力，并與68HC11和68HC12結(jié)構(gòu)編碼兼容，便于移植。裝在移動小車上的筆記本電腦通過USB攝像頭獲取圖像，經(jīng)Matlab軟件的圖像算法，將最終的控制小車電機的運動的控制指令通過藍牙接口發(fā)送給驅(qū)動模塊［3］。該平臺非常適合在高校中開展機器人實踐教學(xué)和數(shù)字圖像處理的實踐教學(xué)，基于該移動機器人實驗平臺，可進一步開發(fā)出不同的移動機器人的原型應(yīng)用系統(tǒng)。

1 平臺設(shè)計

該平臺總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，總分4個部分:視頻采集單元、視頻處理單元、無線通信單元、移動機器人單元。本設(shè)計中視頻采集單元采用普通的高清USB攝像頭(USB CAM);視頻處理單元為運行在移動計算機(PC)上的MATLAB程序;無線通信單元采用藍牙短距離通信方案;移動機器人的主控制器(MCU)采用MC9S12單片機完成尋路及轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速控制。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計主要圍繞智能移動機器人的運動控制系統(tǒng)和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊來展開。運動控制系統(tǒng)的設(shè)計主要在于MCU單元設(shè)計和H橋電路設(shè)計，MCU是整個運動系統(tǒng)的控制中心，H橋電路和電機又是移動的主要部件，這兩部份設(shè)計的好壞直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的運行性能。

(1)MCU最小系統(tǒng)設(shè)計，根據(jù)所需實現(xiàn)功能，結(jié)合功耗、運行速率等綜合考慮后，最終選擇了飛思卡爾公司的MC9S12單片機座位運動系統(tǒng)的主控制器，該控制器也是飛思卡爾公司智能車競賽所選用的處理器。MC9S12系列采用Motorola第三代Flash，容量為32～512kB，具有在線編程能力和保密機制，無需外加編程電壓，最短整體擦除時間僅100ms，512字節(jié)頁擦除時間僅20ms。典型的HC12總線速率是8MHz，而S12內(nèi)部總線速率最高可達25MHz［2］，即40ns的最小指令周期。最小系統(tǒng)核心板如圖2所示。

圖2 最小系統(tǒng)核心板

(2)驅(qū)動電路設(shè)計，移動機器人運動系統(tǒng)的驅(qū)動電路［3］在機器人的運動中也起著至關(guān)重要的作用。H橋式電機驅(qū)動電路包括4個三極管和一個電機。要使電機運轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉(zhuǎn)向。H橋電路在功放、直流電機驅(qū)動或直流變換電路中被廣泛使用。電路比較成熟穩(wěn)定。

3 MCU程序設(shè)計

單片機MC9S12是移動機器人處理單元，PC的MATLAB分析攝像頭數(shù)據(jù)后根據(jù)算法得出運行軌跡，然后通過藍牙模塊發(fā)給單片機，單片機根據(jù)得到的指令進行運動控制，使得運動機器人做出一些動作，同時提供一些附加功能。MCU程序流程圖如圖3所示。

4 MATLAB程序設(shè)計

圖3 MCU程序處理流程圖

通過Matlab編程完成視頻處理［4］，可以大大縮短應(yīng)用程序的開發(fā)周期，提高編程效率和縮短理論方案研制周期，適合工程人員或初學(xué)者編程的需要。這是因為大量數(shù)學(xué)公式利用MATLAB語言及其所提供的函數(shù)進行數(shù)字圖像處理，編程簡單、操作方便、可靠性強，能夠達到預(yù)期的效果。Matlab軟件分為基本部分和專業(yè)擴展兩個部分?；静糠职ù鷶?shù)方程和超越方程求解，矩陣運算和各種變換，數(shù)值積分、數(shù)據(jù)處理等可以滿足大學(xué)本科理工科的多種計算需要。擴展部分包括控制系統(tǒng)、模糊集合、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、魯棒控制、小波分析等數(shù)十個工具箱可用于實現(xiàn)某一類新算法，解決某一類專門問題，這一部分還在不斷發(fā)展中，前景十分喜人［5］。本平臺應(yīng)用了MATLAB影像工具箱對從USB攝像頭獲得的視頻圖像進行處理，分析，然后根據(jù)處理結(jié)果生成運動指令。算法流程如圖4所示。在Matlab中采用USB攝像頭進行圖像捕獲的函數(shù)舉例為:fp=videoinput(＇winvideo＇，1，＇RGB24_640x480＇);該圖像大小為640×480。取一幀圖像的函數(shù)為:pic=getsnapshot(fp);線性濾波可以采用高通濾波器增強圖像的邊緣，舉例:g8=pic－imfilter(pic，w8，＇replicate＇);邊緣檢測MatLab可以采用的Matlab的canny函數(shù)，舉例為:edge(f，＇canny＇，［0.2 0.3］，0.25)。藍牙串口通信采用的函數(shù)舉例為:s1=serial(＇COM1＇，＇BaudRate＇，9600);fprintf(s1，＇abc＇)。

圖4 MATLAB算法流程圖

5 設(shè)計制作

通過多次的測試和調(diào)試，該試驗平臺達到了預(yù)想的標準。能完成一些功能的實現(xiàn)如尋跡。USB采集的路徑圖像如圖5所示;采用prewitt邊緣算法后計算路徑如圖6所示:

圖5 路徑USB采集圖像

圖6 采用邊緣檢測后的路徑

6 結(jié)束語

本文提出了一種基于MATLAB的移動機器人實驗平臺，該試驗平臺采用了MATLAB的影像工具箱做視覺分析，移動機器人單元的核心處理器采用飛思卡爾公司的MC9S12單片機。利用MATLAB語言及其所提供的函數(shù)進行數(shù)字圖像處理，編程簡單、操作方便、穩(wěn)定性強，達到了預(yù)期的效果。本文適合于高校的機器人實踐教學(xué)和數(shù)字圖像處理的實踐教學(xué)，基于該移動機器人實驗平臺，可進一步開發(fā)出不同的移動機器人實驗應(yīng)用系統(tǒng)。

［1］李永樂，袁一，朱云江，等.基于MATLAB串行通信的智能車車速控制算法研究［J］.軍事交通學(xué)院學(xué)報，2009，11(3):4－7.

［2］曾愛群，張烈平.藍牙技術(shù)的概述［J］.電子測試，2007，(6):5－8.

［3］李曉靜，羅永革，余建強，等.基于AMT直流電機的H橋驅(qū)動電路硬件研制［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2007，21(1):4－8.

［4］楊杰.數(shù)字圖像處理及MATLAB實現(xiàn)－學(xué)習(xí)與實驗指導(dǎo)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010:67－78.

［5］蘇中義.MATLAB簡介［J］.上海電機技術(shù)高等專科學(xué)校學(xué)報，2003，6(4):1－3.