《基于GSM及小型无线网络技术的可图像识别机器人 “富莱德”》－第五届

《基于GSM及小型无线网络技术的可图像识别机器人 “富莱德”》

来源：发布时间：2007-12-30 浏览次数：1250

金奖

作品名称：《基于GSM及小型无线网络技术的可图像识别机器人 "富莱德"》
河北杜霖

作品说明

 基于GSM网络及小型无线网络的可模式识别导航机器人富莱德可以完成在未知环境下对环境情况和目标进行探索的任务，并进行自主学习，以达到在未知环境中自主搜索目标，并对目标自主采集等功能。富莱德主要被用于如工业排险、警用排爆、密室探索，以代替人们去完成对人可能会造成危险的工作或在人们无法达到的环境中工作。因为富莱德进行智能化探索，这样大大减轻了操作者的工作量。
   富莱德机器人的结构：
   富莱德机器人为轮式机器人，包括鼠标测距传感器、超声测距传感器、红外传感器、无线通信模块、无线摄像头、电子罗盘、光电编码盘、步进电机、直流电机等部件。
   富莱德机器人的工作方式：
   富莱德机器人采用无线通信方式与PC进行通信，机器人负责采集数据并发送到PC机，PC机进行视频处理及数据融合，绘制电子地图，动态规划路径，根据任务类型发出对机器人的控制指令。
   富莱德机器人的特色：
   1．分布式系统结构
   富莱德机器人的设计，模仿了现代流行的软件编程技术：三层架构体系。机器人部分由三块单片机组成，分别负责通信，数据采集，指令执行；机器人的计算部分在PC端，通过无线模块进行数据传输。负责通信的单片机是"业务层"，包含相关指令接口；负责执行的单片机是"表现层"，是系统的执行器；负责运算的PC机相当于"数据访问层"。这样的分布式系统结构，大大提高了机器人的扩展能力，降低了成本，减小了机器人对设备的依赖性。
    2．无线控制能力
    富莱德机器人最大的特点是操作者和机器人能进行远程的对话，机器人通过无线摄像头将图像数据发送给计算机，计算机进行模式识别或者根据操作者的决策发出对机器人的控制信号；甚至，通过在PC端连接的GSM设备或富莱德机器人控制端的网络控制扩展程序，使用者可以通过手机短信或Internet在千里之外控制富莱德机器人。
    3．自主导航能力
    富莱德机器人通过建立栅格地图，在执行任务的过程中，自动将环境中的目标位置、障碍等信息保存在电子地图上，同时，通过A*寻路算法，富莱德机器人自己能够进行最优路径的规划。
    4．发达的视觉
    富莱德机器人具备自主学习能力，在未知环境中，能够自动提取环境信息，进行学习，将环境中物体的状态量保存下来，在以后再次发现目标时，机器人能够自动识别出物体。同时，机器人能够根据物体描述找到物体并进行抓取等操作。
    5．精准的抓取结构
    富莱德机器人的机械臂为双自由度的爪式结构，在视觉和红外传感器的辅助下，结合改进的PID控制算法，能够进行精准定位，抓取物体。
    6．创新的鼠标测距模块
    在富莱德机器人的测距模块中，我们使用单片机模拟鼠标Ps/2口，通过光电鼠标测量相对位移，达到精确的机器人定位。
注：
    作者杜霖的制作作品过程中的相关论文《基于NMI特征的Auto-Camshift算法及其应用》被收录在《计算机工程》2006年第三期217页。
    《计算机工程》是我国中文核心期刊之一,"中国科技论文统计与分析"用刊之一,中文科技期刊数据库收录源之一,已被美国工程信息公司(Ei)选定为Ei Page One数据库录用期刊。

发明小故事

 磨练心志的一天一夜
    开发终于进入了极其关键的整合全机的阶段了。因为系统的复杂性和水平条件的限制，我们暂时没有办法使用大型的集成电路，况且这次的目的仅是建立一个原型机，没什么大不了的。可是就是这一点疏忽的想法差点逼我们走上绝路。
    以前玩机器人，看到别人的机器人全身都是导线，还觉的十分羡慕，似乎导线越多，技术含量越高，而现在才幡然醒悟，这原来是个天大的玩笑。现在的机器人有不下百条导线，可是呢，这似乎并非水平的体现，而是灾难的开始。
    规划了这么多的导线，总得动手制作吧。令人极为头痛的缺乏材料的问题又浮出了水面。可以利用的导线插头很快用完了。然而如果没有插头，那么系统只会脆弱的不堪一击。没有办法只好自己做，从别的废旧导线上拆下插头，再用它制作新的导线，之后用热塑管保护起来，这样一个导线就制作好了。这件事情看起来小，可是却一点都不简单。旧插头做的相当的牢固，给我们的拆卸带来了很大的麻烦，于是镊子，锥子，钳子齐上阵，直干到手指都痛的不得了。庆幸的是经过一个下午的努力，我们完成了这海量的导线。
    这样晚上我们开始了决定成败的调试的阶段，刚开始调试工作相当的顺利，各个组成部分正常工作，无线数传、数字指南针、无线摄像头、单片机驱动的鼠标都是在极好的工作状态下。于是我们逐渐放松了警惕，然而午夜之后，出现了谁都不想看到的灾难，机器人突然失灵了，左突右撞，根本无法正常的接收和执行指令。这下大家都慌了神，怎么回事？于是紧张检修，或许是因为导线太多头绪太乱的缘故，问题迟迟不能排除，可是电机驱动芯片、无线数传都正常工作呀！那么为什么总是 PID 控制完全失效呢？怎么回事，怎么回事？时间还是一点点的过去，到了凌晨三点钟了，但问题依旧根本没有转机。这下大家都慌了，因为按计划天亮中午就到了交付的时间了。可是一忙事情反而更糟糕了，大家毫无头绪的拉扯着鸟窝似的导线，而机器人突然间全部失灵了，无线数传、数字指南针、无线摄像头没有一个可以用的了，大家谁都没经历过这样情况，在这样紧张的情况之下还要保持清醒的头脑，作出最正确的决策。这样又过了一个宝贵的但是又毫无成绩的一个小时，现在已是凌晨四点钟了，问题还是没有任何进展。从昨天早上七点钟到现在，我们连续干了已经有将近20个小时了，大家都筋疲力尽了，同时灾难来的这样突然，大家快要崩溃了，哪里还有什么清醒的头脑呀！大家都急的要死，毕竟中午就要交付原型机。
    而这时不幸的事情又发生了，可能是因为劳累，同伴将电机的驱动芯片插反了，"啪"的放了一炮，这下我们倒清醒了。这样持续劳累的工作只会使事情更糟糕而已。于是我们决定先睡觉休息一下，平静下来天亮再继续。可是大家谁睡的着呀，但为了平静下来，大家都不讲话，闭目养神，因为大家都承受着从来没有承受过的压力。早上六点钟大家又开始了奋斗，有了一个小时的平静和休息大家终于冷静了下来，投入了检修的工作，从最基本的导线一处一处的排查，而不再是昨天晚上的毫无头绪，这一连串的灾难的始作俑者终于被我们发现了，原来是机器人左轮的光电解码器失灵了，导致 PID 误差的累加出现了问题，才导致了昨晚的一连串恐怖的灾难，其实晚上我们保持清醒有何尝不可以发现问题之源呢？只是因为太紧张了，思路混乱！
    经过了这一个难忘的夜晚，我们成熟了很多，遇事再也不会头脑混乱，无论是比赛还是平时的排查错误都是平静而又有条理、目的明确。这是个磨练心志的一天一夜，是个终生难忘的一天一夜，在这一天一夜我们学到了我们或许一年都学不到的成熟！谢谢这一天一夜！！