基于视觉传感器的自主扫雷机器人设计与实现机械制造专业.doc

题 目：基于视觉传感器的自主扫雷机器人设计与实现 中文摘要 摘要： 在当今的世界安全形势下，扫雷小车的出现可以减少各国人员在扫雷过程中的人员伤亡，扫雷小车实用性能强更适合在军事化领域或者是民用领域上应用。让它具有光明的发展前景。针对这一情况，本毕业设计就对自主扫雷小车进行研究。 本设计是基于STM32处理器的自主扫雷小车控制系统，主要包含视觉识别、测距、避障、驱动还有资源配置。主控芯片采用STM32F103系列核心板。其中避障部分主要用HC-SR04超声波模块结合外部中断1。视觉识别主要采用openmv4摄像头模组以及相关算法来实现对强烈对比的“地雷”进行识别。小车驱动使用PWM技术对两组车轮转速进行控制并通过速度差实现转向。 显然，自主扫雷机器人的运用会对未来安全防范事业做出重要贡献。本课题将有助于了解扫雷机器人和智能小车的研究和应用。 关键词：STM32；超声波避障；电机控制；PWM II 英文摘要 Title The Design of mine clearance robot Abstract In today's world security situation, many countries have begun to develop various dangerous operational robots such as anti-terrorism explosion-proof robots and rescue robots for disaster protection and rescue based on national security. Demining is also an important part of the security strategy. So the mine clearance robot appeared. Due to the fast speed and high precision of robotic minesweeping, it is most important to avoid casualties and give it a bright future. This design is based on the STM32 processor's autonomous mine clearance robot control system, which mainly includes visual recognition, ranging, obstacle avoidance, drive and resource configuration. The main control chip uses the STM32F103 series core board. Among them, the obstacle avoidance part mainly uses the HC-SR04 ultrasonic module combined with external interruption. The visual recognition part mainly uses the Openmv4 camera module to realize the identification of "mine" by related algorithms. The trolley drive uses PWM techique to control the wheel speed and achieve steering through the speed difference. Obviously, the use of autonomous mine clearance robot will make an important contribution to the future of safety. This topic will help to understand the research and application of mine clearance robots and intelligent cars. Keywords :STM32;Ultrasonic obstacle avoidance;Motor control;PWM 前 言 在当今的世界安全形势下，世界上很多国家都在研制各种特种设备机器人，比如说水下机器人研制，钻地机器人研制，飞天机器人研制等等。当各个国家研制这些特种机器人的目的就是为了去减少国家内部的操作人员的伤亡。而在这些机器人中各国重点研制的是扫雷机器人。联合国儿童基金会在1996年发出一篇报告称，在球60多个国家中，大约埋藏有多达700种地雷，累计数量高达1.1亿颗，这是一个相当可怕的数字，而且这还是二十年前的统计结果。如此多的地雷不论对于国家、人民群众还是自然环境都有着难以预估的重大危害。传统的人工扫雷虽然识别率高，但不得不忽视其对扫雷人员和士兵造成人身安全伤害的风险。因此扫雷排雷成为世界各国迫在眉睫的一项挑战和任务。 由于使用机器人扫雷速度快、精度高，还有可以避免人员伤亡这一巨大优势，让它不得不受到各国和各方人士的高度关注。鉴于这一情况，对智能移动扫雷设备的研究变得越发重要。所以本课题围绕此问题展开，从机器人扫雷的背景和国内外对其研究的现状入手，再对其实现方案和相关软硬件的设计进行讨论和总结。探寻一种基于视觉传感器的扫雷机器人的设想，并制作出一个简易能够实现基本功能的移动设备，对其中一些基础技术和原理进行学习理解，初步掌握单片机、传感器的使用， 第一章 绪 论 1.1 引言 当今，很多国家都早已明确表示禁止地雷的使用。但是仍有数亿枚地雷被埋在世界各地，如此数量的地雷使很多生活在周边的居民受到很大的安全影患危险，很多周边居民一不小心就会给潜藏的地雷给炸死炸伤，所以目前研制扫雷机器人已经是大势所趋了，只有将完善的扫雷机器人应用进多雷地区，才可以减少当地居民的伤亡。 根据不完全的统计，我们周边国家的一些战场弥留地区存在着上亿颗地雷，这些地雷无时无刻不影响着周围居民的生命安全。没有人能提供准确的数据，让人意想不到的是一些地雷甚至是第二次世界大战时期留下的，而关于这些地雷存在的官方证明早已无从考究。众多国家里，潜藏地雷最多的国家无非是正在发生战乱的中东，和阿富汗地区，其次就是亚洲的老挝，柬埔寨，和越南地区。而有些地区国家，因为恐怖分子和恐怖组织的活动，至今仍在投入使用这种武器。2015年，全球约有6000多人因为地雷受伤和死亡。其中平民占有很大比例，而儿童所占比例也高达30%。现有大多数的探雷和排雷技术以人工手动进行，其危险系数极高。当前在各个地区进行排雷作业的除了人工之外，就是如今老式传统的大型碾压式地雷扫除机，这些扫雷机主要是靠自身的重量将潜藏在地下的地雷引爆，但是由于行动缓慢，经常会使排雷爆破车被地雷震坏，在实际的排雷应用中损坏率很大。为了解决这一现状，也为了代替传统人工扫雷的方式。本设计就机器人扫雷的问题展开研究。 根据要求，小车为实现自如行走、跟踪、避障和自动定位等功能，属移动机器人。这类机器人是一种用有较高自主行的智能机器人，作为机器人研究的领先部分，智能机器人可以使用自身携带的传感器接受来自环境的讯息并作出反馈，亦可检测自身状态并作出调整。从而实现在复杂环境下的代替人工执行一些高难度作业，并能够不在人工干涉下自觉的避开障碍，达到自主导航和移动的目的，是一套高效高精度的机器系统。这一类机器人与传统机器人最大的不同点就在于它对移动定位的要求更高。所以不论是扫雷还是执行其他作业，所以不论是扫雷还是执行其他作业，都可以安全、自主的完成，在特殊情况下，可以采用人工远程控制，提高系统设计的可行性以及便捷性，在更大程度上发挥“人机结合”的功能。 1.2 选题背景与意义 对于地雷炸弹的检测和排除，目前世界范围内还是普遍使用士兵相关专业人士进行手动排查，其潜在的危害和风险不言而喻。除此之外，近期使用的非人工扫雷方案如排雷车，滚筒车这一类的，因为技术不够先进，大多用原始的类似耕地机一样的原理，先增大接触面和压力，通过翻滚不停地捶打地表来实现对雷区的地雷诱导式引爆，不仅精度低下，而且因为需要增大接触面积和压力，使得体积质量成倍增长，进而带来的造价偏高，效率低下。其次，因为其原理导致的体型限制，让此类机械一旦遇到非正常的地表环境，比如高低不平的山坡、崎岖狭隘的小路等，就会出现很大的风险性和局限性，甚至导致车体倾斜翻车等情况，对人员造成巨大伤害。 而排雷机器人就可以取代受过专业训练的排雷兵或特种犬，消除地雷和其他烈性爆炸物，大大降低了训练排雷人员的成本，只需要学会机器的操作和使用，训练时间也会先出缩短。作为一种智能防爆安全装备，同时也是最重要的减少人员的伤亡，都是它无可取代的优势。随着机器人技术和当下最热门的AI技术的发展，用扫雷机器人代替人工实现高效、大范围的扫雷工作将是今后相关研究发展的必然趋势。在广泛使用机器人探雷排雷的情况下，工程师可以摆脱风险高、效率低、作业时间漫长的矿井探测和排雷工作。从另一个层面上讲，机器人可以显著地降低人员伤亡率，是实实在在地提升了排雷效率，而不是单纯的为人排雷。 而且这种智能型的扫雷装置，往往技术含量高，所以体较之于传统排雷车大大缩小，重量也相应的变轻很多，这就十分有利于在复杂环境下的运作和使用。通过这种扫雷设备，可以协助专用的排雷车或辅助专业的团队侦察地雷扫除地雷，成本低廉的同时兼顾了很高的安全性，非常适合面积广的国际人道主义扫雷任务，将会为今后安全维和任务的扮演重要角色。它的出现也会对机器人在非正常环境和危险条件下作业等相关领域的研究工作作出贡献，成为机器人领域的重要分支，具有十分宝贵的科研价值和现实意义。 1.3 研究现状 基于确保从事扫雷排雷的相关人员士兵的安全，机器人地雷排除装置正在紧张的开发中。因为使用机器人排除地雷可以避免人员的伤亡以及合理的性价比等优点，对于执行战争结束地区的排查和清理工作相当合适。 上个世纪八十年代后期，美国已经发起了关于无人扫雷也就是机器人扫雷的相关研究，并积极研发设计此类设备。以至于美国的联合机器人开发项目都包括军队特别装备的各种远程地雷检测机器人、防爆机器人、反恐机器人等等。在政府和军队的大力支持下，“Magic Claw”,“Pike Potter”,“Mine Hunter”等型号的智能机器人相继公开并投入使用，当时记录的数据表明，这些机器人确实在各个战区都发挥出了超前的水平和性能，为美国的军事行动带来了巨大帮助。美军曾在阿富汗和伊拉克使用了数十个探测、爆破、排雷的机器人，但最初的装甲师团7个爆破机器人已经消除了上千枚未爆炸的地雷。90年代后，美军的爆炸物任务组使用了18台清洁机器人，对伊拉克军队残留的爆炸装置、哑炮和地雷的清除起到了重要的作用。 在欧美地区当地的科学家们研制出了一种和传统的地雷机器人不同的机器装置，这种机器装置主要是三部分组成，第一部分是由行动部分组成，这部分可以使地雷排除小车行动自如的在复杂的雷场进行多变的行驶。第二部分是地雷检测部分，地雷检测部分通过高标准的金属探测器可以探测到地下三米左右的地方，如果发现地下有潜在的安全影患，就会激发第三部分的使用，第三部分就是地雷标志装置。只要有地雷在地下给检测到了，标志装置就会在地下地雷相对应的地上位置标志出鲜艳的黄色标志，然后小车继续向前进行地雷的扫除。整个探测过程可以做到相当高的自主性和自动化。使用摩托罗拉的中央处理模块和处理部件来完成对机器人的指令发出和执行任务。当