智能移动读书机器人的软件系统设计

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 2.44MB 83 页 15积分
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摘 要
本文主要结合上海学科高地项目–智能移动读书机器人关键技术研究，从智能
移动读书机器人软件系统实际需求出发，借助软件工程相关技术与理论，以智能
移动读书机器人的软件系统设计为研究重点，对软件系统关键技术进行了研究，
最终对整个软件系统进行了测试。
首先，对智能移动读书机器人的工作目标、工作流程、软件系统的关键技术、
硬件需求及软件系统功能需求等方面进行了详细的分析。
其次，对智能移动读书机器人的硬件系统结构和软件系统结构进行了设计，
提出了一种基于Windows平台的软件分层方法，将智能移动读书机器人的软件系统
分为四层，即协调执行层、数据传输层、核心控制层和应用服务层。通过对软件
系统的分层，明确了各个子软件系统在整个软件系统中的功能、作用和关系。为
了实现智能移动读书机器人的命令控制，提出了一种命令集处理方法，并制定了
详细的命令格式。同时针对上位机和下位机的通信问题，采用了一种高效率的
RS-232串口通信方案，即数据接收时采用中断方式，数据发送时采用查询方式。
再次，对智能移动读书机器人软件系统的两个关键技术进行了研究。即在六
自由度机械臂轨迹规划关键技术研究过程中，提出了一种可以过多路径点的轨迹
规划算法，并编写了相应的C程序；在机器视觉定位关键技术研究过程中，采用
Matlab标定工具箱对双目立体视觉系统进行了标定，之后结合OpenCV，采用BM
块匹配算法进行立体匹配，得出了目标物体的视差图和深度图，并对目标物体进
行了双目立体视觉测量试验。
最后，对整个软件系统进行了测试。测试结果表明，本软件系统结构合理，
具有良好的可行性。
关键词：智能移动读书机器人 软件系统 机器视觉 立体匹配
轨迹规划 OpenCV
ABSTRACT
This paper based on the key technology research of the Intelligent Mobile Robot
for Reading which belongs to Discipline Highland Project in Shanghai. According to
the software requirements analysis and by means of the theories of software
engineering, the software system design of Intelligent Mobile Robot for Reading is
mainly studied. The key technology of software system is discussed. The whole
software system is tested at last.
Firstly, the work target, work flow, the key technology of software system,
hardware requirements, and functional requirements of software system and so on are
analyzed in detail.
Moreover, the hardware system structure and software system structure are
designed, and a software layering method based on Windows platforms is presented,
the software system is divided into four layers: the coordinate executive layer, data
transmission layer, core control layer and application service layer. Through the
layering of software system, the functions, status and relationship of all subsystems are
defined. In order to realize the command control of Intelligent Mobile Robot for
Reading, the processing method of commands is put forward, and the command format
is formulated in detail. At the same time, aiming at the communication of PC and
lower computer, an efficient serial communication based on RS-232 is adopted, data
receiving adopts interrupt mode, and data sending adopts query mode.
Furthermore, the two key technologies of Intelligent Mobile Robot for Reading
Software System including trajectory planning based on 6-DOF manipulator and
machine vision positioning are studied with an a particular introduction from both
theoretical and practical viewpoints. Then, the paper puts forward a kind of multipath
point trajectory planning and writes the corresponding C program. And the stereovision
system is calibrated with Matlab camera calibration toolbox. After that, combining
with OpenCV, the disparity map and depth map are obtained, using the Block
Matching of Stereo Matching, and the target object is tested by an experiment of
stereovision measurement.
Finally, the whole software system is tested. The test result shows that the
software system structure is rational, and has good feasibility.
Key Words: Intelligent Mobile Robot for Reading, Software System,
Machine Vision, Stereo Matching, Trajectory Planning,
OpenCV
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................................1
§1.1 智能移动机器人软件系统概述..........................................................................1
§1.2 智能移动机器人软件系统发展现状..................................................................2
§1.2.1 国外发展现状 ..............................................................................................2
§1.2.2 国内发展现状 ..............................................................................................3
§1.3 本课题的来源及主要研究内容..........................................................................4
§1.3.1 本课题的来源 ..............................................................................................4
§1.3.2 主要研究内容 ..............................................................................................4
第二章 智能移动读书机器人软件系统需求分析 .........................................................5
§2.1 机器人系统需求概况...........................................................................................5
§2.1.1 机器人的工作目标 .......................................................................................5
§2.1.2 机器人的工作流程 .......................................................................................5
§2.1.3 机器人软件系统的关键技术问题 ...............................................................6
§2.1.4 机器人的硬件需求 .......................................................................................6
§2.2 机器人软件系统需求分析...................................................................................8
§2.2.1 软件系统功能需求分析 ...............................................................................8
§2.2.2 软件系统人机交互界面需求分析 ...............................................................9
§2.2.3 软件系统运行环境需求分析 .....................................................................10
§2.2.4 软件系统可靠性需求分析 .........................................................................10
§2.3 本章小结............................................................................................................. 11
第三章 智能移动读书机器人软件系统总体设计与实现 ...........................................12
§3.1 软件系统的设计原则.........................................................................................12
§3.2 硬件系统结构设计.............................................................................................12
§3.2.1 硬件结构详细设计 .....................................................................................13
§3.2.2 各子系统简介 .............................................................................................14
§3.3 软件系统结构设计.............................................................................................17
§3.3.1 软件系统框架结构设计 .............................................................................18
§3.3.2 协调执行层 .................................................................................................20
§3.3.3 数据传输层 .................................................................................................26
§3.3.4 核心控制层 .................................................................................................32
§3.3.5 应用服务层 .................................................................................................34
§3.4 本章小结.............................................................................................................39
第四章 智能移动读书机器人软件系统关键技术研究与实现 ...................................40
§4.1 六自由度机械臂轨迹规划关键技术.................................................................40
§4.1.1 机械臂轨迹规划算法 .................................................................................40
§4.1.2 机械臂轨迹规划仿真结果及分析 .............................................................44
§4.1.3 机械臂轨迹规划源程序实现 .....................................................................46
§4.2 机器视觉定位关键技术.....................................................................................48
§4.2.1 双目立体视觉测量原理 .............................................................................49
§4.2.2 双目立体视觉系统标定 .............................................................................50
§4.2.3 机器视觉定位验证试验 .............................................................................57
§4.3 本章小结.............................................................................................................64
第五章 智能移动读书机器人软件系统测试 ...............................................................65
§5.1 软件系统测试概述.............................................................................................65
§5.2 硬件设备与软件环境准备.................................................................................65
§5.2.1 硬件设备准备 .............................................................................................65
§5.2.2 软件环境准备 .............................................................................................68
§5.3 软件系统测试.....................................................................................................69
§5.3.1 手动控制系统测试 .....................................................................................69
§5.3.2 命令控制系统测试 .....................................................................................70
§5.3.3 各关键技术模块测试 .................................................................................72
§5.4 本章小结.............................................................................................................73
第六章 总结与展望 .......................................................................................................74
§6.1 研究总结.............................................................................................................74
§6.2 研究展望.............................................................................................................74
参考文献 .........................................................................................................................76
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................79
致 谢 ...............................................................................................................................80
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 智能移动机器人软件系统概述
随着相关科学技术和计算机技术的高速发展，传统的机械系统已不能满足社
会进步的需求，机械系统正朝着智能化和信息化的方向发展，从而促使新的事物
出现来满足现代社会生产力的需求。
智能移动机器人是能够在已知或未知环境中自主运动的智能机器人。从仿生
角度出发，它结合了环境感知、智能控制、动态决策与规划、行为控制与执行等
多项功能于一体的智能化机械系统[1]。它涉及到机械、电子、人工智能、计算机等
多个学科[2]。由于智能化程度较高，智能移动机器人的应用越来越广泛，几乎渗透
到所有领域，已在军事、航天等其它环境中得到成功的应用[3]。
本文对智能移动机器人的研究工作，主要从两方面进行：硬件系统研究和软
件系统研究。硬件系统研究主要对智能移动机器人的本体结构、硬件系统结构、
控制系统结构等方面进行研究。其中对于本体结构的研究是指对智能移动机器人
的型体结构（人型、车型等），以及移动方式的选择（双足、轮式、履带等）来
进行研究；对于硬件系统结构的研究是指对智能移动机器人硬件系统的结构（集
中式或分布式），以及硬件的实现方式（核心控制器的选择、总线的选取等）来
进行研究[4]；而对于控制系统结构的研究是指对智能移动机器人该如何进行控制
（手动控制、命令控制或自主移动等）来进行研究。智能移动机器人的软件系统
和硬件系统则不同，主要集中在某一项研究，比较单一，而且综合性研究较少。
这是因为智能移动机器人的软件系统是一个综合性的控制系统，它包含了众多的
先进技术，而且往往是针对某种硬件配置来进行开发。所以，由不同硬件系统组
成的智能移动机器人，他们的软件系统也不相同。但如果从智能移动机器人的软
件实现及其应用等方面来分析，智能移动机器人的软件系统主要包括两方面的研
究：软件系统开发技术研究[5]和软件系统关键技术研究[6]。智能移动机器人的软件
开发技术研究主要是指对智能移动机器人的软件架构[7]、开发方式[8]、编程方式[9]
等内容进行研究；智能移动机器人的软件关键技术研究主要是指对智能移动机器
人的智能控制[10]、轨迹规划[11]、自主导航与路径规划[12]、机器视觉[13]、模式匹配
[14]等方面的技术进行研究。在智能移动机器人的发展之初，设计者的主要研究重
点都在硬件系统上，对于软件系统的研究还比较少。经过长年的累积，对智能移
动机器人硬件系统的研究已经取得了卓越的成果，但智能移动机器人软件系统的
智能移动读书机器人的软件系统设计
2
研究成果还颇少。随着社会生产力的提高，智能移动机器人的应用也越来越广泛，
人们对智能移动机器人的软件系统要求也日益增高，所以未来智能移动机器人的
研究重点必然会从硬件系统转向软件系统[15]。
§1.2 智能移动机器人软件系统发展现状
§1.2.1 国外发展现状
随着传感器的引入和智能移动机器人领域的不断发展，控制的对象和任务越
来越复杂，智能移动机器人的软件系统也越来越受到重视。这方面研究起步比较
早的是美国和日本，在软件系统方面一直处于领先地位。
国外对智能移动机器人软件系统的研究主要包括：软件架构、开发平台工具、
开发（编程方式）等。软件架构是一系列相关的抽象模式，用于指导大型软件系
统各个方面的设计，软件架构是一个系统的草图，具体是指软件组成的体系结构
或框架结构[16]。智能移动机器人的软件系统设计通常是基于独立结构来进行开发，
一般都是采用专用的计算机、专用的操作系统、专用的机器人语言(如VAL、SIGLA、
IML、AL)[17]，然后将控制算法固化到专用微处理器中。但如果对系统功能进行扩
展和改进，这种结构存在很多缺点（如软件独立性差、软件结构及逻辑结构依赖
硬件基础、软件系统移植性差等）[18]。随着计算机技术的不断发展和不断成熟，
发展基于PC平台的智能移动机器人的软件系统，显然成为智能移动机器人软件系
统设计的重点[19, 20, 21]，基于PC机平台的智能移动机器人的软件系统，可以更高效
率的利用计算机软件工程开发技术与设计技术，从而为不同种类的智能移动机器
人的软件系统奠定了基础[22]。
智能移动机器人的编程方式比较普通，和一般机器人的编程方式类似。简单
的智能移动机器人的编程方式大多都采用拼接的方式来实现，复杂的智能移动机
器人的编程方式大部分都采用高级语言编程（如C#、C、VC++等）[23]。随着程序
编写过程的不断积累，代码的不断增多，软件系统的开发过程变得越来越复杂，
需要考虑到的特殊情况也越来越多。如果没有足够的时间，预先把可能的出现的
问题都考虑周全，那么开发出满足功能需求的智能移动机器人的软件系统是不可
能的。就算开发出了满足功能需求的智能移动机器人的软件系统，也会花费大量
的人力和物力。而且软件系统的开发的效率低，可靠性差。从而就需要一种编程
方法来解决这个问题，能使得软件系统的开发变得相对简单。最近几年，软件系
统设计人员开始采用基于行为的机器人编程方法。基于行为的机器人编程技术是
第一章 绪论
3
一门实用的机器人技术，是一种有效的机器人软件系统开发方法。采用基于行为
的编程方法，需要为机器人设计一系列的简单行为（通过感知信息控制执行过程
的算法），行为之间相互协调和协作，产生所需的机器人整体行为。基于行为的
机器人编程技术是一种新型的软件系统开发技术，被广泛应用在智能移动机器人
的软件系统中[24, 25]。
近些年来，智能移动机器人被广泛应用在各个领域，人们对智能移动机器人
软件系统的开发提出了更高的要求，希望开发出一种通用的机器人软件系统开发
平台，这样就能减少智能移动机器人软件系统开发的难度，大大提高智能移动机
器人软件系统开发的效率。机器人软件系统开发平台是指用于多种机器人设备开
发程序的软件包[26]，它主要包括：统一的编程环境、统一的编译执行环境、可重
用的组建库、完备的调试及仿真环境、对多种机器人硬件设备的驱动程序提供支
持、通用的常用功能控制组件（如机器视觉技术、自主导航技术和机械臂控制技
术等）；例如：Evolution Robotics ERSP、Microsoft Robotics Studio、OROCOS、
Skilligent、URBI、Webots等[27, 28]。这些机器人软件系统开发平台的推出，从表面
上看来在一定程度上减少了控制系统软件开发的难度，但是由于各个软件系统开
发平台所针对的领域不同，所支持的开发环境也不相同，在实际的应用中还存在
一定的局限性；例如：Evolution Robotics ERSP同时支持Windows和Linux平台，代
码不开源；Microsoft Robotics Studio支持windows平台，代码不开源；OROCOS支
持linux平台，代码开源，但是不支持分布式环境和行为协作，且不具有物体识别
模块、导航模块等[26]。尽管是这样，人们对机器人软件系统开发平台的研究还从
来没有间断过，人们希望在未来能开发出一种通用机器人软件系统开发平台，这
样将会大大缩短智能移动机器人软件系统开发的周期和时间。
§1.2.2 国内发展现状
国内对于智能移动机器人软件系统的研究起步较晚，大多数的研究尚处于初
步研究阶段，但是在某些的单项研究方面上还是取得了一定的成绩。例如：清华
大学室外移动机器人和智能装配机器人软件系统的研究；中科院沈阳自动化所水
下机器人的软件系统和室内环境移动机器人的软件系统的研究；上海交通大学机
器人研究所的机器人装配线软件系统的研究；哈尔滨工业大学机器人研究所的特
种机器人软件系统的研究；国防科技大学步行机器人软件系统的研究；南开大学
机器人控制器软件系统的研究；中国科学院自动化所智能移动机器人软件系统的
研究等。
智能移动读书机器人的软件系统设计
4
§1.3 本课题的来源及主要研究内容
§1.3.1 本课题的来源
本课题源于上海学科高地项目，其研究目标为：智能移动读书机器人的软件
系统设计。通过智能移动读书机器人的软件系统设计，本文想解决以下几个问题：
1. 智能移动读书机器人软件系统需求分析；
2. 智能移动读书机器人软件系统框架结构设计；
3. 智能移动读书机器人软件系统关键技术研究，即六自由度机械臂轨迹规划
关键技术、机器视觉定位关键技术；
4. 智能移动读书机器人软件系统测试。
§1.3.2 主要研究内容
本文着重研究以下几个方面的内容：
第一章，绪论。介绍本论文的研究背景及其意义，分析了国内外智能移动机
器人软件系统的发展现状，最后阐述了本论文的来源和主要研究内容。
第二章，智能移动读书机器人软件系统需求分析。本章首先对智能移动读书
机器人的工作目标、工作流程、软件系统的关键技术、硬件需求等进行了详细的
分析。最后根据分析结果，对整个软件系统进行了全面的需求分析。
第三章，智能移动读书机器人软件系统总体设计与实现。本章根据智能移动
读书机器人的硬件需求和软件需求，完成了智能移动读书机器人的硬件系统结构
设计和软件系统结构设计，将智能移动读书机器人的软件系统分为四层，即协调
执行层、数据传输层、核心控制层和应用服务层。
第四章，智能移动读书机器人软件系统关键技术研究与实现。本章主要介绍
了智能移动读书机器人软件系统的两个关键技术，即六自由度机械臂轨迹规划关
键技术和机器视觉定位关键技术。
第五章，智能移动读书机器人软件系统测试。本章对整个软件系统进行了测
试。
第六章，总结与展望。对研究做总结，并对研究内容进行了展望。
摘要：

摘要本文主要结合上海学科高地项目–智能移动读书机器人关键技术研究，从智能移动读书机器人软件系统实际需求出发，借助软件工程相关技术与理论，以智能移动读书机器人的软件系统设计为研究重点，对软件系统关键技术进行了研究，最终对整个软件系统进行了测试。首先，对智能移动读书机器人的工作目标、工作流程、软件系统的关键技术、硬件需求及软件系统功能需求等方面进行了详细的分析。其次，对智能移动读书机器人的硬件系统结构和软件系统结构进行了设计，提出了一种基于Windows平台的软件分层方法，将智能移动读书机器人的软件系统分为四层，即协调执行层、数据传输层、核心控制层和应用服务层。通过对软件系统的分层，明确了各个子软...

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