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 4 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
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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