室内移动机器人新型视觉导航系统设计

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集。该方法的实现框图3中所示。

室内移动机器人新型视觉导航系统设计

从图5中可以看出，在ShockBurst收发模式下，MCU以

2．3图像处理模块设计

图像处理模块是本导航系统的核心部分，是实现机器人进行导航控制的依据。该模块主要完成两方面的功能：

10kbps的低速率向nRF2401的堆栈区送入数据，待数据达到数据包预先设定的长度之后，再以1Mbps的高速度将数据包发

射出去。这种工作模式相对于直接收发模式的优点是：由于是间歇性的发射信号，从而减少了电流消耗和对MCU的占用，同时由于通信时间减少也大大降低了与空气中其他通讯信号的互扰。不足之处在于：ShockBurst收发模式的实时性较差。因为，

图3

图像采集与处理系统

1）识别机器人行走环境中的障

碍物识别，保证机器人行走安全。

在ShockBurst收发模式工作的间歇期（nRF2401等待数据堆栈区被装满的过程中），机器人很可能因为没有实时的接收到控制信号而偏离预定路径。

考虑到在节能和抗干扰方面的要求，本设计选择了Shock-

2）对机器人进行跟踪，实时获取

机器人位置信息。

2．3．1可行走区域自动获取算法

基本原理：通过分析颜色，纹理等特征，从原始图像中分离出地板区域。并把机器人的行动路径限定在地板区域以内，从而实现对障碍物的躲避。

其设计流程如图4中所示。

Burst收发模式作为射频芯片的工作模式。同时，为了解决ShockBurst收发模式实时行较差的问题，我们在软件中使用了

一种特殊的设计方法。那就是用固定的数据自动填充数据包。每一条控制指令装入堆栈区以后，堆栈区剩余的空间就会被自动填满设定好的数据。从而，使得每一条控制指令被做为了一个完整的数据包而被实时的发送出去。经过验证，这种软件的设计上的改进使的射频芯片nRF2401在ShockBurst收发模式下的实时性达到了与直接发送模式同样好的效果。

解决了这个核心问题以后，就可以在ShockBurst收发模式下设计数据收发的子程序了。

2．3．2跟踪算法设计

首先，将机器人置于摄像头正下方，在移除视野内所有障碍物的情况下，获取一幅机器人与地面的图像。将其特征提取出来，作为模板，利用这个模板去比较后续获得的图像，使用基于模板匹配的算法对机器人进行跟踪。

2．3．3路径优化与控制

在已知机器人的当前位置与目标已知的情况下，在分离出的可行走区图4

域中选定一条最短路径。同时利用跟

地面区域获取方法流程

2．4．2射频模块的软件设计

（1）数据发送子程序设计

在ShockBurst收发模式下，nRF2401内置CRC(循环冗余校验)纠检错硬件电路和协议，可100％RF检验；发射数

据时自动加上处理字头和

踪算法对机器人位置进行实时捕获。这样，在机器人偏离设定路线一定的范围时，可以实时发现，并为机器人重新进行路径规划，设定新的行进路线。

CRC码，接收数据时自动把字头和CRC码移去。每个芯

片可通过软件设置最多

2．4无线指令模块的设计

为了能把图像采集和处理单元发送出的控制信号实时的传递给机器人。本设计在图像采集和处理以及机器人上同时使用了无线通信模块来完成通信任务。比起传统的有线通信方式，使用这种无线指令传送的设计，可以大大增加机器人的工作灵活性。

40bit地址，而且只有在收到

与本机地址一致时才会接收数据。而在直接模式下，

nRF2401如传统的射频收发

器一样工作。

射频模块nRF2401在

2．4．1射频模块的工作模式设计

本设计需要在图像处理和采集模块以及机器人控制器部分同时加入射频模块nRF2401。在图像采集和处理单元模块中，可以使用DSP控制nRF2401；在机器人部分，使用机器人的MCU直接控制nRF2401。

在完成硬件电路链接工作以后，根据事先规定好的协议，分别在两个MCU中写入相应的程序才能去启动射频芯片收发信号。

在设计程序之前，还必须先选定射频模块的工作方式。

ShockBurst方式的发送工作流程如图6所示。

流程图中，数据打包时注意数据码≤256－地址码

[8－40位]－CRC[8位或16位]。另外，nRF2401自动加

数据头向外发送数据时，需要在MCU中延时200μs。

发送原理如下：

图6

nRF2401的收发模式有ShockBurst模式(突发模式)和直接收

发模式两种。

直接收发模式的优点在于一直保持在数据高速收发状态，这样使通信的实时性较高。其缺点在于：射频芯片需要持续保持在工作状态必然会消耗电流和占用更多的MCU计算时间。

ShockBurst

方式发送流程图

ShockBurst收发模式下工作方式如图5中所示。

图5MCU和nRF2401之间发送数据示意图

CPU接口引脚为CE、CLK1、DATA，工作流程如下：

1）CPU有数据要发送时，把CE置高，nRF2401开始工作。2）接收节点地址和有效数据按时序被送到nRF2401子系统，可通过应用协议或CPU设置，使这个速度小于1Mbps（如10kbps）。

3）CPU把CE置低，激活ShockBurst发送。4）ShockBurst。给RF前端供电；

完成RF包处理（加前缀，CRC校验

）；