魔方还原智能视觉机器人的设计与实现

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1、目录目录设计总说明IINTRODUCTIONII第1章绪论……………………………………………………………………………….11.1智能机器人的发展11.1.1发展背景11.1.2发展目的与意义11.2本设计的主要内容和目标1第2章机器人的整体设计22.1机器人组成介绍22.2系统结构框图32.3系统的关键技术3第3章机器人的机械设计43.1机械臂的设计43.1.1机械臂的动力系统43.1.1.1动力系统分析43.1.1.2动力系统选择53.1.2机械臂材料选取63.1.3机械臂的结构63.2机器人的架构设计73.2.1机器人的架构选材73.2.2机器

2、人的架构设计8第4章机器人的硬件设计84.1微处理器（MCU）84.2摄像头94.3视频解码芯片104.4可编程逻辑芯片CPLD104.5电源管理芯片114.5.13.3V稳压114.5.212V升压114.6输入输出系统114.7舵机接口12第5章机器人的软件设计125.1图象采集系统12目录5.1.1摄像头的CVBS信号125.1.2通过IIC总线配置SAA7111A解码芯片145.1.2.1IIC总线解释145.1.2.2SAA7111A需要配置的寄存器155.1.3经过SAA7111A解码后的时序175.1.4单片机对彩色图像采集195.1

3、.4.1引脚中断195.1.4.2数据采集205.2机器视觉－图像处理算法225.2.1魔方识别算法225.2.2魔方跟踪算法225.2.3上位机与下位机通信协议235.2.4魔方色块颜色分辨算法255.2.4.1HSL色彩模型265.2.4.2魔方颜色识别275.3智能计算－虚拟魔方算法295.3.1虚拟魔方配色295.3.2虚拟魔方坐标变换算法295.3.3虚拟魔方还原算法305.3.3.1魔方还原方法的选择305.3.3.2CFOP－Corss325.3.3.3CFOP-F2L335.3.3.4CFOP-OLL355.3.3.5CFOP-PL

4、L365.3.4虚拟魔方还原步骤优化算法385.3.4.1重复步骤优化385.4机械臂控制算法385.4.1控制机械臂原理385.4.1.1舵机控制原理385.4.1.2PWM信号395.4.2控制机械臂旋转395.4.3控制机械臂夹持405.4.4控制机械臂完成单面旋转动作405.4.5控制机械臂完成整个魔方翻转动作415.5输入输出调试系统415.5.1矩阵按键输入41目录5.5.1.1中断输入初始化415.5.1.2按键扫描425.5.2OELD屏幕425.5.2.1屏幕传输方式以及时序435.5.2.2屏幕扫描方式435.5.2.3控制屏幕

5、显示英文字符串与数字44第6章机器人的PCB设计456.1原理图设计456.2PCB元件布局476.3PCB布线476.4PCB实物48第7章机器人的整体调试487.1通过编程接口调试487.2利用板载键盘与OLED调试497.3虚拟算法调试50第8章毕业设计总结50鸣谢52参考文献53设计总说明设计总说明智能机器人是具有感知,思维和行动能力的机器，是机构学，自动控制，计算机，人工智能，光电技术，传感技术，通信技术，仿真技术等多种学科和技术的综合成果，它从一个侧面反映了一个国家科技发展的水平。更重要的是，作为新一代生产和服务的工具，它在国民生产和生

6、活的各个领域都占有更广泛，更重要的位置，这对于人类开辟新的产业，提高生产和生活水平具有十分现实的意义。因此智能机器人技术作为科技技术的一个分支，受到了世界各国的普遍重视。实现一个大型的智能机器人，需要不少资金，不少调试时间，和不少精力，所以本次设计中，把设计难度降低，让设计可以独力在半年内完成，因此确定了制作一个拥有自己的视觉，能够自主思考，能够通过对机械臂实现把任何随意打乱魔方进行还原的智能视觉机器人。本设计主要内容是：通过舵机实现扭动魔方，通过摄像头实现机器视觉，摄像头拍摄到魔方各个面的图片，单片机对摄像头信号解码、储存、分析图片，实现魔方的识

7、别，与对魔方色块位置的跟踪，对色块位置提取颜色值后计算魔方各个面中各个色块的颜色，由于PAL信号是YUV格式，需要转换成RGB模式，以适应单片机接收数据，然而RGB不适合单片机来区分颜色，还需要转换到HSL颜色坐标系系才好分析颜色，识别出来颜色后在程序中虚拟一个与现实一模一样的魔方，然后在程序里面对虚拟的魔方求解，解算出最快的路径还原魔方后，通过PWM信号控制舵机旋转和夹持，来实现路径还原。彩色液晶屏幕可以实时显示魔方跟踪状态，以供演示和实时调试之用，另外，在旋转魔方的同时，每旋转一步魔方，液晶屏幕都会实时观察到虚拟魔方的状态，以方便程序调试，而不

8、一定要等待舵机旋转魔方，可以节省不少调试时间；由于同时需要显示和运算等操作，一片STM32难以满足需求，因此此次设计利用两