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基于Qt的移动机器人上位机软件设计及可行性研究

摘要：为了实现移动机器人运行过程状态数据的可视化，以面向对象的Ｃ＋＋

编程语言，设计了一款基于跨平台的Qt图形库框架的上位机监测软件；该软件

对接收到的状态数据进行解码、分离并绘制移动机器人实时运行轨迹和状态信息

波形曲线等功能；首先概述了自行设计搭建的移动机器人硬件平台的结构和原理

以及软件的实现流程；然后简要介绍了上位机软件的开发环境，并阐述了软件的

各项功能以及其设计与实现过程；最后以移动机器人路径跟踪运动控制作为实验

对象，验证了所设计上位机软件的有效性。

关键词：Qt；上位机；移动机器人；路径跟踪；数据可视化

移动机器人是一类能够借助一些运动部件，如轮子、履带或机械足等装置，

在较大范围和空间内自由移动的机器人。由于自身结构灵巧，环境适应能力强等

特点，移动机器人的应用已经渗透到了社会生活的各个领域。如军事领域排雷排

爆、敌军情报侦察、有害危险物品处理以及复杂作战条件下的军械物资搬运的机

器人；工业领域作为运输工具的AGV，通常可以运送数十吨到几千克不等的钢材、

生产模块和电子元器件等物料，尤其是在物流快件的分拣运送方面，AGV正得到

广泛的投入使用，极大提高了物流行业的运输效率；在民用领域，如家庭机器人

中的扫地机器人，餐厅里专门负责点餐以及膳食的配送工作的移动机器人，还有

一些高级公寓使用移动机器人来执行安保以及自动调度泊车等任务。此外，高智

能的移动机器人，无人驾驶汽车，近几年来作为一个热门项目也正得到越来越多

的高科技公司和一些汽车生产厂商的青睐。移动机器人之所以能够得到如此迅速

的发展应用，离不开计算机技术以及控制技术的发展。尤其是移动机器人运动控

制技术的发展在其中起到了关键的作用，有效的运动控制技术为移动机器人能够

进一步实现更为复杂的任务打下了坚实的基础。

为了实现移动机器人良好的运动控制效果，需要对相应控制算法的有效性做

出评估。在实验过程中，通过肉眼观察移动机器人的运行效果往往不够精确，很

难从客观上分析该算法的实际性能表现。另一方面，由于环境限制使得研究人员

不能直接感知移动机器人的运动控制情况。因此，如何实现有效的数据可视化则

成为一种必要的需求。本文提出了基于跨平台的Qt图形库框架，以面向对象的

Ｃ＋＋编程语言，设计一款人机交互软件来实现移动机器人运行状态数据的可视

化。

1.移动机器人结构及原理

本文所提上位机软件的实验对象是一辆自主设计的以视觉导航为主的智能小

车，其底板结构由两个驱动轮以及一个万向轮组成，实物对象如图1所示。该结

构的设计既简洁有效又稳定可靠，保证了智能车平稳运行的前提。

图1智能车系统硬件实物图

外围硬件电路模块的主要功能及其工作原理如下：

1）采用拨码开关作为用户输入媒介。

由于拨动开关所引起的电路通断会产生高低电平的转换，处理器通过检测其

Ｉ／Ｏ口电平状态而得知用户意图，以次实现了智能车相关初始化参数的设置，

避免了程序的多次编译及烧录。

2）采用霍尔传感器设计智能车的里程计。

霍尔传感器是一种基于霍尔效应而制作的磁传感器，由于其反应灵敏等特点，

能够及时响应电机快速运转情况下的检测任务。其工作过程主要由Houta及

Houtb引脚输出两路测速方波，再通过处理器的定时器输入捕获引脚在单位时间

内所捕获的方波数，以确定智能车的实际运行速度。进一步，在一定时间段内，

利用处理器所检测到的方波数以及其与驱动轮运行转数的关系，便可设计出智能

车的虚拟里程计模块。

3）采用OV7620数字摄像头作为视觉检测模块。

OV7620是一款P制标准的COMS摄像头，每秒可输出30帧图像数据。处理

器通过检测其引脚VSYN及ＨＲＥＦ的电平变化而获取图像数据的采集情况，从

而及时存储该摄像头所采集到的图像数据。

４）采用MPU9250作为智能车的姿态解算模块。

MPU9250是一种集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪的IMU惯性传感器，处

理器通过对各项惯性数据的解算，便可得到智能车的航向角信息。

５）采用STM32F407单片机为系统主控单元。

STM32F407是一款基ARMCORTEXTM-M4处理器内核的高性能控制器，常用

于工业控制领域。其拥有最高工作频率为168MHZ，以及高达1Ｍ的可编程存储

容量，有效满足了智能车系统实时处理大量传感器数据以及进行高负荷运算的需