视觉移动机器人控制系统设计

I摘 要机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先设定的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类的工作，例如1.生产业，例如利用电焊机器人、分配机器人、装配机器人、喷漆机器人等工业机器人进行机械生产等。2.物流方面，例如利用移动机器人进行货物的卸载及搬运等。3.危险的工作，例如利用军事机器人在战场上进行扫雷，利用航天机器人进行宇宙探索，利用工业机器人进行长时间的水下作业、利用科研机器人在火山等不利于人直接到达的区域采集标本等。本文设计的视觉移动机器人主要内容包括：底盘结构设计、底盘的控制系统以及视觉算法。1.底盘结构设计：机器人采用独立驱动的两轮式结构，动力源采用步进电机，减速装置采用齿轮减速，利用差速移动平台实现机器人的转向，选用增量式光电编码器对机器人速度进行检测，实现机器人的自主定位。2.底盘控制系统：应用PIC16F877单片机接受视觉传感器的视觉信号，做出决策然后产生驱动信号，控制步进电动机。步进电机的驱动电路采用两个电机驱动芯片L298，实现步进电机的控制，完成机器人转向、加速等功能。3.视觉传感部分及视觉算法：以视觉传感器做为机器人的感知系统，利用机器人的摄像头拍摄目标图像，通过图像处理技术提取机器人所在环境的环境特征，实现机器人对环境信息的采集 。1关键词：移动机器人，运动控制，底层控制，PIC16F877，步进电机IIAbstractRobot (Robot) is automatic implementation of the robotic device. It can accept human command, they can run pre-set programs can also be formulated in accordance with the principles of artificial intelligence program action. Its mission is to assist or replace human work, such as1. Production industry, such as use of arc welding robots, welding robots, distribution, robots, painting robots, industrial robots, mechanical production.2. Logistics, such as using mobile robots for unloading and handling of goods,3. Dangerous work, such as the use of military robots for demining in the field, using space robot space exploration, utilization of industrial robots for a long time underwater, using scientific robots in the volcano, which are not conducive to directly reach Regional collected specimens.This mobile robot visual design include the following: chassis structural design, chassis control systems and vision algorithms.1. Chassis Design: the robot driven by two independent structure, the power source by a stepping motor, gear reduction device with the use of differential steering mobile robot platform, use incremental photoelectric encoder of the machine one speed test, the autonomous robot localization.2. Chassis control system: application of vision sensors PIC16F877 microcontroller to accept visual signals to make decisions and generate drive signals to control the stepper motor. Stepper motor drive circuit uses two motor driver chip L298, stepper motor control to achieve complete robot steering, acceleration and other functions.3. Visual and visual sensing part of the algorithm: as a robot with vision sensor perception system, using the robot camera shooting target image, image processing technique to extract the robot through the environment where the environmental characteristics, information on the environment the robot collection.Key words: mobile robot, motion control, the underlying control, PIC16F877, stepper motorIII目录摘 要 .IAbstract .II前言 .11 基于视觉的移动机器人 .21.1 移动机器人的研究历史 .21.2 移动机器人的研究意义 .31.3 移动机器人研究的国内外现状 .52 视觉移动机器人方案的确定 .82.1 视觉移动机器人机械结构设计方案 .82.2 视觉移动机器人控制系统设计方案 .102.3 视觉移动机器人视觉系统设计方案 .112.4 视觉移动机器人最终模型 .133 视觉移动机器人机械结构设计 .153.1 电动机的确定 .153.2 减速箱的确定 .154 视觉移动机器人控制系统设计 .214.1 运动学模型 .214.2 电子元件选型 .235 移动机器人的视觉算法 .265.1 图像的采集 .265.2 图像的预处理 .26结论 .30致 谢 .31参考文献 .32附录 .331前言随着现代科技日新月异的发展，许多行业的工作有时不适合人类直接动手操作，移动机器人也便应运而生。移动机器人的导航方式分许多种，目前，随着视觉传感器价格的不断下降，计算机处理速度的不断提高，图像处理理论的不断完善，信息量丰富的视觉移动移动机器人已经成为移动机器人领域的研究热点，并在国内外许多领域得到了应用。本设计正是研究的视觉移动机器人，此次设计中机器人通过摄像头摄取判断目标物的的图像从而判断其位，内部视觉处理设备再根据机器人的距离与角度进行计算，最终确定机器人的前进、倒退、拐弯等动作 。此方法控制的机器人灵活性强，操作2准确，不受温度、天气环境等外部条件的影响，长期以来被广泛的应用到移动机器人的导航研究中，例如多次在机器人竞赛中夺冠的足球机器人就是运用的此方法的简单应用，目前足球机器人比赛已经发展成为一项国际性的大型比赛。因此，视觉移动机器人机器人的研究具有重要意义。21 基于视觉的移动机器人1.1 移动机器人的研究历史机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器 。机器人的历史可以追溯到 20 世纪六十年代。1962 年，美国 Unimation 公司的3第一台工业机器人 Unimate，在美国通用汽车公司(GM)投入使用，标志着第一代机器人的诞生，也就是工业机器人的诞生，而本课题设计的移动机器人与工业机器人有着很大的区别，移动机器人更加强调了机器人具有的移动能力，从而面临比固定式机器人更为复杂的不确定性环境，也增加了智能系统的设计复杂程度。移动机器人是一种集环境感知，路径规划，行为控制等多项功能于一体的高智能化机械系统，能够连续、实时地实现自主控制。其中环境感知是指机器人所使用的各种传感器，它相当于机器人的感觉器官，目前机器人应用比较多的传感器有：超声波传感器、红外传感器、视觉传感器、激光测距传感器、味觉传感器等等。由于现代科技的发展使视觉传感器的成本越来越低，易用性也越来越强，视觉传感器机器人的应用也因此越来越广阔。对视觉机器人的研究从机器人研究初期就开始了，例如：168 年到 1972 年间，美国斯坦福国际研究所(Stanford Research Institute, SRI)研制的移动机器人 Shaky 就是一台视觉机器人,Shaky 具备一定人工智能，能够自主进行感知、环境建模、行为规划并执行任务(如寻找木箱并将其推到指定目的位置)。不过当时计算机的体积庞大，运算速度缓慢，导致 Shaky 往往需要数小时的时间来分析采集的视觉图像并规划行动路径。前苏联月球 17 号探测器把世界第一个无人驾驶的月球车送去月球，月球车行驶0.5 公里，考察了 8 万平方米的月面。后来的月球车行驶 37 公里，向地球发回 88 幅月面视觉全景图。在同一时代，美国喷气推进实验室也研制了月球车(Lunar rover),应用于行星探测的研究。采用了视觉传感器，激光测距仪以及触觉传感器。机器人能够把环境区分为可通行、不可通行以及未知等类型区域。1973 年到 1979 年，斯坦福大学人工智能实验室研制了 CART 移动机器人，CART 可以自主地在办公室环境运行。CART 每移动 1 米，就停下来通过摄像机的图片对环境进行分析，规划下一步的运行路径。由于当时计算机性能的限制，CART 每一次规划都需要耗时约 15 分钟。1981 年，卡耐基梅隆大学机器人学研究所开始研制机器人 CMU Rover，它具有 12个微处理器来处理实时任务，一个大型的远程计算机通过遥控方式来进行复杂规划与环境分析。它通过声纳传感器与视觉传感器来探测环境中的障碍。3由于计算机的运行速度以及传感器感知能力的限制，这些移动机器人的实时控制性能不佳。每自主前进一步都需要停下来花费大量的时间进行计算，因此在实际应用中通常采取遥控的方式。进入 20 世纪 90 年代，随着计算机技术的飞速发展，机器人的感知、决策能力也获得了长足的进步。本课题正是在这样的背景环境中提出。1.2 移动机器人的研究意义随着计算机技术的发展，机器人的研究也在日新月异，许多机器人已经成为某些行业不可缺少的一部分，对移动机器人的研究涉及到的学科理论与技术也越来越广泛，其中图像处理技术、计算机编程技术、传感器技术、自动控制技术以及机械加工技术都是机器人研究的必备技术。目前，移动机器人有着广泛的应用前景。根据其应用范围，移动机器人可以分为如下几类：办公机器人：Jijo-2：这是一款办公自动化机器人，在办公室起到移动信息库的作用。该机器人在日语中的意思为“聪明的人”，由于内置了超声波传感器，能够自动地移动。 图 1-1 Jijo-2家用机器人： 4jak：这是由 KIST 和 Woori 技术公司共同研作的家用机器人，它具有自律行走、真空清扫和保安功能，已被商用化的 Ijak 凭借声音识别技术，履行室内清扫、MP3AODVOD 等多媒体服务和日程管理功能。 图 1-2 jak探测机器人 ：CCTV Robot System：根据韩国的国情精心设计的小型、轻便的防水结构，可适用于直径 250600 的导管，由于采用了高清晰 CCD，画质非常清晰。它可分为直视摄像机和侧视摄像机，侧视摄像机为 PAN/TILT 结构，能够 360 度自由旋转。它的电子式控制装置操作简便，适用于观察上下水管道和煤气管道等各种管道。 图 1-3 CCTV Robot System5防止危险和灾害的机器人： Gembu II：该机器人根据 Active Multibody 移动机器人概念设计开发，主要制作目的是为了模拟和分析开发具有实质意义的镇压火灾型机器人所需的各种条件和数据。在设计机器人时，以机械特点为基本条件，充分考虑了操作简便、牢固和模块化等因素。 Telerob & IVECO：由于在机器人身上安装了红外线摄像机等各种摄像机和传感器以及控制器，能够识别火焰的中心点，采取相应措施。由于进行了特殊的设计，烟雾不被视为障碍物，它能躲避致命的危险。 图 1-4 Telerob & IVECO研究用机器人： Kismet：这是为了研究机器人与人类的相互作用而研制的自律性机器人。由于它能以面部表情传达信息，可以为沟通方面的研究提供更加丰富的信息。机器人的眼睛为移动式镜头，双眼能同时斜视，因此可以实现三个角度移动。为了体现面部表情，在机器人身上设计了眉毛(分别为第二角度)、耳朵(分别为第二角度)、眼皮(分别为第二角度)、口(第一角度)等特征点。因此，可以改变这些特征点，体现出疲劳、恐怖、讨厌、兴奋、幸福、悲哀及惊讶等面部表情。 由上可知，智能机器人的研究及应用已经遍布人们生活的各个领域，对于视觉机器人或者说智能机器人的研究具有很大意义。1.3 移动机器人研究的国内外现状目前，对机器人的研究越来越受到重视，索杰纳的成功应用，成为移动机器人技6术发展的一个崭新的里程碑，向人们展现了移动机器人代替人们从事肮脏(Dirty)，危险(Dangerous)，枯燥(Dull)工作的应用潜力，激发了人们对于移动机器人技术研究的极大热情，世界各国或国际机构都加大了相关研究的力度 。在近几年内，国外的突4出成就有以下几个方面：欧盟：欧盟在 20002004 年启动的信息社会技术计划中开展了探测火山环境的机器人、用来评估地振危险性的爬行机器人(ROBOSENSE)、借助机器人的交互式博物馆临场感(TOURBOT)等项目研究。ROBOSENSE 将开发一台能够携带探伤仪器的移动机器人，对地振造成的建筑物结构性损害进行检测，此外欧盟还开展了移动机器人应用于人道主义排雷等研究。法国：法国国家科学研究中心于 2001 年中期，提出了一项有关机器人技术的大型国家计划，称作“机器人与人工体”。此计划对“感知器执行器”与认知功能进行跨学科的研究，实现这些功能在智能系统内的集成，能够在开放的、变化的环境中自主完成各种任务，实现智能机器人与人交互、通过学习改进其行为的功能。具体开展了移动式操作手，移动机器人视觉定位，行星机器人 1 以及多移动机器人协作等研究。前苏联：前苏联曾经在移动机器人技术方面居于世界领先的地位，Lunokhod-1 是最早登上月球的遥控式移动机器人。俄罗斯作为前苏联的继承者，在机器人技术领域依然具有当雄厚的技术基础，ROVER 科技有限公(Rover Science & Technology Joint-stock Company Ltd., RCL)把在开发空间机器人中获得的经验应用于开发地面机器人系统，如极坐标平面移动车、爬行移动机器人、球形机器人、工作伙伴平台以及 ROSA-2 移动车等。日本：日本经济产业省(Ministry of Economy, Trade and Industry, M ETI)1998 年开始启动了人形机器人技术研究计划(HRP)。在这一年，日本本田(Honda)公司展出了人形移动机器人的一个主要目标就是开发一个开放体系结构的人形机器人平台(简称 Open HRP)，用来探索人形机器人的各种应用 .METI 从 2002 年又启动了一项国家项目一一“21 世纪机器人挑战”,其中一个三年的子项目是开发应用于机器人开放式结构的中间件)。中间件能够对市场上销售的各种机器人零件实现标准化，并且能够更加容易地对这些零件进行系统集成。更长远的预期在于到 2009 年，实现机器人商品化(Commercialize),将机器人的应用领域扩展到家庭(Home)，医疗服务(Medical care)、灾害救助(Disaster relief)。此外，日本也一直进行着有关月球探测的研究，计划于2015-2020 年在月球上建立一个小型基地，与该计划相应的行星漫游车研究也很活跃。韩国：韩国科学技术部(Ministry of Science and Technology，MOST)于 1999 年启动的“21 世纪尖端研究发展计划”(21Century Frontier R&D Program)，包括了服务机器人、恶劣环境中的机器人、微型机器人以及排雷机器人项目韩国信息与通讯部(Ministry of Information and Communication , MIC)发布了旨在促进 IT 增长的 9个优先发展领域(Top 9 IT Growth Sectors)，其中智能化的服务机器人被列为首位。7美国：美国在行星移动机器人以及军用移动机器人的研究与应用方面投入了大量资金与科研力量。如:美国 NASA 支持的火星探测计划、美国国防部支持的无人战车研究计划 UGV(Unmanned Ground Vehicle)美国能源部的核废料等危险品搜集、搬运自主车研究计划等项目，吸收许多知名大学与研究所的科研人员参与。最近的突出成果是2003 年发射的火星漫游机器人“勇气”号与“机遇”号，它们的顶部装有全景照相机及具有红外探测能力的微型热辐射分光计，携带多种分析仪器对火星岩石纹理及其成分进行探测。“勇气”与“机遇”号的探测使命预计为 90 个火星日，但在 2004 年成功着陆后，目前己经远远超过了预期的工作寿命。国内有关移动机器人研究的起步较晚， “八五”期间研制了 ATB-1，即军用智能机器人平台，由浙江大学、国防科技大学、清华大学等联合研制。 “九五”期间又研制了军用“智能机器人平台 2 号，道路自主驾驶的最高速度为 74Km/h。在国家“十五”863计划中，展开了一系列的有关智能机器人方面的研究。在危险环境下作业移动机器人高机动性越障机器人、多足仿生机器人、仿人形机器人等研究项目取得了众多的成果，这些技术指标均处于世界领先的地位。这一系列的成就推动了我国移动机器人技术的发展，缩短了与国外先进水平的差距，而且在某些领域也取得了国际领先的成果，己经成为我国机器人应用的一个突出领域。82 视觉移动机器人方案的确定2.1 视觉移动机器人机械结构设计方案2.1.1 动力源的选择机器人的动力源 主要有步进电机，直流电机和交流电机。其中：5直流电机：定 义 输 出 或 输 入 为 直 流 电 能 的 旋 转 电 机 ， 称 为 直 流 电 机 ， 它 是 能 实现 直 流 电 能 和 机 械 能 互 相 转 换 的 电 机 。 当 它 作 电 动 机 运 行 时 是 直 流 电 动 机 ， 将 电 能转 换 为 机 械 能 ； 作 发 电 机 运 行 时 是 直 流 发 电 机 ， 将 机 械 能 转 换 为 电 能 ， 其 种 类 主要 有 无刷直流电动机，永磁式直流电动机，电磁式直流电动机。交流电机：即输出或输入为交流电能的旋转电机，称为交流电机，主要分为同 步交 流 电 机 和 异 步 交 流 电 机 两 种 。步进电机：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角） 。主要分为永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB）三种。表 2.1 常用电机优缺点对比 优点 缺点交流电机 1.可靠性好、结构简单、体积小、重量轻、动态响应好；2.效率高、调速范围广、响应频率高。带动惯性负载能力差，一般需用齿轮减速装置；交流伺服电动机的多用于中小型数控机床。直流电机1、无刷直流电机采用方波电流供电，所用电机的转矩/体积比更高。2、无刷直流电机结构更简单、制造成本更低。3、产生方波电压和电流的变频器比产生正弦波电压和电流的变频器简单，选用无刷直流电机更好。1.在全磁场状态，调电枢电压，适合应用在 0基速以下范围内调速。不能达到电机的最高转速。 2.在电枢全电压状态，调激磁电压，适合应用在基速以上，弱磁升速。 不能得到电机的较低转速。3.在全磁场状态，调电枢电压，电枢全电压之后，弱磁升速。适合应用在调速范围大的情况。这是直流电机最完善的9调速方式，但设备复杂，造价高。步进电机1.转速可以在很宽的范围内调节；2.可以控制电动机的正转或反转；3.没有累积误差，结构简单，使用、维修方便，制造成本低。效率较低，发热大，有时会“失步” 。步进电机适用于中、小型机床和速度精度要求不高的地方。通过几种电机的比较，我们可以发现虽然直流电机虽然有诸多的优点，但机器人控制系统的判断较为精确，与此同时我们从经济条件及其的具体应用环境方面考虑得知，在此次设计中机器人动力部分选择步进电机最为合适。2.1.2 传动方式的选择 6传动方式主要对比齿轮传动和带传动两种方式来确定：带传动 ： 带 传 动 是 利 用 张 紧 在 带 轮 上 的 柔 性 带 进 行 运 动 或 动 力 传 递 的 一 种 机械 传 动 。 根 据 传 动 原 理 的 不 同 ， 有 靠 带 与 带 轮 间 的 摩 擦 力 传 动 的 摩 擦 型 带 传 动 ， 也有 靠 带 与 带 轮 上 的 齿 相 互 啮 合 传 动 的 同 步 带 传 动 带 传 动 具 有 结 构 简 单 、 传 动 平 稳 ，且 其 造 价 低 廉 、 不 需 润 滑 、 维 护 容 易 等 特 点 。齿 轮 传 动 ： 齿 轮 传 动 是 利 用 两 齿 轮 的 轮 齿 相 互 啮 合 传 递 动 力 和 运 动 的 机 械 传 动 。按 齿 轮 轴 线 的 相 对 位 置 分 平 行 轴 圆 柱 齿 轮 传 动 、 相 交 轴 圆 锥 齿 轮 传 动 和 交 错 轴 螺 旋齿 轮 传 动 。 具 有 结 构 紧 凑 、 效 率 高 、 寿 命 长 等 特 点 。表 2.2 常用传动方式优缺点对比优点 缺点带传动 1.因为带有弹性，因此传动过程中可以起到缓冲和吸震的作用，是传动平稳；2.当传动过载时，带会产生打滑，能防止工件的损坏，从而保护原动机；带是靠摩擦进行传动的，而带传动产生的打滑使传动比不确定，同时代的尺寸较大，传动效率低齿轮传动 1.齿轮传动的效率高，可达到96%-99%；2.结构紧凑，比带传动和链传制造及安装精度较高，不宜用于传动比过大的场合；10动所需空间小；3.传动比稳定由上表可知，虽然带传动有诸多的优点，但此次设计机器人的运动速度及电机的减速等需要有较为严格，且要求传动平稳，最终认为选择齿轮传动最为合适。2.1.3 移动方式的选择 7移动方式主要从履带式和轮式两种方案进行对比并确定：表 2.3 常用移动方式对比优点 缺点轮式 成本低，且轮损坏后可维修并再次使用，操控移动方向较为容易,适用于较为平的地面及公路。越野能力爬坡能力差，在崎岖的野外行进艰难.履带式 爬坡性能、越野性能、通行性能（对地压强）强，适用于野外行进，广泛应用于军事行业。制造成本高，且履带损坏后无法再次使用，不适合在普通公路行进。此次设计的机器人需要的是在普通的室内运动且不涉及机器人的爬坡方面内容，同时出于经济条件的考虑，我决定选择轮式移动方式作为本次设计中机器人的移动方式.2.2 视觉移动机器人控制系统设计方案控制系统的选择：1.PLC 控制，普遍的应用于厂矿车间，各种中大型生产设备的自动控制。具体包括矿山，炼钢，机床，生产加工等等，应用广泛。大部分用在较大型的设备上。因为其价格较高，一般都是附加值较高的自动控制系统才会考虑。因为我放弃此方案。2.单片机控制，目前单片机渗透到我们生活的各个领域，仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹，同时单片机的成本比 PLC 略微低廉，综合考虑我们决定选择单片机控制。11单片机有 8 位，16 位，32 位等，这里的位指单片机 CPU 每次处理能力,8 位是指单片机一次可以计算 8 位数据,16 位是指单片机一次可以计算 16 位数据,依次类推，在此次设计中用 8 位单片机完全可以完成对机器人的控制，另考虑经济等方面，本设计决定选择 8 位单片机！2.3 视觉移动机器人视觉系统设计方案基于计算机视觉的移动机器人导航实验系统的硬件部分由计算机、摄像头、机器人地盘组成。软件分为两部分，即图像处理和机器人运动控制。基于视觉导航的原始输入图像是连续的数字视频图像。系统工作时，图像预处理模块首先对原始的输入图像进行缩小、边缘检测、等预处理。其次利用计算机计算并提取出对机器人有用的路径信息。最后，运动控制模块根据识别的路径信息，调用直行或转弯功能模块使机器人做相应的移动 。8获取图像特征抽出和分割计算距离和角度驱动机器人步进电机的转向和速度输出脉冲摄像头位置和伺服系统图像处理单元运动控制模块图 2-1 移动机器人控制系统的流程图2.3.1 视觉导航的图像预处理由机器人导航的特点和机器视觉处理的特殊性，我们认为机器人导航视觉系统要达到以下技术要求:（1)根据系统要求准确地分辨目标物（调色板），尽量降低误判，漏判的机率，并有一定的抗干扰能力。（2)能对目标物定位，为机器人的运动控制提供参照物、障碍物的位置信息，并能满足精度要求。（3)满足系统实时性的要求。机器人摄像机每秒钟要从比赛场地上摄取30帧图像数据，如果视觉子系统达不到实时的要求，则系统所处理的前后两帧图像数据差异太12大，不仅影响识别跟踪的顺利完成，而且也使动作表现为反应迟钝，所以视觉子系统的实时性越好，则系统反应越快。（4)鲁棒性与自适应性。由于目标物在室外，由于多方面的原因，致使调试过程中环境的光亮度会发生变化。更甚的是在同一帧视频图像中，场地的不同区域。光亮度也有可能不一致，有高亮度区域，也有阴暗区域（如楼房的阴影，或其它物体反射到场地中的光使场地局部变亮等等)。光照条件的变化及光亮度不均匀，将会降低系统识别的精度，甚至会导致目标识别失败。因此，很有必要研究对光亮度变化不敏感的彩色识别算法，来增强视觉子系统的鲁棒性与自适应性 。92.3.2 视觉导航机器人的运动控制机器人结构图如图 2-2 所示。图 2-2 机器人结构图(1) 图 2-1 为机器人结构图，移动机器人底盘如图所示，具有三个轮子，其中前轮为支撑舵轮，起到支撑和导向的作用。后面的两个轮子是驱动轮，由步进电机驱动。可以通过调节中间的两个轮子的转速来控制移动机器人的运行速度和转动角度。步进电机与左、右轮构成一个系统。步进电机由单片机实现控制驱动，通过改变单片机输出脉冲波的占空比来改变步进电机的速度和转向，从而完成机器人的转弯，运动和停止 。1013(2) 上层控制系统传给下层系统机器人与跟踪物体的距离 L 和运动的角度a。通过分析距离 L，我们可以判断机器人的运动状态。当距离 L 不变时，则机器人处于停止状态，当距离 L 改变机器人处于运动状态。(3) 当距离 L 改变时，我们判断移动机器人的转动角度 a，当 a=0 时，机器人的运动如图 2-3，当 L0 时，移动机器人前进。当 L0 时，移动机器人前进转弯。当 L0 时，移动机器人右转弯。 a0 时，移动机器人左转弯。当机器人前进左转时，左轮正转，右轮反转。当机器人前进右转时，左轮反转，右轮正转。机器人后退右转时，左轮正转，右轮反转。机器人后退左转时，左轮反转，右轮正转。2.4 视觉移动机器人最终模型经过以上方案的确定，本次设计的机器人最终 3D 模型如图所示：14图 2-4 机器人云台图 2-5 机器人 3D 模型图 2-6 机器人 3D 模型153 视觉移动机器人机械结构设计3.1 电动机的确定从机器人是实际运动出发考虑，机器人的速度不能太快，否则会造成控制部分来不及处理和发送信号，电机不能及时做出反应，从而使机器人在行进的过程中无法做出相应的动作。因此，机器人的移动速度暂定为 V=0.3M/S.因此机器人在行进过程中遇到障碍物时需要用机械手搬运障碍物，所以机器人的最大载重量为 40KG。所以机器人电机克服摩擦力的功率F 磨 = umg =0.2*40*9.8=78.4N通过网上查找,电机的效率大约为 80,所以机器人电机克服摩擦力的功率P 实 际 =FV=78.4*0.377/0.8W=36.946W机器人的两轮是独立驱动，所以每个电机克服摩擦的功率是 18.473W，另外考虑到启动加速、上下坡和其他自然因素，因此每个直流无刷电机的功率定位 32W。进过理论和实践证实 30W 的直流无算电机可以驱动总载重为 35KG 的机器人。经过计算分析，确定电机参数如下：表 3-1 电机数据参数名称 参数数值输出功率 40W额定电压 24V额定电流 0.3A转速 300 转转矩 0.46N*M3.2 减速箱的确定3.2.1 减速箱齿轮的确定本文设计的机器人车轮半径为 0.1m，速度约为 0.6 m/s。机器人电机输出转速为300n/m，车轮的转速为 120n/m。所以总传动比 i 总 为：i 总 =300n/m：120n/m=2.5 本文采用两级圆柱齿轮减速器进行减速，综合考虑，本文决定用分流式（结构复16杂，但由于齿轮相对于轴承对称布置，与展开式相比载荷沿齿宽分布均匀，轴承受载较均匀。中间轴危险截面上的转矩只相当于轴所传递转矩的一半。适用于变载荷的场合。高速级一般用斜齿，低速级可用直齿或人字齿） 。减速箱输出扭矩为:T = 9550W/ni （3-1）= 95500.04KW/300n/m2.592%= 2.93 N*M通过查找资料,确定减速箱第一级模数 m=1.5,传动比 ii=2.5,小齿轮齿数 20,大齿轮齿数 50.表 3-2 齿轮相关数据 1模数：m 齿数：z 压力角 =20齿宽系数：=0.6名称 符号 计算公式 小齿轮 大齿轮齿宽 b d 18 15齿距 p p= m 4.725 7.725齿顶高 ha ha=m 1.5 1.5齿根高 hf hf=1.25m 1.875 1.875齿高 h h=2.25m 3.375 3.375分度圆直径 d d=mz 30 75齿顶圆直径 da da=m(z+2) 33 78齿根圆直径 df df=m(z-2.5) 27 72中心距 a a=0.5m(z1+z2) 52.5173.2.2 减速箱轴的确定轴是减速器的主要零件之一，轴的结构决定轴上零件的位置和有关尺寸。按弯扭合成强度条件初步计算轴的各段直径，轴计算载面的直径为（3-2） bee dMdT133220)(10式中 轴计算载面上的弯矩，Nmm;轴计算载面上的转矩，Nmm;将转矩折合成当量弯矩的折算系数，若扭转剪应力按脉动循环变化时，；轴材料的许多弯曲应力，MPa。当所在计算载面轴段开有键槽时，由上式算得的直径应增大 3%5%（开一个键槽）或 7%10%（开两个键槽） ，然后圆整为标准直径.通过如果减速器输入轴通过联轴器与电动机轴相联接，则外伸段轴径与电动机轴径不得相差很大，否则难以选择合适的联轴器，也就是说，减速器输入轴轴端直径和电动机轴直径必须在所选取联轴器毂孔最大与最小直径允许范围内。为此，可取减速器输入轴轴端直径mm式中 减速器输入轴轴端直径，mm；电动机轴直径，mm。减速器传动中心距为已知，可取减速器从动轴危险截面直径式中 减速器从动轴危险截面直径，mm；该级传动的中心距，mm。综合实际情况，最后选择轴 1 最小轴径 6mm，轴 2 最小轴径 10mm。3.2.3 减速箱轴承的确定将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少摩擦损失的一种精密的机械元件，叫滚动轴承（rolling bearing） 。滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成。内圈的作用是与轴相配合并与轴一起旋转；外圈作用是与轴承座相配合，起支撑作用；滚动体是借助于保持架均匀的将滚动体分布在内圈和外圈之间，其形状大小和18数量直接影响着滚动轴承的使用性能和寿命；保持架能使滚动体均匀分布，防止滚动体脱落，引导滚动体旋转起润滑作用。如图 3.1：图 3.1球轴承适于承受轻载荷，滚子轴承适于承受重载荷及冲击载荷。当滚动轴承受纯轴向载荷时，一般选用推力轴承；当滚动轴承受纯径向载荷时，一般选用深沟球轴承或短圆柱滚子轴承；当滚动轴承受纯径向载荷的同时，还有不大的轴向载荷时，可选用深沟球轴承、角接触球轴承、圆锥滚子轴承及调心球或调心滚子轴承；当轴向载荷较大时，可选用接触角较大的角接触球轴承及圆锥滚子轴承，或者选用向心轴承和推力轴承组合在一起，这在极高轴向载荷或特别要求有较大轴向刚性时尤为适宜。根据机器人的要求及经济实惠的原则，我们决定选择深沟球轴承，进一步通过机械设计手册确定所选轴承：表 3-3 619/9 和 16003 号深沟球轴承相关数据 12基本额定荷载极限转速 重量 代号 D B 安装尺寸Cr Cor 脂 油 da da ra 2.48 1.08 2700 3400 0.092 619/9 20 6 11.4 18.2 0.36.0 3.3 18000 22000 0.028 16003 35 8 19.4 32.6 0.319部分符号含义如下图：图 3-23.2.4 减速箱其它结构的确定1、 键 联 接 的 作 用 ：键 联 接 装 配 中 ， 键 （ 一 般 用 45 号 钢 制 成 ） 是 用 来 联 接 轴 上 零 件 并 对 它 们 起 周向 固 定 作 用 ， 以 达 到 传 递 扭 矩 的 一 种 机 械 零 件 。2、 键 联 接 的 分 类 ：常 用 键 连 接 分 为 平 键 、 半 圆 键 和 斜 键 3 类 。 平 键 ： 侧 面 是 工 作 面 ， 与 键 槽 侧 面 贴 合 构 成 松 联 接 ， 靠 键 与 键 槽 间 的 压 力 传 递扭 矩 。 平 键 包 括 普 通 平 键 、 薄 型 平 键 、 导 向 平 键 和 滑 键 3 种 。 普 通 平 键 用 于 带 毂零 件 无 需 在 轴 上 移 动 的 静 联 接 ； 导 键 固 定 在 轴 上 ,而 毂 可 以 沿 着 键 移 动 ;滑 键 固 定在 毂 上 ， 而 随 毂 一 同 沿 着 轴 上 键 槽 移 动 ， 导 向 平 键 和 滑 键 都 构 成 动 联 接 。 综 合 考虑 ， 本 设 计 选 用 的 是 普 通 平 键 联 接 。 半 圆 键 ： 与 平 键 类 似 ， 但 它 能 绕 其 几 何 中 心 摆 动 ， 以 适 应 带 毂 零 件 上 键 槽 的斜 度 。 斜 键 ： 用 以 构 成 紧 联 接 ， 主 要 有 楔 键 和 切 向 键 两 种 。 楔 键 的 一 个 底 面 有 1:100 的 斜 度 ,借 以 楔 紧 在 轴 、 毂 之 间 构 成 联 接 。 它 主 要 靠 摩 擦 传 递 扭 矩 和 轴 向 力 ， 因楔 紧 会 引 起 带 毂 零 件 的 偏 心 ， 其 应 用 不 如 平 键 普 遍 。3、 键 联 接 的 装 配 工 艺 要 点（ 1） 装 配 前 应 检 查 键 的 直 线 度 、 键 槽 对 轴 心 线 的 对 称 度 和 平 行 度 。（ 2） 普 通 平 键 的 两 侧 面 与 轴 键 槽 的 配 合 一 般 有 间 隙 。 重 载 荷 、 冲 击 、 双 向 使用 时 ， 须 有 过 盈 。 键 两 端 圆 弧 应 无 干 涉 。 键 端 与 轴 槽 应 留 有 零 点 一 零 mm 的 间 隙 。（ 3） 普 通 平 键 的 底 面 与 键 槽 底 面 应 贴 实 。（ 4） 半 圆 键 的 半 径 应 稍 小 于 轴 槽 半 径 ， 其 他 要 求 与 一 般 平 键 相 同 。20图 3-34 视觉移动机器人控制系统设计本文研究的双轮驱动式移动机器人是由一个圆形移动平台和两个独立驱动的驱动21轮与一个万向轮组成的 。圆形移动平台上的中心位于两个独立的驱动轮的中间，该种机构组成简单，而且旋转半径可从 0 到无限大，任意设定。当旋转半径为 0 时，由于能绕本体中心旋转，所以有利于在狭窄场所改变方向，因此针对双轮驱动式移动机器人运动特点，设计出机器人的控制方法，通过控制两个驱动轮的驱动力矩，可以实现控制移动机器人沿给定的轨迹运动。4.1 运动学模型研究的双轮驱动式移动机器人的几何模型如图 4.l 所示。主要参数如下：F一移动平台上的关键点；G一移动平台的质心；b一两个驱动轮之间的距离；r一驱动轮的半径；l 一点G与点F之间的距离； 一平台的转角； 一左驱动轮的转l角； 一右驱动轮的转角。r图4.1 双轮驱动式移动机器人几何模型移动平台质心的速度为 v ，它垂直于平台的轮轴，因此它在两个坐标轴上的分量分别G为：和 (4-1)cosx sinGcvy消去 得如下关系式：(4-2)0inG点 F 与点 G 有如下位置关系：(4-3)cosFlx(4-4)inGy22对(3)和(4)求导可得如下速度关系：(4-5)sinKlxGF(4-6)coyF点的速度关系可以表示为：(4-7)0ssin GFFlx平台质心的速度与驱动轮转速的关系式为：和 (4-8)brlr)(2rl可以得到矩阵表达式：(4-9) cossin2ibrlryxGF cosin2ibrlGrl因为 Jx其中 FTylTr所以 （4-Jcossin2ibrlrGcosin2isbrlrG10）J 定义为双轮驱动式移动机器人的矩阵(4-10)，反映双轮驱动式移动机器人关键点的速度与驱动轮的转速之间的关系，同时也反映双轮驱动式移动机器人关键点的作用力与驱动轮的驱动力之间的关系。4.2 电子元件选型4.2.1 开关电压调节器 LM780523LM7805 是三端固定稳压器。有 5V，6V，9V，12V，15V，18V 和 24V 七种不同的固定输出电压，广泛用于各种电子设备中。其稳压器均有内部过流、热过载和输出晶体管安全区保护功能，电路安全可靠。虽然稳压器按国定的稳压设计，但外部接少量元件，即可做成可调稳压器或可调稳流器使用。4.2.2 步进电机驱动芯片 L298L298是ST公司生产的一款高电压、大电流，小功率电机驱动芯片。该芯片内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等电感性负载;采用标准TTL逻辑电平信号控制;具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作:有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作:可以外接检测电阻，将变化量反馈抬控制电路。其具有以下电气特性：(1)电源驱动电压Vs可达5V46V，逻辑支持电压VSS为4.5V7V;(2)输入高电压VIH为2.3VSS，输入低电压为O1.5V;(3)峰值驱动电流可达3A，正常工作电流为2A，总驱动电流可达4A;(4)响应速度快(5)提供过温保护，工作温度范围可达-25130正常工作温度为1335。温度过高或温度过低时，芯片均会停止工作，防止其损坏。(6)L289采用的是15脚的Mluitwatt15封装。LM298典型应用如图4-1所示。控制器L M 2 9 8步进电机图4-1 LM298典型应用4.2.3 单片机 PIC16F877单片机是将中央处理器（CPU） 、随机存储器（RAM） 、只读存储器（ROM） 、定时器芯片和一些输入输出接口电路集成的一个芯片上的微控制器。中央处理器是单片机的核心，它包括运算器、控制器和寄存器 3 个主要部分。存储器按工作方式可分为、随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM） 。RAM 可以随机地被CPU 读写，断电后存储的内容消失；ROM 种的信息只能读不能写。输入输出接口是单片机的重要组成部分。程序、数据以及外部的所有信息都是通过单片机的 I/O 端口读入单片机的。单片机计算的所有结果也都通过 I/O 输出到显示部分或者控制外部其他执24行机构。PIC16F877 芯片上集成有：（1）端口 RA 模块：是一个只有 6 条引脚的输入/输出可编程的端口。（2）端口 RB 模块：是一个具有 8 条引脚的输入/输出可编程的端口。（3）端口 RC 模块：是一个具有 8 条引脚的输入/输出可编程的端口。（4）端口 RD 模块：是一个具有 8 条引脚的输入/输出可编程的端口。（5）端口 RE 模块：是一个具有 3 条引脚的输入/输出可编程的端口。（6）定时器 TMR0 模块：是一个 8 位宽的可编程的定时器，也可作为计数器使用。（7）定时器 TMR1 模块：是一个 16 位宽的可编程的定时器，也可作为计数器使用，并且可以与捕捉/比较/脉宽调制 CCP 模块配合实现捕捉和比较功能。（8）定时器 TMR2 模块：是一个 8 位宽的可编程的定时器，也可作为计数器使用，并且可以与捕捉/比较/脉宽调制 CCP 模块配合实现捕捉和比较功能。（9）EEPROM 数据存储模块：是 2568 的电可擦写的存储器，储存的内容掉电也不会丢失。（10）A/D 转换器模块：具有 8 个输入通道和 10 位分辨率的模数转换器，用来将外部的各种模拟物理量变换为便于单片机内部处理的数字量。（11）捕捉/比较/脉宽调制 CCP1 和 CCP2 模块：PIC16F877 片内包含两个几乎完全相同的 CCP 模块，与 TMR1 和 TMR2 配合可以实现输入捕捉、输出比较和卖出调制输出功能。输入捕捉功能可以用于测量信号周期、频率、脉冲等；输出比较功能可以用于生产宽度不同的正负方波脉冲信号，以驱动可控硅、续电器等；脉宽调制输出功能用来产生周期和脉冲可调的周期性方波信号，以驱动可驱动可控硅、步进电机等。（12）通用同步/异步发生器 USART 模块：用于实现二线式串行通信，可以定义为两种工作方式，即全双工异步方式和半双工同步方式。（13）主同步串行端口 MSSP 模块：具有 SPI 和 IC 两种工作模式，用来与具有 SPI 和IC 串行端口的外接器件或者其他单片机进行通信。（14）并行从动端口 PSP 模块：可以用来与其他具有开放总线的单片机、数字信号处理器或微处理器的并行数据连接，进行高速的数据传输和交换。4.2.4 步进电机步 进 电 机 是 一 种 将 电 脉 冲 转 化 为 角 位 移 的 执 行 机 构 。 通 俗 一 点 讲 ： 当 步 进 驱 动器 接 收 到 一 个 脉 冲 信 号 ， 它 就 驱 动 步 进 电 机 按 设 定 的 方 向 转 动 一 个 固 定 的 角 度 （ 及步 进 角 ） 。 您 可 以 通 过 控 制 脉 冲 个 数 来 控 制 角 位 移 量 ， 从 而 达 到 准 确 定 位 的 目 的 ；同 时 您 可 以 通 过 控 制 脉 冲 频 率 来 控 制 电 机 转 动 的 速 度 和 加 速 度 ， 从 而 达 到 调 速 的 目的 。25步 进 电 机 分 三 种 ： 永 磁 式 （ PM） ， 反 应 式 （ VR） 和 混 合 式 （ HB） 永 磁 式 步 进 一般 为 两 相 ， 转 矩 和 体 积 较 小 ， 步 进 角 一 般 为 7.5 度 或 15 度 ； 反 应 式 步 进 一 般 为三 相 ， 可 实 现 大 转 矩 输 出 ， 步 进 角 一 般 为 1.5 度 ， 但 噪 声 和 振 动 都 很 大 。 在 欧 美等 发 达 国 家 80 年 代 已 被 淘 汰 ； 混 合 式 步 进 是 指 混 合 了 永 磁 式 和 反 应 式 的 优 点 。 它又 分 为 两 相 和 五 相 ： 两 相 步 进 角 一 般 为 1.8 度 而 五 相 步 进 角 一 般 为 0.72 度 。 这 种步 进 电 机 的 应 用 最 为 广 泛 。步 进 电 机 的 一 些 特 点 ：（ 1） 一 般 步 进 电 机 的 精 度 为 步 进 角 的 3-5%， 且 不 累 积 。（ 2） 步 进 电 机 外 表 允 许 的 最 高 温 度 。（ 3）