基于视觉移动机器人的设计与分析

摘 要智能作为现代的新发明，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理，可应用于科学勘探等等的用途。智能机器人就是其中的一个体现。本次设计的简易机器人，采用单片机作为小车的检测和控制核心；采用视觉传感器解决室内智能机器人的定位问题，实现机器人在复杂室内环境中的“完全自主” 。能使机器人在未知的环境下，通过自身传感器测量周围环境数据，逐渐估计自身位置和运动状况，并把信号反馈到单片机，使单片机按照预定的工作模式控制小车使小车能按照任意给定的黑色引导线平稳地寻迹。本次课题研究的内容是基于视觉移动机器人的设计与分析。内容包括：1.机械结构设计：机器人采用两轮独立驱动的履带结构，动力源采用直流无刷电机，减速和传动装置采用齿轮带传动，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进行对机器人速度的检测，实现机器人的定位。2.控制结构设计：控制部分采用AT89C51型号单片机进行接受命令和产生驱动信号，电机的驱动部分采用L293D控制芯片，芯片利用接受到的单片机发出的信号来控制电机的转速。3. 传感器部分：利用视觉传感器进行机器人的测距算法，视觉传感器位于机器人的传感器层本设计结构简单，较容易实现，但具有高度的智能化、人性化，一定程 度体现了智能。关键词：智能机器人 单片机 视觉传感器 智能 AbstractIntelligence is modern new invention, is development in the hereafter direction, his operation being able to be automatic according to the pattern setting up in advance within a environment , the use not needing artificial managing, but applying to the science exploration and so on. The intelligence robot it is one among them to embody. Originally inferior design simpleness is robotic , adopt the monolithic machine to be the handcart detecting and to control core; Adopt optesthesia sensor to resolve the interior localized intelligence robot problem , realizes a robot acting on selfs own in interior hit the target complicated environment completeness. And can make robotic under unknown environment , gradually, estimate oneself location and move status by the fact that oneself sensor measures the environment data,coupling back the signal arrives at the monolithic machine , makes the monolithic machine can look for trace according to giving stable black the guidance line arbitrarily stable according to that the predetermined job pattern controls a handcart uses a handcart. The content of the research is based on visual design and analysis of mobile robot. Include: 1. Design of mechanical structure: the robot driven by two independent track structure, the power source using brushless DC motor, gear reducer and gear belt transmission by using differential steering mobile robot platform, use incremental photoelectric encoder for speed detection of robots, robot positioning. 2. Design of control structure: control part of the model using AT89C51 microcontroller for receiving orders and generate drive signals, the driving part is L293D motor control chip, chip microcontroller using the received signals to control motor speed. 3. Sensor parts: the robot using ultrasonic sensors for distance measurement method, ultrasonic sensors in the robots sensor layer, using an ultrasonic distance measuring ring to improve the accuracy of the robot. Design structure is simple , easier to come true, but have an altitudes intellectualized , personalize, certain degree has embodied intelligence. key word: Intelligent robot Monolithic integrated circuit Visual sensor intelligence目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题研究背景以及现实意义11.2 智能机器人的发展22设计任务以及方案的讨论62.1设计任务概述62.2 视觉移动机器人机械结构设计方案62.3视觉移动机器人控制系统设计方案82.4移动机器人的视觉系统设计方案103 视觉移动机器人机械结构设计113.1电动机的确定113.2 减速器的确定124 视觉移动机器人控制系统设计164.1单片机 PIC16F877164.2 步进电机174.3步进电机驱动芯片L298184.4开关电压调节器LM7805195 移动机器人的视觉算法205.1图像的采集205.2图像的预处理20结论24致谢25参考文献26附录一:27附录二:30321 绪论1.1 课题研究背景以及现实意义1.1.1 课题的研究背景移动机器人【1】技术一直是人类长期科学研究的热点。它的历史可以追溯到20世纪六十年代。1968年，美国斯坦福研究所公布了他们研发成功的机器人Shakey（如图1-1），该机器人能够根据人的指令通过视觉传感器发现并抓取积木,标志着第一台智能机器人的诞生，同时也揭开了移动机器人研究的序幕。现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接受的说法是：机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“机器人是一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”机器人能够利用各种传感器采集机器人所在环境的特征，通过各种环境特征可以自动地规划自己的行动路径，实现寻迹、避障等智能行为。 图1-1 shakey早期的机器人主要应用于工业领域，例如利用机器人搬运工件、更换刀具、焊接工件、喷射油漆以及实现零件的装配等工作。但是到了90 年代，随着机械技术、计算机技术、微电子技术、网络技术以及人工智能技术的快速发展，机器人活动领域的不断扩大，机器人的应用从制造业领域向非制造业领域不断发展，原先只是在工业中才使用的自主式机器人也开始进入到人们的日常生活中来，因此在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域都能看到移动机器人的身影，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等都陆续成立了机器人实验室，由此机器人技术得到了长久的发展。该课题正是在这种环境下提出的，本文设计的机器人实际上就是一种利用视觉传感器自动移动的机器装置，由视觉传感器实现路径识别，通过对小车速度的控制，使小车能按照任意给定的黑色引导线平稳地寻迹。1.1.2 课题的现实意义 对智能机器人【2】的研究有着广泛的现实意义，概括地说可以有三点：1. 智能机器人技术是一门综合性很强的技术。对移动机器人的设计包括机械结构、传感器、运动学方程、控制系统、路径规划以及各种算法的分析与设计。因此移动机器人的研究涉及到的学科包括：机械加工技术、传感器技术、信息处理技术、通信技术、自动控制技术、电子技术、机器视觉技术、图像处理技术、网络技术以及计算机技术等等，所以移动机器人技术的发展使得各门科学技术都得到了长远的进步与发展，是科学技术不断发展的有力途径和工具。2. 智能机器人有着广泛的应用前景，可以说它几乎渗透到了人类社会所有的领域。可以预见在未来的人类社会里，移动机器人将会出现在我们生活中的每一个角落，成为时代发展的主流。随着人们生活水平的提高，人类对机器人的功能也提出了更高的要求，越来越多的移动机器人已经走入了我们的生活，在家里，服务型的室内机器人可以从事清洁卫生、园艺、垃圾处理、家庭护理与服务等作业；在医院，移动机器人可以从事手术、化验、助残、导盲、运输、康复及病人护理等作业；在商场和旅游中，导购机器人、导游机器人和表演机器人都使得人类生活变得丰富多彩。因此移动机器人已经成为未来社会非常有潜力的产业，谁可以掌握室内移动机器人的关键技术，谁就可以引领世界的潮流。3. 机器人的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要体现。它实现了工业的完全自动化，从机械加工到零件的装配，甚至连工艺的设计都由工业机器人完成。机器人带动了工业技术的革新，社会的发展以及其他领域的革命。当今社会，机器人正代替人发挥着日益重要的作用，不断地改变着人类的生活方式，因此完全可以说机器人技术的发展带动了整个人类社会的发展。综上所述，我国对移动机器人的研究面临着很大的挑战，必须加大对机器人的开发与应用才能走在时代的前列。1.2 智能机器人的发展1.2.1智能机器人的定义自机器人问世以来，人们就很难对机器人下一个准确的定义，欧美国家认为机器人应该是“由计算机控制的通过编程具有可以变更的多功能的自动机械；”日本学者认为“机器人就是任何高级的自动机械；”我国科学家对机器人的定义是：“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能力，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。”目前国际上对机器人的概念已经渐趋一致，联合国标准化组织采纳了美国机器人协会于1979年给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”概括说来，机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。1.2.2 国外机器人的发展智能机器人的研究可以追溯到20世纪60年代【2】，在1966至1972年间,美国斯坦福研究院的和Charles等人研制的机器人，身高1.5米，是历史上第一个由计算机控制的自主式智能移动机器人。它由远程大型计算机控制，带有视觉传感器和触觉传感器，在室内的复杂环境中可以完成从一个地点移动到另一个地点，以及检测障碍物并移动障碍物到指定地点的任务。它的出现标志着智能机器人研究的正式开始。1970年前苏联月球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幅月面全景图。在同一时代，美国喷气推进实验室也研制了月球车(图1-2),应用于行星探测的研究。采用了摄像机，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。图1-2 月球车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。CMU Rover由卡耐基梅隆大学机器人学研究所在1981年开始研制，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，并通过声纳传感器与视觉传感器来探测环境中的障碍。由于计算机的运行速度、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。到了1994年，卡耐基梅隆大学机器人学研究所开发了Dante II，这是一个8足的移动机器人。在1994年4月，该机器人通过卫星通讯与Internet相连，通过网络由NASA的研究组、卡耐基梅隆大学以及阿拉斯加火山观测所的科研人员控制Dante进行阿拉斯加火山口观测，并收集了火山口喷出的气体样本。1.2.3 国内机器人的发展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【3】，由浙江大学、国防科技大学、清华大学、北京理工大学、南京理工大学联合研制。“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、基于复合结构的非结构环境应用的移动机器人、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。国防科技大学、哈尔滨工业大学、清华大学、中国科技大学、中科院自动化研究所、沈阳自动化研究所等正在开展有关月球探测自主机器人的相关研究。在863专项支持下，清华大学开发了多功能室外智能移动机器人实验平台、上海交通大学研制了移动机构试验平台以及Frontier-ITM等。211A MCTB采用了关节轮式移动结构，具有较强的越障能力。Frontier-ITM自主移动机器人作为中国大学的参赛队首次参加了Robocop中型组比赛。CASIA-1是中科院自动化所研制的集多种传感器、视觉、语音识别与会话功能于一体的智能移动机器人。沈阳自动化所研制的自行输送小车已投入生产现场，此外还研制了“多功能排险防暴机器人”和“蛇形机器人”。2003年国防科技大学贺汉根教授主持研制的无人驾驶车采用了四层递阶控制体系结构以及机器学习等智能控制算法，在高速公路上达到了130Km/h的稳定时速，最高时速170Km/h，而且具备了自主超车功能，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。2设计任务以及方案的讨论2.1设计任务概述设计一个智能机器人，使该机器人能通过视觉传感器实现路径识别，并能对小车的速度进行控制，使小车能按照任意给定的黑色引导线平稳地寻迹。图2-12.2 视觉移动机器人机械结构设计方案智能车系统以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科；主要由路径识别、角度控制及车速控制等功能模块组成。一般而言，智能车系统要求小车在白色的场地上，通过控制小车的转向角和车速，使小车能自动地沿着一条任意给定的黑色带状引导线行驶。2.2.1 动力源的论证与选择方案1：步进电机【4】方案2：直流电机方案3：交流电机优缺点比较： 方案1 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距脚。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 方案2 交流电机分为同步电机与异步电机。异步电动机按照定子相数的不同分为单项异步电动机、两相异步电动机和三相异步电动机。三相异步电动机结构简单，运行可靠，成本低廉等优点，广泛应用于工农业生产中。同步电动机的主要运行方式有三种，可以作为发电机，电动机，和补偿机。同步电动机主要用来发电。作为电动机使用时可以调节功率因数，在不需要调速的情况下可以提高运行效率。作为补偿机器时，改变励磁电流可以改善电网功率因数，调节电网电压。然而交流电机必须携带电源线，这对于机器人来说不太方便并且由于机器人在行驶过程中需要对速度进行调整，而交流电机无法实现速度的变换。方案3 直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便， 小车机内部装有减速齿轮组，所以并不需要考虑调速功能，很方便的就可以实现通过单片机对直流减速电机前进、后退、停止等操作。最终方案：综上所述，本次设计选用直流电机。2.2.2 运动方式的选择方案1：常用的汽车结构四轮机构方案2：履带式结构【5】优缺点的比较：方案1 四轮结构是一个马达作为动力，通过变速箱驱动后轮；另一个马达转动导向轮来决定行驶方向。优点是在直道行驶速度较快、 方向和速度相互独立。 缺点为转弯半径大、驱动轮易打滑、导向轮方向不易精确控制。 方案2 履带结构是两个电机分别驱动两条履带。优点是可以在原地转动；在不平的路面上性能稳定，牵引力大。缺点为速度慢、速度和方向不能单独控制摩擦力很大； 能量损耗大，机械结构复杂。最终方案：履带结构能适应更为复杂的环境，本设计使用履带式结构。2.2.3电源的论证与选择方案1：采用7.2V可充电动力电池组。方案2：采用12V蓄电池为直流电机供电。优缺点的比较： 方案1 采用7.2V可充电动力电池组。动力电池组具有较强的电流驱动能力及稳定的电压输出性能，经测试在用此种供电方式下，单片机和传感器工作稳定，直流电机工作良好，且电池体积较小、可以充电、能够重复利用等，能够满足系统的要求。方案2 采用12V蓄电池为直流电机供电，将12V电压降压、稳压后给单片机系统和其它芯片供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。但是蓄电池的体积过于庞大，由于车体在设计时空间有限，在小型电动车上使用极为不方便，因此放弃此方案。最终方案：综上所述，本设计使用7.2V可充电动力电池组。2.2.4 传动方式的选择方案1：带传动【6】方案2：齿轮传动优缺点的比较：方案1 带传动(皮带传动)的结构简单,适用于两轴中心距较大的传动场合;且传动平稳无噪声,能缓冲、吸振;过载时带将会在带轮上打滑,可防止薄弱零部件损坏,起到安全保护作用;但是不能保证精确的传动比方案2 齿轮传动能保证瞬时传动比恒定,平稳性较高,传递运动准确可靠;传递的功率和速度范围较大且结构紧凑、工作可靠,可实现较大的传动比;传动效率高,使用寿命长;但是齿轮的制造、安装要求较高。最终方案：综上所述，本设计使用方案2。2.2.5 最终方案：经过讨论，本文决定自制智能机器人，该智能机器人使用履带式结构，用采用7.2V可充电动力电池组，使用直流电机作为机器人的动力源，两个直流电机分别控制两条履带轮，通过控制直流电机可以实现小车的前进，后退以及转向等功能。2.3视觉移动机器人控制系统设计方案2.3.1控制系统的选择机器人的控制系统是智能机器人的关键，相当于人类的大脑，而现在比较流行的控制器主要有PLC【7】和单片机【8】。PLC和单片机都可以作为机器人的控制系统。PLC ( Programmable logic Controller)，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，由CPU、储存器、电源构成。单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。PLC和单片机虽然都是控制器，广泛的应用在控制系统中，但是它们依然具有不同，他们的区别为： 1.PLC控制，普遍的应用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。PLC的特点：可靠性高，抗干扰能力强；硬件配套齐全，功能完善，适用性强；易学易用，深受工程技术人员欢迎；系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造；体积小，重量轻，能耗低。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。单片机的特点：单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、为学习、应用和开发提供了便利条件，同时单片机的成本比PLC略微低廉，综合考虑本文决定选择单片机控制。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，因此本文决定选择8位单片机.2.3.2控制器的软件设计在归纳了移动机器人各种运动行为的基础上，本文总结了机器人的如下运动方式:1.启动:两个电机启动。2停止:两个电机停止转动。3.加速:两个电机同时在现有速度基础上增加一个数量级，实现加速。4.减速:两个电机同时在现有速度基础上减小一个数量级，实现减速。5.转弯:改变一个电机的转向，完成转弯后作直线运动。6.直线运动:两个电机以相同的速度和转向运动。这些运动覆盖了差动轮式移动系统的所有基本动作，通过一系列电机控制的组合就可以灵活地控制机器人完成它所能够做到的任何动作。当移动机器人需要做出某种动作时，车载机只须将期望动作翻译为一个电机指令序列，发布给运动控制器，运动控制器就可以按部就班地控制机器人予以完成。2.4移动机器人的视觉系统设计方案视觉是人类了解外部世界的重要手段【10】，在人们的日常生活中，有大量的信息都是来自于眼睛。同样,视觉系统也是机器人系统的重要组成部分之一。对于移动机器人来说，利用视觉系统获取机器人的外部信息，使机器人可以自主地规划它的行进路线，安全到达目的地并完成指定的工作任务是机器人导航研究的重要课题,它对机器人的发展具有重要的意义。机器人的视觉系统一般包括硬件与软件两个部分【9】,前者是系统的基础,后者主要包括实现图像处理的基本算法以及一些实现人机交互的接口程序. 在本次设计中，采用的是用摄像头实时的采集道路信息，经过单片机的内部处理，来控制智能车的转向和电机的加减速。由于道路信息比较简单，只有黑白两种颜色，因此本文采用采用AT89C51单片机作为主控制器。AT89C51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的可为许多嵌入式控制应用系统供给高性价比的解决方案。且此系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试。3 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【11】不能及时做出反应，机器人在行进的过程中不能实现避障功能，碰撞到障碍物而损坏的情况。因此，机器人的移动速度定为V=0.3M/S.所以机器人电机克服摩擦力的功率P=FV =0.5*20*9.8*0.3 =29.4W因为机器人是两轮独立驱动，所以每个电机克服摩擦的功率是14.7W，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30W。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20KG的机器人。进过筛选型号为BL4373DS的直流无刷电机最符合设计要求参数名称参数数值输出功率43.39W额定电压24V额定电流0.27A转速200rad转矩0.6 N/M图3.1 机器人驱动电机3.2 减速器的确定3.2.1 减速箱齿轮的确定本文设计的机器人车轮半径为80mm，速度约为0.4m/s。机器人电机输出转速为200n/m，车轮的转速为50n/m。所以总传动比i总为： i总=200n/m：50n/m=4 本文采用两级圆柱齿轮减速器进行减速【12】，综合考虑，本文决定用分流式（结构复杂，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 = 95500.04KW/200n/m492% = 7.02 N*M通过查找资料,确定减速箱第一级模数m=1,传动比ii=4,小齿轮齿数20,大齿轮齿数80.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bd109齿距pp= m3.143.14齿顶高haha=m11齿根高hfhf=1.25m1.251.25齿高hh=2.25m2.252.25分度圆直径dd=mz2080齿顶圆直径dada=m(z+2)2282齿根圆直径dfdf=m(z-2.5)17.577.5中心距aa=0.5m(z1+z2) 503.2.2 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7mm，轴2最小轴径9mm。3.2.3减速箱轴承的确定将运转的轴【13】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，本文决定选择深沟球轴承.4 视觉移动机器人控制系统设计4.1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 步进电机步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行元件，由于步进电机具有控制方便、体积小等特点，所以在数控系统、自动生产线、自动化仪表、绘图机和计算机外围设备中得到广泛应用。微电子学的迅速发展和微型计算机的普及与应用，为步进电动机的应用开辟了广阔前景，使得以往用硬件电路构成的庞大复杂的控制器得以用软件实现，既降低了硬件成本又提高了控制的灵活性，可靠性及多功能性。市场上有很多现成的步进电机控制机构，但价格都偏高。应用SGS公司推出的L297和L298两芯片可方便的组成步进电机驱动器，并结合AT89C52单片机进行控制，即可以实现用相对便宜的价格组成一个性能不错的步进电机驱动电路。由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专用设备-步进电机控制驱动器控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几十千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列。环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输人端，以驱动步进电机的转动。环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计的方法实现环分器要求的功能，通常称软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称为硬环形分配器。功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大.以达到驱动步进电机目的。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。反应式步进电机一般为三相，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。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；混合式步进电机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。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。3步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。4.3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3-1所示。图4-1 LM298典型应用4.4开关电压调节器LM7805LM7805【14】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。5 移动机器人的视觉算法5.1图像的采集所谓图像采集【15】是指机器人视觉系统获取数字视频图像的过程,目前用于获取图像的视觉传感器主要有ccd和cmos两种，它们都是通过接受外界的激励而产生响应，然后把模拟的响应转换为电信号，从而获取客观世界的图像。CCD与CMOS传感器是被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个像素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个像素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。 CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，而此外加电压通常需要达到1218V；因此，CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外(需外加 power IC)，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。由于在本次设计中道路信息比较简单，只有黑白两种颜色，因此选用了一款市场上非常常见的型号为203CA的CMOS摄像头。5.2图像的预处理5.2.1彩色图像灰度化 机器人可以直接从视觉设备中采集数字图像，但是多数图像都是彩色图像。虽然这种彩色图像包含着大量的有用信息，但是在实现图像的边缘直线提取时，需要处理的彩色图像不仅存储量大，而且由于在处理的过程中需要计算三个不同的分量，所以处理速度相当缓慢。因此，在实际的应用当中，常把彩色图像转化为灰度图像，也就是所谓的彩色图像灰度化。 彩色图像灰度化实际上是将三通道的图像信息处理成为单通道图像的数据处理过程。在灰度图像中，每个像素点只需要一个字节就可以存放一个灰度值，灰度值的范围为0到255，灰度级数为256级，所以存储量和计算量都不是很大。 彩色图像转化为灰度图像的公式如下所示：f(x,y)=0.30R+0.59G+0.11B 其中：RGB表示彩色图像的三个不同分量,f(x,y)为得到的灰度图像的灰度值。其效果图如下图5-1,5-2。图5-1 原图图5-2 灰度图5.2.2灰度图像的平滑处理图像的平滑处理主要的目的是去除图像中的噪音，有目的地突出或者抑制图像中的整体或局部特性，改善图像的“视觉效果” ，使处理后的图像更加适用于某种特定的应用场合，为图像特征信息的提取以及其他的图像分析奠定良好的基础。 图像中的噪音是在信息处理中应该去除的干扰信息，它一般都是高频信号，噪音会导致图像质量的恶化、信息的模糊以及找不到有效的图像特征等等，从而给图像的分析带来困难。因此对图像进行平滑处理是图像边缘提取的一个重要步骤。值得注意的是在去除噪音的同时，平滑处理还会损坏图像的边缘特征，所以使用平滑处理时要充分考虑噪音的特征，选择最优的平滑处理方法。 目前的图像平滑处理方法主要有邻域平均法和中值滤波法两种：1）邻域平均法是一种典型的线性低通滤波器，该方法主要是通过利用平滑模板对图像进行卷积运算，从而达到去除噪音的，它将某一像素点包含在内所有邻域像素点加权求平均，然后把这个平均值作为该点最后的像素值，从而滤掉图像中的高频信号。 其模板的设计原则一般是：模板的大小都为奇数，每一个模板前面的系数都等于模板所有值的和的倒数。其中最常用的平滑模板有33模板、55模板和高斯模板，其具体形式依次如下所示：2）中值滤波是一种典型的非线性低通滤波器，其方法是把以某像素点为中心的所有邻域点的像素灰度值，按照从大到小的顺序排列，然后将中间值作为该像素点灰度值的方法，如果像素点的个数是偶数时，则取两个中间值的平均作为该像素的灰度值。可以说中值滤波是一种使得图像上某一位置的灰度值更加接近邻域值的方法。 在以上两种方法中，33模板、55模板都是简单的求平均方法，所以平滑处理后的图像会有明显的模糊糊，所以一般在室内导航中这样的模板很少被使用。 中值滤波，虽然很容易去除孤立点，在去除噪音的同时，也可以比较好地保留边的锐度和图像的细节，但对高斯噪声的处理效果不佳。而且当模板范围内噪声点的个数大于其模板内像素总数的一半时，中值滤波去除噪音的效果会明显下降。 而对于高斯模板，我们可以看出它是利用不同的系数乘以像素，从权值上看，中间的权值要比周围的大，也就是说离模板中心近的像素要比远的像素更加重要。这样做的好处是可以减少由于平滑处理而出现的模糊，对于高斯噪音有很好的处理效果，并且在去除噪音的同时很好的保护了边缘信息。 由于室内环境中的噪音多是高斯分布的，所以应用高斯滤波的平滑处理方法不仅去除了图像的高斯噪音，使图像变得平滑，而且很好的保留了图像的边缘信息。结论经过两个多月的努力，基于视觉移动的机器人论文终于完成 在整个设计过程中，出现过很多的难题，但都在老师和同学的帮助下顺利解决了，在不断的学习过程中我体会到：写论文是一个不断学习的过程，从最初刚写论文时对各种问题的模糊认识到最后能够对该问题有深刻的认识，我体会到实践对于学习的重要性，以前只是明白理论，没有经过实践考察，对知识的理解不够明确，通过这次的做，真正做到理论与实践相结合。总之，通过毕业设计,我深刻体会到要做好一个完整的事情，需要有系统的思维方式和方法，对待要解决的问题，要耐心、要善于运用已有的资源来充实自己。同时我也深刻的认识到，在对待一个新事物时，一定要从整体考虑，完成一步之后再作下一步，这样才能更加有效。致谢当我写完这篇毕业论文的时候，有一种如释重负的感觉，在经历了找工作的焦灼、写论文的煎熬之后，感觉好像一切都尘埃落定，想起了那句伤感的歌词：“Time to say goodbye.”即将给自己的学生时代和校园生活划上一个分号，之所以说它是分号，是因为我对无忧无虑的学生生活还有无比的怀念，对单纯美好的校园生活还有无比的向往。这只是我生命中的一个路口，并不是终点，我始终相信青春不会散场，坚信有一天会重返校园，以学生或老师的身份去延续这种快乐和幸福。感谢我的母校尤其是机电系所有的老师们,在这片净土读书三载，无形中塑造了我生命的气质、生活的方式，也练就了我乐观的心态和一颗感恩的心。尊敬的李老师无论是为人还是为学都是我生活上和学术上的引路人，感激之情无以言表，只能在日后的工作和学习中踏实做人、勤奋做事，做出一番成绩来回报他对我的恩惠。宿舍同学的互帮互助和深厚友谊更是赐予了我研究生生活不可磨灭的记忆。在毕业前最后的时光，仍旧要感谢我生命中出现的那些十分重要的师姐师兄、师弟师妹们，以及我结识的朋友们。他们不仅在学术上给予我指点，同时也是我生活中一起同行的人，在交往的过程中我们建立信任、彼此鼓励、互相支持与帮助。当然，在我求学期间，还要感谢我深爱的父母亲一直以来对我无怨无悔的付出、支持、关爱、尊重和信任，在我学习、生活、感情、工作上遇到困难时，是您们帮我抵御风霜，谢谢您们。我是幸运而幸福的，我知足并且义无反顾的在大家的关爱下坚持自己的信念和理想一路前行。参考文献1 日本机器人学会 新版机器人技术手册(精) 第2版 北京： 科学出版社 20082 董克 刘明瑞 机器人与人工智能发展 第1版 上海：上海交通大学出版社 20043李亦非 崔向红 走近机器人 第1版 北京： 北京师范大学出版集团，北京师范大学出版社 20094查普曼 电机原理及驱动:电机学基础 第1版 北京：清华大学出版社 20085中华人民共和国发展与改革委员会 中华人民共和国机械行业标准 第1版 北京：机械工业出版社 20086天津电气传动研究所 电气传动自动化手册 第1版 北京：机械工业出版社，20067 陈忠平 周少华 侯玉宝 plc自学手册 第1版 人民邮电出版社 20098张迎新 单片机初级教程:单片机基础 第2版 北京：北京航空航天大学出版社 20069