基于視覺的移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)與分析
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說(shuō)明書
摘 要
移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)一個(gè)重要分支，且隨著相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，它正向著智能化和多樣化方向發(fā)展，應(yīng)用廣泛，幾乎滲透所有領(lǐng)域。隨著機(jī)器人技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，如何讓多個(gè)機(jī)器人相互協(xié)調(diào)、配合來(lái)共同完成任務(wù)，即實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人合作系統(tǒng)，已經(jīng)成為新的研究熱點(diǎn)。作為多機(jī)器人合作系統(tǒng)的研究和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，尋跡機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)多學(xué)科交叉的前沿領(lǐng)域，它涉及到機(jī)器人學(xué)、智能控制技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、圖像處理和人工智能等方向，正在成為國(guó)內(nèi)外許多大學(xué)研究、比賽和交流的公共實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。近年來(lái)人們對(duì)它的研究有了更大的關(guān)注。
本次設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容就是基于視覺導(dǎo)航的輪式移動(dòng)機(jī)器人，以尋跡機(jī)器人為研究模型，其核心內(nèi)容是應(yīng)用單片機(jī)控制直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能控制，采用視覺傳感器解決移動(dòng)機(jī)器人的定位問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在給定環(huán)境中的“完全自主” 。能使機(jī)器人在未知的環(huán)境下，通過(guò)自身傳感器測(cè)量周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，逐漸估計(jì)自身位置和運(yùn)動(dòng)狀況，并把信號(hào)反饋到單片機(jī)，使單片機(jī)按照預(yù)定的工作模式控制小車的運(yùn)動(dòng)控制。
內(nèi)容包括：
1.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：機(jī)器人采用兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的三輪結(jié)構(gòu)，動(dòng)力源采用直流無(wú)刷電機(jī)，減速和傳動(dòng)裝置采用齒輪傳動(dòng)，利用差速移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向，選用增量式光電編碼器進(jìn)行對(duì)機(jī)器人速度的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的定位。
2.控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：控制部分采用AT89C51型號(hào)單片機(jī)進(jìn)行接受命令和產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分采用L293D控制芯片，芯片利用接受到的單片機(jī)發(fā)出的信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
3. 傳感器部分：利用視覺傳感器收集圖像，送至上位機(jī)進(jìn)行圖像處理。
關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器人；單片機(jī)；運(yùn)動(dòng)控制 ；視覺傳感器；圖像處理
II
Abstract
Mobile robot is an important branch in robotics, along with the rapid development of the related technologies, it is toward intelligent and diversified development direction, wide application, permeate almost all areas. With the development of robotics and artificial intelligence, scientists were often faced with issues on cooperation and coordination among different robots in a workspace. This has led to the developments in multi-robot cooperative systemsMRCS. As a research model of MRCS, trailing robot is an interdisciplinary area that involves the knowledge of robotics, intelligence control, wireless communication, computer science, sensor technology, image processing, artificial intelligence, and so on. It has become a public experimental platform for universities all over the world to communicate with each other. It has gained considerable attention in recent years. 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 self's 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.
Contents Include:
1. Design of mechanical structure:Robot using two independent driver three-wheeled structure, the power source using brushless DC motor, 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 robot's sensor layer, using an ultrasonic distance measuring ring to improve the accuracy of the robot.
Key words：Mobile robot；Motion control；Singlechip；Visionsensor；Imageprocessing
目 錄
摘 要 I
1 緒論 1
1.1 機(jī)器人的研究背景 1
1.2 機(jī)器人的研究意義 1
1.3 機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景 錯(cuò)誤！未定義書簽。
2 機(jī)器人設(shè)計(jì)方案的確定 5
2.1 機(jī)械部分 5
2.2 控制部分的確定 5
2.3 移動(dòng)機(jī)器人傳感器類型的確定 5
3 機(jī)器人的機(jī)械部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算 6
3.1 參數(shù)的確定 6
3.2 減速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7
4 視覺機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 18
4.1 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 18
4.2 直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 21
4.3 單片機(jī)控制 21
5 機(jī)器人的視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 22
5.1 圖像的采集 22
5.2 圖像的與處理 22
結(jié) 論 25
致 謝 26
參考文獻(xiàn) 27
附 錄 28
1 緒論
1.1 機(jī)器人的研究背景
“機(jī)器人”一詞出自捷克文，意為勞役或苦工。1920年，捷克斯洛伐克小說(shuō)家、劇作家恰佩克在他寫的科學(xué)幻想戲劇《羅素姆萬(wàn)能機(jī)器人》中第一次使用了機(jī)器人一詞。此后被歐洲各國(guó)語(yǔ)言所吸收而成為專門名詞。
20世紀(jì)50年代末，美國(guó)在機(jī)械手和操作機(jī)的基礎(chǔ)上，采用伺服機(jī)構(gòu)和自動(dòng)控制等技術(shù)，研制出有通用性的獨(dú)立的工業(yè)用自動(dòng)操作裝置，并將其稱為工業(yè)機(jī)器人；60年代初，美國(guó)研制成功兩種工業(yè)機(jī)器人，并很快地在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用；1969年，美國(guó)通用汽車公司用21臺(tái)工業(yè)機(jī)器人組成了焊接轎車車身的自動(dòng)生產(chǎn)線。此后，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都很重視研制和應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人。
機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說(shuō)是一個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個(gè)綜合性的結(jié)果，同時(shí)，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)重大影響的一門科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中各國(guó)加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入，就加強(qiáng)了本國(guó)的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。比如說(shuō)日本，戰(zhàn)后以后開始進(jìn)行汽車的工業(yè)，那么這時(shí)候由于它人力的缺乏，它迫切需要一種機(jī)器人來(lái)進(jìn)行大批量的制造，提高生產(chǎn)效率降低人的勞動(dòng)強(qiáng)度，這是從社會(huì)發(fā)展需求本身的一個(gè)需求。另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結(jié)果，也是人類自身發(fā)展的必然結(jié)果，那么人類的發(fā)展隨著人們逐漸的這種社會(huì)發(fā)展的情況，人們?cè)絹?lái)越不斷探討自然過(guò)程中，在改造自然過(guò)程中，認(rèn)識(shí)自然過(guò)程中,來(lái)需求能夠解放人的一種奴隸。那么這種奴隸就是代替人們?nèi)ツ軌驈氖聫?fù)雜和繁重的體力勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)不可達(dá)世界的認(rèn)識(shí)和改造，這也是人們?cè)诳萍及l(fā)展過(guò)程中的一個(gè)客觀需要。但另一方面，盡管人們有各種各樣的好的想法，但是它也歸功于電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)以及制造技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生了提供了強(qiáng)大的技術(shù)保證。
1.2 機(jī)器人的研究意義
由于工業(yè)機(jī)器人具有一定的通用性和適應(yīng)性，能適應(yīng)多品種中、小批量的生產(chǎn)，70年代起，常與數(shù)字控制機(jī)床結(jié)合在一起，成為柔性制造單元或柔性制造系統(tǒng)的組成部分。工業(yè)機(jī)器人按執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的控制機(jī)能可分點(diǎn)位型和連續(xù)軌跡型。點(diǎn)位型只控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)由一點(diǎn)到另一點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，適用于機(jī)床上下料、點(diǎn)焊和一般搬運(yùn)、裝卸等作業(yè)；連續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)按給定軌跡運(yùn)動(dòng)，適用于連續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。具有觸覺、力覺或簡(jiǎn)單的視覺的工業(yè)機(jī)器人，能在較為復(fù)雜的環(huán)境下工作；如具有識(shí)別功能或更進(jìn)一步增加自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)功能，即成為智能型工業(yè)機(jī)器人。它能按照人給的“宏指令”自選或自編程序去適應(yīng)環(huán)境，并自動(dòng)完成更為復(fù)雜的工作。為什么要發(fā)展機(jī)器人?簡(jiǎn)單說(shuō)，機(jī)器人有三個(gè)方面是我們必要去發(fā)展的理由:一個(gè)是機(jī)器人干人不愿意干的事，把人從有毒的、有害的、高溫的或危險(xiǎn)的，這樣的環(huán)境中解放出來(lái)，同時(shí)機(jī)器人可以干不好干的活，比方說(shuō)在汽車生產(chǎn)線上我們看到工人天天拿著一百多公斤的焊鉗,一天焊幾千個(gè)點(diǎn)，就重復(fù)性的勞動(dòng)，一方面他很累，但是產(chǎn)品的質(zhì)量仍然很低；另一方面機(jī)器人干人干不了的活，這也是非常重要的機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)理由，比方說(shuō)人們對(duì)太空的認(rèn)識(shí)，人上不去的時(shí)候，叫機(jī)器人上天，上月球，以及到海洋，進(jìn)入到人體的小機(jī)器人，以及在微觀環(huán)境下，對(duì)原子分子進(jìn)行搬遷的機(jī)器人，都是人們不可達(dá)的工作。上述方面的三個(gè)問(wèn)題，也就是說(shuō)機(jī)器人發(fā)展的三個(gè)理由。
1.3 機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景
1.3.1機(jī)器人的研究現(xiàn)狀
1939年美國(guó)紐約世博會(huì)上展出了西屋電氣公司制造的家用機(jī)器人Elektro。它由電纜控制,可以行走,會(huì)說(shuō)77個(gè)字,甚至可以抽煙,不過(guò)離真正干家務(wù)活還差得遠(yuǎn)。但它讓人們對(duì)家用機(jī)器人的憧憬變得更加具體。
1942年美國(guó)科幻巨匠阿西莫夫提出"機(jī)器人三定律"。雖然這只是科幻小說(shuō)里的創(chuàng)造,但后來(lái)成為學(xué)術(shù)界默認(rèn)的研發(fā)原則。
1948年諾伯特·維納出版《控制論》,闡述了機(jī)器中的通信和控制機(jī)能與人的神經(jīng)、感覺機(jī)能的共同規(guī)律,率先提出以計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)化工廠。
1954年美國(guó)人喬治·德沃爾制造出世界上第一臺(tái)可編程的機(jī)器人,并注冊(cè)了專利。這種機(jī)械手能按照不同的程序從事不同的工作,因此具有通用性和靈活性。
1956年在達(dá)特茅斯會(huì)議上,馬文·明斯基提出了他對(duì)智能機(jī)器的看法:智能機(jī)器"能夠創(chuàng)建周圍環(huán)境的抽象模型,如果遇到問(wèn)題,能夠從抽象模型中尋找解決方法"。這個(gè)定義影響到以后30年智能機(jī)器人的研究方向。
1959年德沃爾與美國(guó)發(fā)明家約瑟夫·英格伯格聯(lián)手制造出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。隨后,成立了世界上第一家機(jī)器人制造工廠--Unimation公司。由于英格伯格對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)和宣傳,他也被稱為"工業(yè)機(jī)器人之父"。
1962年美國(guó)AMF公司生產(chǎn)出"VERSTRAN"(意思是萬(wàn)能搬運(yùn)),與Unimation公司生產(chǎn)的Unimate一樣成為真正商業(yè)化的工業(yè)機(jī)器人,并出口到世界各國(guó),掀起了全世界對(duì)機(jī)器人和機(jī)器人研究的熱潮。
1962年-1963年傳感器的應(yīng)用提高了機(jī)器人的可操作性。人們?cè)囍跈C(jī)器人上安裝各種各樣的傳感器,包括1961年恩斯特采用的觸覺傳感器,托莫維奇和博尼1962年在世界上最早的"靈巧手"上用到了壓力傳感器,而麥卡錫1963年則開始在機(jī)器人中加入視覺傳感系統(tǒng),并在1965年,幫助MIT推出了世界上第一個(gè)帶有視覺傳感器,能識(shí)別并定位積木的機(jī)器人系統(tǒng)。
1965年約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研制出Beast機(jī)器人。Beast已經(jīng)能通過(guò)聲納系統(tǒng)、光電管等裝置,根據(jù)環(huán)境校正自己的位置。20世紀(jì)60年代中期開始,美國(guó)麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、英國(guó)愛丁堡大學(xué)等陸續(xù)成立了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室。美國(guó)興起研究第二代帶傳感器、"有感覺"的機(jī)器人,并向人工智能進(jìn)發(fā)。
1968年美國(guó)斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機(jī)器人Shakey。它帶有視覺傳感器,能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木,不過(guò)控制它的計(jì)算機(jī)有一個(gè)房間那么大。Shakey可以算是世界第一臺(tái)智能機(jī)器人,拉開了第三代機(jī)器人研發(fā)的序幕。
1969年日本早稻田大學(xué)加藤一郎實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出第一臺(tái)以雙腳走路的機(jī)器人。加藤一郎長(zhǎng)期致力于研究仿人機(jī)器人,被譽(yù)為"仿人機(jī)器人之父"。日本專家一向以研發(fā)仿人機(jī)器人和娛樂(lè)機(jī)器人的技術(shù)見長(zhǎng),后來(lái)更進(jìn)一步,催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。
1973年世界上第一次機(jī)器人和小型計(jì)算機(jī)攜手合作,就誕生了美國(guó)CincinnatiMilacron公司的機(jī)器人T3。
1978年美國(guó)Unimation公司推出通用工業(yè)機(jī)器人PUMA,這標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。
1984年英格伯格再推機(jī)器人Helpmate,這種機(jī)器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送郵件。同年,他還預(yù)言:"我要讓機(jī)器人擦地板,做飯,出去幫我洗車,檢查安全"。
1998年丹麥樂(lè)高公司推出機(jī)器人(Mind-storms)套件,讓機(jī)器人制造變得跟搭積木一樣,相對(duì)簡(jiǎn)單又能任意拼裝,使機(jī)器人開始走入個(gè)人世界。
1999年日本索尼公司推出犬型機(jī)器人愛寶(AIBO),當(dāng)即銷售一空,從此娛樂(lè)機(jī)器人成為目前機(jī)器人邁進(jìn)普通家庭的途徑之一。
2002年丹麥iRobot公司推出了吸塵器機(jī)器人Roomba,它能避開障礙,自動(dòng)設(shè)計(jì)行進(jìn)路線,還能在電量不足時(shí),自動(dòng)駛向充電座。Roomba是目前世界上銷量最大、最商業(yè)化的家用機(jī)器人。
2006年6月,微軟公司推出MicrosoftRoboticsStudio,機(jī)器人模塊化、平臺(tái)統(tǒng)一化的趨勢(shì)越來(lái)越明顯,比爾·蓋茨預(yù)言,家用機(jī)器人很快將席卷全球。
1.3.2機(jī)器人的發(fā)展前景
目前國(guó)際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。主要研究?jī)?nèi)容集中在以下10個(gè)方面：
1．工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)：探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)載/自重比，同時(shí)機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。
2．機(jī)器人控制技術(shù)：重點(diǎn)研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更加友好，語(yǔ)言、圖形編程界面正在研制之中。機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點(diǎn)。編程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實(shí)用化將成為研究重點(diǎn)。
3．多傳感系統(tǒng)：為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問(wèn)題解決的關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問(wèn)題就是傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。
4．機(jī)器人的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)愈來(lái)愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。
5．機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機(jī)器人半自主和自主技術(shù)，多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有時(shí)延的情況下，建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等。
6．虛擬機(jī)器人技術(shù)：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場(chǎng)感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙操作和人機(jī)交互。
7．多智能體（multi-agent）調(diào)控制技術(shù)：這是目前機(jī)器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。主要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。
8．微型和微小機(jī)器人技術(shù)（micro/miniature robotics）:這是機(jī)器人研究的一個(gè)新的領(lǐng)域和重點(diǎn)發(fā)展方向。過(guò)去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進(jìn)展將會(huì)引起機(jī)器人技術(shù)的一場(chǎng)革命，并且對(duì)社會(huì)進(jìn)步和人類活動(dòng)的各個(gè)方面產(chǎn)生不可估量的影響，微小型機(jī)器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、控制方法、傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。
9．軟機(jī)器人技術(shù)（soft robotics）:主要用于醫(yī)療、護(hù)理、休閑和娛樂(lè)場(chǎng)合。傳統(tǒng)機(jī)器人設(shè)計(jì)未考慮與人緊密共處，因此其結(jié)構(gòu)材料多為金屬或硬性材料，軟機(jī)器人技術(shù)要求其結(jié)構(gòu)、控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機(jī)器人意外地與環(huán)境或人碰撞時(shí)是安全的，機(jī)器人對(duì)人是友好的。
10．仿人和仿生技術(shù)：這是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的最高境界，目前僅在某些方面進(jìn)行一些基礎(chǔ)研究。
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2 視覺機(jī)器人設(shè)計(jì)方案的確定
2.1 機(jī)械部分
2.1.1電機(jī)的選擇
直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，使用方便， 小車機(jī)內(nèi)部裝有減速齒輪組，所以并不需要考慮調(diào)速功能，很方便的就可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)單片機(jī)對(duì)直流減速電機(jī)前進(jìn)、后退、停止等操作。而且無(wú)刷直流電機(jī)采用方波電流供電，所用電機(jī)的轉(zhuǎn)矩/體積比更高。無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、制造成本更低。無(wú)刷直流電機(jī)產(chǎn)生方波電壓和電流的變頻器比產(chǎn)生正弦波電壓和電流的變頻器簡(jiǎn)單， 所以本次設(shè)計(jì)使用直流無(wú)刷電機(jī)。
2.1.2傳動(dòng)裝置的確定
齒輪傳動(dòng)主要用于中心距較小的兩平行軸或交叉軸間的傳動(dòng)，傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，其瞬時(shí)傳動(dòng)比和平均傳動(dòng)比在傳動(dòng)中都保持不變，特別適于尺寸有限制的減速裝置中。綜上所訴，齒輪傳動(dòng)更適于小型移動(dòng)機(jī)器人的傳動(dòng)裝置，由于小車底盤的尺寸限制，齒輪更適于做移動(dòng)機(jī)器人的減速傳動(dòng)裝置。所以在本次設(shè)計(jì)中采用兩級(jí)展開式圓柱齒輪減速器。
2.2 控制部分的確定
目前，各種機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要是用單片機(jī)或PLC做主要的控制器，也有一些智能化程度很高的機(jī)器人是用性能較高的PC機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。 基于視覺的移動(dòng)機(jī)器人鑒于其功能的單一性和簡(jiǎn)單性，其控制部分不需要用性能相對(duì)較高的微處理器，單片機(jī)或PLC就可以完全滿足其控制需要，由于單片機(jī)體積小使用方便、經(jīng)濟(jì)、能耗低并且靈活性比較高，所以本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為控制核心，來(lái)實(shí)現(xiàn)小車的智能化。
2.3 移動(dòng)機(jī)器人傳感器類型的確定
設(shè)計(jì)要求是基于視覺的移動(dòng)機(jī)器人，所以本設(shè)計(jì)采用視覺攝像頭作為傳感器。視覺傳感器得到地面圖像，將圖像進(jìn)行視覺處理，使小車可以在白色地板上循黑線行走，完成一個(gè)基于視覺的尋跡機(jī)器人的視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
3 機(jī)器人機(jī)械部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算
3.1 參數(shù)的確定
已知條件：智能小車車輪轉(zhuǎn)速0.471m/s
車輪工作阻力F=44.1N
車輪直徑 150mm
3.1.1計(jì)算電機(jī)所需功率
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得：
每對(duì)軸承傳動(dòng)效率：0.99
圓柱齒輪的傳動(dòng)效率：0.97
聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率：0.99
說(shuō)明：電機(jī)至工作機(jī)之間的傳動(dòng)裝置的總效率：
3.1.2確定電機(jī)轉(zhuǎn)速
查指導(dǎo)書：取圓柱齒輪傳動(dòng)比i=3-6
二級(jí)圓柱齒輪減速器傳動(dòng)比i=9-36所以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的可選范圍是：
540~2160 r/min
符合這一范圍的轉(zhuǎn)速有：600 r/min、800 r/min、1000 r/min、1500 r/min、2000 r/min、3000 r/min
對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩分別為：0.48N.m、0.36 N.m、0.29 N.m、0.19 N.m、0.14 N.m、0.10 N.m
表3.1 電機(jī)參數(shù)
電動(dòng)機(jī)型號(hào)
額定功率
額定轉(zhuǎn)速r/min
總傳動(dòng)比
FB-60K03151RS
30W
1500
25
3.1.3確定傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比和分配傳動(dòng)比
總傳動(dòng)比：
分配傳動(dòng)比：
=1.2經(jīng)計(jì)算
注：為高速級(jí)傳動(dòng)比，為低速級(jí)傳動(dòng)比。
3.1.4計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)
將傳動(dòng)裝置各軸由高速到低速依次定為1軸、2軸、3軸
——依次為電機(jī)與軸1，軸2，軸3的傳動(dòng)效率。
各軸轉(zhuǎn)速：
各軸輸入功率： =29.7 w
=28.5 w
=27.4 w
各軸輸入轉(zhuǎn)矩：
=0.191
=0.189
=0.993
=4.361
表3.2 各軸運(yùn)動(dòng)參數(shù)
軸名
功率P W
轉(zhuǎn)矩T
轉(zhuǎn)速n r/min
1軸
29.7
0.189
1500
2軸
28.5
0.993
274
3軸
27.4
4.361
60
3.2 減速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.2.1齒輪的設(shè)計(jì)
3.2.1.1高速級(jí)大小齒輪的計(jì)算
材料：由于小車載荷不是很大，高速級(jí)小齒輪選用40Cr鋼調(diào)質(zhì)，齒面硬度為280HBS。高速級(jí)大齒輪選用鋼調(diào)質(zhì)，齒面硬度為240HBS，二者硬度差為10HBS。
齒數(shù)：小齒輪齒數(shù)24大齒輪齒數(shù)采用閉式軟齒面，齒輪精度選7級(jí)，失效形式為點(diǎn)蝕。
（1）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算，按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核：
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算
（2）確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值：
1）
2）7級(jí)精度制造，試選載荷系數(shù)，按表選取齒寬系數(shù)
3）由設(shè)計(jì)手冊(cè)查得：材料的彈性影響系數(shù)：
4）由設(shè)計(jì)手冊(cè)按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度極限
5）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
6）由設(shè)計(jì)手冊(cè)查取接觸疲勞壽命系數(shù)：
7）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，查設(shè)計(jì)手冊(cè)得：
（3）計(jì)算得：
1）試算小齒輪分度圓直徑，帶入較小值。
=7.827mm
2）計(jì)算圓周速度
3）計(jì)算齒寬
4）計(jì)算齒寬與齒高之比
5）載荷系數(shù)
由，7級(jí)精度，由設(shè)計(jì)手冊(cè)查得動(dòng)載系數(shù)；直齒輪由表10-2查得使用系數(shù)；設(shè)計(jì)手冊(cè)用插值法查得7級(jí)精度，小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱布置，；查設(shè)計(jì)手冊(cè)得
得出載荷系數(shù)
6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，得
7）計(jì)算模數(shù)
（4）按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)：
（5）確定公式內(nèi)各數(shù)值
1）由設(shè)計(jì)手冊(cè)查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度；
2）由設(shè)計(jì)手冊(cè)取彎曲疲勞壽命系數(shù)；
3）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4,設(shè)計(jì)手冊(cè)查的得：
4)計(jì)算載荷系數(shù)
5)查取齒形系數(shù)，由設(shè)計(jì)手冊(cè)查得：
6)查取應(yīng)力校正系數(shù)，由設(shè)計(jì)手冊(cè)查得:
7)計(jì)算得
大齒輪的數(shù)值大 取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)2.10，就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值0.3,按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑
算出小齒輪和大齒輪齒數(shù):
(6)幾何尺寸計(jì)算
3.2.1.2低速級(jí)大小齒輪的計(jì)算
材料：因?yàn)闉榈退偌?jí)傳動(dòng),轉(zhuǎn)速不高,由設(shè)計(jì)手冊(cè)查得小齒輪40Cr大齒輪選用鋼調(diào)質(zhì)，小齒輪用調(diào)質(zhì),為軟齒面,小齒輪齒面硬度為280HBS,大齒輪為240HBS.
齒數(shù)：小齒輪齒數(shù)大齒輪齒數(shù)采用閉式軟齒面，齒輪精度選7級(jí)，失效形式為點(diǎn)蝕。
（1）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算，按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算
（2）確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值：
1）
2）7級(jí)精度制造，試選載荷系數(shù)=1.3，按設(shè)計(jì)手冊(cè)選取齒寬系數(shù)
3）由設(shè)計(jì)手冊(cè)查得：材料的彈性影響系數(shù)：
4）由齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度極限
5）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
6）由設(shè)計(jì)手冊(cè)查取接觸疲勞壽命系數(shù)：
7）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，得：
（3）計(jì)算：
1）試算小齒輪分度圓直徑，帶入較小值：
2）計(jì)算圓周速度
3）齒寬
4）齒寬與齒高之比
5）載荷系數(shù)
由，7級(jí)精度，由設(shè)計(jì)手冊(cè)查得動(dòng)載系數(shù)；直齒輪由設(shè)計(jì)手冊(cè)得使用系數(shù)；由表10-4用插值法查得8級(jí)精度，小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱布置，；查設(shè)計(jì)手冊(cè)得。
計(jì)算得出載荷系數(shù)
6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，得
7）計(jì)算模數(shù)
（4）按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)：
（5）確定公式內(nèi)各數(shù)值
1）由設(shè)計(jì)手冊(cè)查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限，大齒輪的彎曲強(qiáng)度極限：；
2）由設(shè)計(jì)手冊(cè)查得取彎曲疲勞壽命系數(shù)
；
3）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4,得
4)計(jì)算載荷系數(shù)
5)查取齒形系數(shù)，由設(shè)計(jì)手冊(cè)查得：
6)查取應(yīng)力校正系數(shù)，由設(shè)計(jì)手冊(cè)查得:
7) 計(jì)算得
取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)0.4042，就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值0.35,按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑
算出小齒輪齒數(shù):
(6)幾何尺寸計(jì)算
3.2.2軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
軸的設(shè)計(jì)包括軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理的確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。軸的結(jié)構(gòu)形式的影響因素很多，必須針對(duì)不同情況進(jìn)行具體的分析。但是軸的結(jié)構(gòu)都應(yīng)該滿足：軸和安裝在軸上的零件要有準(zhǔn)確的工作位置；軸上的零件應(yīng)該便于裝拆和調(diào)整；軸應(yīng)該具有良好的制造工藝性。
軸的設(shè)計(jì)，從加工工藝的角度來(lái)說(shuō)，軸的形狀卻是越簡(jiǎn)單越好，簡(jiǎn)單的軸制造時(shí)省工，熱處理不易變形，并有可能減少應(yīng)力集中。在決定軸的外形時(shí)，在保證裝配精度的前提下，既要考慮節(jié)省材料，又要考慮便于加工和裝配。因此實(shí)際的軸大多做成階梯型的。
3.2.2.1高速軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
1)材料：因?yàn)闇p速器傳遞功率不大, 而且應(yīng)用載荷平穩(wěn)的場(chǎng)合,對(duì)其重量及尺尺寸無(wú)特殊要求,選用45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)處理。查設(shè)計(jì)手冊(cè)得 。
2)各軸段最小直徑的確定：
根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)公式得軸的最小直徑：
，
軸的最小直徑是安裝聯(lián)軸器的直徑,選取聯(lián)軸器的型號(hào),半聯(lián)軸器孔徑取長(zhǎng)度
3)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)軸向定位要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度
1.段的右段因?yàn)橐獫M足半聯(lián)軸器的軸向定位要求,需制出一段軸肩,半聯(lián)軸器與軸配合的轂空長(zhǎng)度,為保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而壓在軸的斷面上,所以1段長(zhǎng)度應(yīng)略短一些,取10mm
2.初選滾動(dòng)軸承,軸承基本承受徑向力,選深溝球軸承,由直徑選取,型號(hào)為624
3.由齒輪的設(shè)計(jì)條件知,當(dāng) 時(shí),可與軸設(shè)計(jì)為一體,為齒輪軸,
4.取軸承端蓋總寬為2,取,由中間軸小齒輪取
得到
5.軸上零件的周向定位,半聯(lián)軸器定位采用平鍵連接,由查設(shè)計(jì)手冊(cè)得選用平鍵,聯(lián)軸器與軸的配合 ，滾動(dòng)軸承與軸的周向定位有過(guò)渡配合來(lái)保證的,選軸的尺寸公差m6
6.確定軸上圓角和倒角尺寸：取軸端倒角為
高速軸的結(jié)構(gòu)如下圖：
圖3-1 高速軸
3.2.2.2中間軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
1)材料：因?yàn)闇p速器傳遞功率不大, 而且應(yīng)用載荷平穩(wěn)的場(chǎng)合,對(duì)其重量及尺尺寸無(wú)特殊要求,選用45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)處理。查設(shè)計(jì)手冊(cè) 。
2)各軸段直徑的確定：
大齒輪：
小齒輪：
根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)公式得軸的最小直徑：
軸的最小直徑是安裝軸承的直徑，選取軸承的型號(hào),選用滾動(dòng)軸承,選取626深溝球軸承,
3)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)軸向定位要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度
1.考慮到大齒輪和小齒輪的嚙合，取，軸承寬為6，取，套筒的厚為1.5mm
2.由小齒輪寬為15，得，由大齒輪寬為8.4，得
3.經(jīng)中間軸和高速軸比較得，取 2段需要軸肩，取 ，由 取取
得到
4.軸上零件的周向定位,兩齒輪與軸的周向定位采用平鍵連接,由設(shè)計(jì)手冊(cè)查得齒輪選用平鍵,齒輪與軸的配合 ，滾動(dòng)軸承與軸的周向定位有過(guò)渡配合來(lái)保證的,選軸的尺寸公差m6
5.確定軸上圓角和倒角尺寸：取軸端倒角為
中間軸結(jié)構(gòu)如下：
圖3-2 中間軸
3.2.2.2低速軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
1)材料：因?yàn)闇p速器傳遞功率不大, 而且應(yīng)用載荷平穩(wěn)的場(chǎng)合,對(duì)其重量及尺寸無(wú)特殊要求,選用45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)處理。查設(shè)計(jì)手冊(cè)
2)各軸段直徑的確定：
低速軸的最小直徑：
軸的最小直徑是安裝聯(lián)軸器的直徑,選取聯(lián)軸器的型號(hào), 半聯(lián)軸器孔徑取長(zhǎng)度
3)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)軸向定位要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度
1.第5段的右段因?yàn)橐獫M足半聯(lián)軸器的軸向定位要求,需制出一段軸肩,取，半聯(lián)軸器與軸配合的轂空長(zhǎng)度,為保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而壓在軸的斷面上,所以5段長(zhǎng)度應(yīng)略短一些,取11mm。
2.初選滾動(dòng)軸承,軸承基本承受徑向力,選深溝球軸承,由直徑選取,型號(hào)為6301
3.取安裝齒輪處軸段, ，齒輪左端與軸承采用套筒定位，齒輪齒寬為14，為使套筒端面壓緊齒輪，取，齒輪右端采用軸肩定位，軸肩高為 寬度L=2mm
4.經(jīng)低速軸與中間軸的齒輪嚙合考慮得，取
5.軸承端蓋總寬為2，取
得到
6.軸上零件的周向定位,半聯(lián)軸器定位采用平鍵連接, 選
段選用，半聯(lián)軸器與軸的配合 ，滾動(dòng)承與軸的周向定位有過(guò)渡配合來(lái)保證的,選軸的尺寸公差m6
7.確定軸上圓角和倒角尺寸：取軸端倒角為
低速軸的結(jié)構(gòu)如下：
圖3-3 低速軸
3.2.3減速器機(jī)體結(jié)構(gòu)尺寸
表3.3 減速器機(jī)體結(jié)構(gòu)尺寸
名稱
符號(hào)
結(jié)果
箱座厚度
2
箱蓋厚度
2
箱蓋凸緣厚度
5
箱座凸緣厚度
6
箱座底凸緣厚度
M8
地腳螺釘直徑
4
地腳螺釘數(shù)目
4
軸承旁連接螺栓直徑
M4
蓋與座連接螺栓直徑
M4
軸承端蓋螺栓直徑
M2
外箱壁至軸承端面距離
10
大齒輪頂圓與內(nèi)箱壁距離
13
齒輪端面與內(nèi)箱壁距離
8
軸承端蓋外徑
18（1軸）
24（2軸）
36（3軸）
4 視覺機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
控制裝置使用了AT80F51單片機(jī)做控制器，通過(guò)控制永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向來(lái)確定移動(dòng)機(jī)器人的行進(jìn)速度和方向。在本文中對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的硬件電路和軟件程序問(wèn)題進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)。采用性能相對(duì)較高的AT80F51單片機(jī)作為微處理器，用模擬控制技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速和轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，使電機(jī)在一定范圍內(nèi)能夠進(jìn)行精確調(diào)速和速度穩(wěn)定控制。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)、軟硬件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了控制器小型化，提高了控制器可靠性，減小了體積與重量。
4.1 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型
本文研究的雙輪驅(qū)動(dòng)式移動(dòng)機(jī)器人是由一個(gè)圓形移動(dòng)平臺(tái)和兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)輪與一個(gè)萬(wàn)向輪組成的 。圓形移動(dòng)平臺(tái)上的中心位于兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)輪的中間，該種機(jī)構(gòu)組成簡(jiǎn)單，而且旋轉(zhuǎn)半徑可從0到無(wú)限大，任意設(shè)定。當(dāng)旋轉(zhuǎn)半徑為0時(shí)，由于能繞本體中心旋轉(zhuǎn)，所以有利于在狹窄場(chǎng)所改變方向，因此針對(duì)雙輪驅(qū)動(dòng)式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出機(jī)器人的控制方法，通過(guò)控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力矩，可以實(shí)現(xiàn)控制移動(dòng)機(jī)器人沿給定的軌跡運(yùn)動(dòng)。
圖4-1 運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
采用雙輪差分驅(qū)動(dòng)方式的機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)如圖4.1所示。對(duì)于該平臺(tái)做如下假設(shè)：
（1）平臺(tái)具有剛性外殼，且兩個(gè)輪子不變形；
（2）輪面與接觸面垂直并保持點(diǎn)接觸，忽略所有輪厚度對(duì)于平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)影響；
（3）輪子與接觸面間不發(fā)生與軸向平行的滑動(dòng)，而只發(fā)生繞輪軸方向的純滾動(dòng)；
（4）平臺(tái)在二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)； （5）兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪具有相同的尺寸，輪軸心連線同平臺(tái)的前后運(yùn)動(dòng)方向相同
在上述假設(shè)下，移動(dòng)平臺(tái)的位姿可由廣義坐標(biāo)向量q=[xP, yP ,θ]T表示，其中（xP . xP）為平臺(tái)參考點(diǎn)P在二維平面內(nèi)的投影坐標(biāo)，θ為平臺(tái)的航向角，即平臺(tái)前進(jìn)方向同坐標(biāo)系X軸之間的夾角。在圖4.1中，進(jìn)一步假設(shè)兩驅(qū)動(dòng)輪之間的軸間距為d，驅(qū)動(dòng)輪半徑為r，軸間連線的中心點(diǎn)為M，其坐標(biāo)為（xM , xM）；參考點(diǎn)P同M之間的距離為l，直流|PM|同平臺(tái)中軸線之間的夾角為β。則根據(jù)圖4-1可得：
XP=XM+Lcos（＋β） （4-1）
Yp=YM+Lsin（＋β）
對(duì)上面兩個(gè)方程的左右兩端分別對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)得
（4-2）
對(duì)于圖4所示的移動(dòng)平臺(tái)模型，可將兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪簡(jiǎn)化為居于軸連線中點(diǎn)M處的單個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，則該虛擬單輪系統(tǒng)所受非完整約束為
（4-3）
結(jié)合式2和3可得
(4-4)
即
[sinθ,-cosθ,lcosβ] = 0 (4-5)
該式即為利用參考點(diǎn)P的坐標(biāo)和航向角θ作為廣義坐標(biāo)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行描述下的系統(tǒng)所受的非完整運(yùn)動(dòng)約束方程。
設(shè)左、右兩輪的旋轉(zhuǎn)速度分別為ωL和ωR,則存在以下關(guān)系：
(4-6)
結(jié)合式2和6可得
(4-7)
即
(4-8)
式8即為以P為參考點(diǎn)描述下的兩輪差動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)模型，其所受的非完整約束方程為式5 。當(dāng)P選擇為點(diǎn)M時(shí)，平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和約束方程可分別簡(jiǎn)化為
(4-9)
和
(4-10)
由上述運(yùn)動(dòng)學(xué)模型不難看出，移動(dòng)平臺(tái)的廣義坐標(biāo)向量有三個(gè)分類：x，y和θ，而平臺(tái)的控制分量只有左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)角速度wL和wR,這是典型的非完整約束問(wèn)題。平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，約束方程式4或式10始終滿足，這就意味著平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度方向，同平臺(tái)朝向完全相同。平臺(tái)方向的改變只能通過(guò)兩個(gè)輪子之間的速度差值實(shí)現(xiàn)，而平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡則由一系列繞瞬時(shí)圓心旋轉(zhuǎn)的小段圓弧組成。該系統(tǒng)的可控性可借助于類似于單輪系統(tǒng)的方式得以證明。
下面討論轉(zhuǎn)彎半徑R的計(jì)算。
根據(jù)式6可知，M點(diǎn)的線速度和角速度分別為
(4-11)
(4-12)
因?yàn)関M=wMR,可得平臺(tái)M點(diǎn)處的轉(zhuǎn)彎半徑為
(4-13)
由式13可以看出：當(dāng)wL=wR時(shí)，旋轉(zhuǎn)角速度，轉(zhuǎn)彎半徑為無(wú)窮大，平臺(tái)做前后方向上的直線運(yùn)動(dòng)；當(dāng)wL=-wR時(shí)，轉(zhuǎn)彎半徑等于0，平臺(tái)圍繞M點(diǎn)做原地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)彎半徑可以從0到無(wú)窮大變化，這是雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的一個(gè)顯著特點(diǎn).
4.2 直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器
驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來(lái)控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速。
4.3 單片機(jī)控制
單片機(jī)是將中央處理器（CPU）、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、定時(shí)器芯片和一些輸入輸出接口電路集成的一個(gè)芯片上的微控制器。
中央處理器是單片機(jī)的核心，它包括運(yùn)算器、控制器和寄存器3個(gè)主要部分。存儲(chǔ)器按工作方式可分為、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）和只讀存儲(chǔ)器（ROM）。RAM可以隨機(jī)地被CPU讀寫，斷電后存儲(chǔ)的內(nèi)容消失；ROM種的信息只能讀不能寫。輸入輸出接口是單片機(jī)的重要組成部分。程序、數(shù)據(jù)以及外部的所有信息都是通過(guò)單片機(jī)的I/O端口讀入單片機(jī)的。單片機(jī)計(jì)算的所有結(jié)果也都通過(guò)I/O輸出到顯示部分或者控制外部其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
5 移動(dòng)機(jī)器人的圖像處理技術(shù)
系統(tǒng)通過(guò)圖像傳感器獲取圖像并傳入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)完成圖像處理任務(wù)。本文所介紹的設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)易機(jī)器人添加視覺模塊，并研究了相關(guān)算法和策略，實(shí)現(xiàn)了自主路徑跟蹤。為了使系統(tǒng)真正做到穩(wěn)定快速，在圖像預(yù)處理、路徑識(shí)別和路徑跟蹤等各個(gè)環(huán)節(jié)都充分考慮到算法的實(shí)時(shí)性與魯棒性。
本設(shè)計(jì)中，機(jī)器人視覺導(dǎo)航中的圖像處理技術(shù)包括：視頻圖像的采集、圖像的預(yù)處理、邊緣特征的提取以及直線的擬合算法等等。本章從各個(gè)方面對(duì)這些圖像處理技術(shù)進(jìn)行了分析和比較，提出最優(yōu)的圖像處理方法，保證機(jī)器人在導(dǎo)航中能夠有效、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地為視覺 算法提供特征信息，并根據(jù)這些特征信息實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主巡線移動(dòng)。
5.1 圖像的采集
所謂圖像采集是指機(jī)器人視覺系統(tǒng)獲取數(shù)字視頻圖像的過(guò)程,目前用于獲取圖像的視覺傳感器主要有CCD和CMOS兩種，它們都是通過(guò)接受外界的激勵(lì)而產(chǎn)生響應(yīng)，然后把模擬的響應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而獲取客觀世界的圖像。
CCD與CMOS傳感器是被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用感光二極管(photodiode)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，而其主要差異是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送的方式不同。
CCD傳感器中每一行中每一個(gè)象素的電荷數(shù)據(jù)都會(huì)依次傳送到下一個(gè)象素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進(jìn)行放大輸出；而在CMOS傳感器中，每個(gè)象素都會(huì)鄰接一個(gè)放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。
CMOS傳感器的圖像采集方式為主動(dòng)式，感光二極管所產(chǎn)生的電荷會(huì)直接由晶體管放大輸出，但CCD傳感器~1為被動(dòng)式采集，需外加電壓讓每個(gè)象素中的電荷移動(dòng)，而此外加電壓通常需要達(dá)到128V；因此，CCD傳感器除了在電源管理電路設(shè)計(jì)上的難度更高之外(需外加 power IC)，高驅(qū)動(dòng)電壓更使其功耗遠(yuǎn)高于CMOS傳感器的水平。
CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優(yōu)于CMOS傳感器，而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點(diǎn)。。由于在本次設(shè)計(jì)中道路信息比較簡(jiǎn)單，只有黑白兩種顏色，因此選用了一款市場(chǎng)上非常常見的型號(hào)為203CA的CMOS攝像頭。
5.2 圖像的預(yù)處理
5.2.1彩色圖像灰度化
機(jī)器人可以直接從視覺設(shè)備中采集數(shù)字圖像，但是多數(shù)圖像都是彩色圖像。雖然這種彩色圖像包含著大量的有用信息，但是在實(shí)現(xiàn)圖像的邊緣直線提取時(shí)，需要處理的彩色圖像不僅存儲(chǔ)量大，而且由于在處理的過(guò)程中需要計(jì)算三個(gè)不同的分量，所以處理速度相當(dāng)緩慢。因此，在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中，常把彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，也就是所謂的彩色圖像灰度化。
彩色圖像灰度化實(shí)際上是將三通道的圖像信息處理成為單通道圖像的數(shù)據(jù)處理過(guò)程。在灰度圖像中，每個(gè)像素點(diǎn)只需要一個(gè)字節(jié)就可以存放一個(gè)灰度值，灰度值的范圍為0到255，灰度級(jí)數(shù)為256級(jí)，所以存儲(chǔ)量和計(jì)算量都不是很大。
彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像的公式如下所示：
f(x,y)=0.30×R+0.59×G+0.11×B
其中：RGB表示彩色圖像的三個(gè)不同分量,f(x,y)為得到灰度圖像的灰度值。
5.2.2灰度圖像的平滑處理
圖像的平滑處理主要的目的是去除圖像中的噪音，有目的地突出或者抑制圖像中的整體或局部特性，改善圖像的“視覺效果” ，使處理后的圖像更加適用于某種特定的應(yīng)用場(chǎng)合，為圖像特征信息的提取以及其他的圖像分析奠定良好的基礎(chǔ)。
圖像中的噪音是在信息處理中應(yīng)該去除的干擾信息，它一般都是高頻信號(hào)，噪音會(huì)導(dǎo)致圖像質(zhì)量的惡化、信息的模糊以及找不到有效的圖像特征等等，從而給圖像的分析帶來(lái)困難。因此對(duì)圖像進(jìn)行平滑處理是圖像邊緣提取的一個(gè)重要步驟。值得注意的是在去除噪音的同時(shí)，平滑處理還會(huì)損壞圖像的邊緣特征，所以使用平滑處理時(shí)要充分考慮噪音的特征，選擇最優(yōu)的平滑處理方法。
目前的圖像平滑處理方法主要有鄰域平均法和中值濾波法兩種：
1）鄰域平均法是一種典型的線性低通濾波器，該方法主要是通過(guò)利用平滑模板對(duì)圖像進(jìn)行卷積運(yùn)算，從而達(dá)到去除噪音的，它將某一像素點(diǎn)包含在內(nèi)所有鄰域像素點(diǎn)加權(quán)求平均，然后把這個(gè)平均值作為該點(diǎn)最后的像素值，從而濾掉圖像中的高頻信號(hào)。
其模板的設(shè)計(jì)原則一般是：模板的大小都為奇數(shù)，每一個(gè)模板前面的系數(shù)都等于模板所有值的和的倒數(shù)。其中最常用的平滑模板有3×3模板、5×5模板和高斯模板，其具體形式依次如下所示：
2）中值濾波是一種典型的非線性低通濾波器，其方法是把以某像素點(diǎn)為中心的所有鄰域點(diǎn)的像素灰度值，按照從大到小的順序排列，然后將中間值作為該像素點(diǎn)灰度值的方法，如果像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)是偶數(shù)時(shí)，則取兩個(gè)中間值的平均作為該像素的灰度值?？梢哉f(shuō)中值濾波是一種使得圖像上某一位置的灰度值更加接近鄰域值的方法。
在以上兩種方法中，3×3模板、5×5模板都是簡(jiǎn)單的求平均方法，所以平滑處理后的圖像會(huì)有明顯的模糊糊，所以一般在室內(nèi)導(dǎo)航中這樣的模板很少被使用。
中值濾波，雖然很容易去除孤立點(diǎn)，在去除噪音的同時(shí)，也可以比較好地保留邊的銳度和圖像的細(xì)節(jié)，但對(duì)高斯噪聲的處理效果不佳。而且當(dāng)模板范圍內(nèi)噪聲點(diǎn)的個(gè)數(shù)大于其模板內(nèi)像素總數(shù)的一半時(shí)，中值濾波去除噪音的效果會(huì)明顯下降。
而對(duì)于高斯模板，我們可以看出它是利用不同的系數(shù)乘以像素，從權(quán)值上看，中間的權(quán)值要比周圍的大，也就是說(shuō)離模板中心近的像素要比遠(yuǎn)的像素更加重要。這樣做的好處是可以減少由于平滑處理而出現(xiàn)的模糊，對(duì)于高斯噪音有很好的處理效果，并且在去除噪音的同時(shí)很好的保護(hù)了邊緣信息。
由于室內(nèi)環(huán)境中噪音多是高斯分布的，所以應(yīng)用高斯濾波的平滑處理方法不僅去除了圖像的高斯噪音，使圖像變得平滑，而且很好的保留了圖像的邊緣信息。
5.2.3顏色模塊轉(zhuǎn)化
機(jī)器人從視覺傳感器中得到的視頻圖像一般都是模型下的顏色分布,由于它對(duì)于燈光的影響過(guò)于敏感，所以一般情況下，都是將原始圖像轉(zhuǎn)換到模型空間中。模型采用的是更加直觀的色彩描述方法 ,由色度, 飽和度 , 亮度 三個(gè)分量組成, 其中色度表示不同的顏色, 飽和度表示顏色的深淺, 亮度表示顏色的明暗程度。它符合人眼對(duì)顏色的感覺模式，并且顏色模型中的三個(gè)坐標(biāo)是獨(dú)立的,非常有利于計(jì)算和分析。
顏色模型是三維直角坐標(biāo)顏色系統(tǒng)中的一個(gè)單位正方體，在正方體的主對(duì)角線上，各原色的量相等，產(chǎn)生由暗到亮的白色，即灰度。坐標(biāo)點(diǎn),,表示的顏色為黑，坐標(biāo)點(diǎn),,表示的顏色為白，其余的角點(diǎn)位置分別表示紅、黃、綠、青、藍(lán)和品紅。而在顏色模型中，每一種顏色和它的補(bǔ)色相差180度,圓錐的頂面對(duì)應(yīng)于，它包含模型中的，，三個(gè)平面，故所代表的顏色較亮。色度是由繞軸的旋轉(zhuǎn)角確定的。紅色對(duì)應(yīng)于0，綠色對(duì)應(yīng)于120，藍(lán)色對(duì)應(yīng)于240。在圓錐的頂點(diǎn)處，和無(wú)定義，代表黑色。圓錐的頂面中心處,，無(wú)定義，代表白色。，只需對(duì)分量進(jìn)行處理。有效的減少了由于燈光強(qiáng)度不均引起的影響，而且計(jì)算量相對(duì)要小。
結(jié) 論
本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于視覺的機(jī)器人系統(tǒng)。系統(tǒng)采用單片機(jī)，完成了從視頻采集到視頻處理，最終實(shí)現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)向控制的功能。系統(tǒng)沒(méi)有采用通用的紅外光電對(duì)管，而采用低分辨率攝像頭作為傳感器。由于視頻獲取的路線信息比紅外光電傳感器方案要豐富的多，因此這種低成本的視頻解決方案，使運(yùn)動(dòng)控制算法開發(fā)提供很高的靈活性。
經(jīng)過(guò)兩個(gè)多月的努力，基于視覺移動(dòng)的機(jī)器人論文終于完成，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，出現(xiàn)過(guò)很多的難題，但都在……老師和同學(xué)的幫助下順利解決了，在不斷的學(xué)習(xí)過(guò)程中我體會(huì)到：
寫論文是一個(gè)不斷學(xué)習(xí)的過(guò)程，從最初剛寫論文時(shí)對(duì)面臨的問(wèn)題的模糊認(rèn)識(shí)到最后能夠?qū)υ搯?wèn)題有深刻的認(rèn)識(shí)，我體會(huì)到實(shí)踐對(duì)于學(xué)習(xí)的重要性，以前只是明白理論，沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)踐考察，對(duì)知識(shí)的理解不夠明確，通過(guò)這次的做，真正做到理論時(shí)間相結(jié)合。
總之，通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì),我深刻體會(huì)到要做好一個(gè)完整的事情，需要有系統(tǒng)的思維方式和方法，對(duì)待要解決的問(wèn)題，要耐心、要善于運(yùn)用已有的資源來(lái)充實(shí)自己。同時(shí)我也深刻的認(rèn)識(shí)到，在對(duì)待一個(gè)新事物時(shí)，一定要從整體考慮，完成一步之后再作下一步，這樣才能更加有效。
致 謝
隨著這篇畢業(yè)論文的最后落筆，我四年的大學(xué)生活也即將劃上一個(gè)圓滿的句號(hào)。回憶這四年生活的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，從入學(xué)時(shí)對(duì)大學(xué)生活的無(wú)限憧憬到課堂上對(duì)各位老師學(xué)術(shù)學(xué)識(shí)的深沉沉湎，從奔波于教室圖書館的來(lái)去匆匆到業(yè)余生活的五彩繽紛，一切中的一切都是歷歷在目，讓人倍感留戀，倍感珍惜。
四年大學(xué)的學(xué)習(xí)生活注定將成為我人生中的一段重要旅程。四年來(lái)，我的師長(zhǎng)、我的領(lǐng)導(dǎo)、我的同學(xué)給予我的關(guān)心和幫助，使我終身收益，我真心地感謝他們。
在本文的撰寫過(guò)程中，……老師作為我的指導(dǎo)老師，他治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識(shí)淵博，視野廣闊，為我營(yíng)造了一種良好的學(xué)術(shù)氛圍。置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了明確的學(xué)術(shù)目標(biāo)，領(lǐng)會(huì)了基本的思考方式，掌握了通用的研究方法，而且還明白了許多待人接物與為人處世的道理。其嚴(yán)以律己、寬以待人的崇高風(fēng)范，樸實(shí)無(wú)華、平易近人的人格魅力，與無(wú)微不至、感人至深的人文關(guān)懷，令人如沐春風(fēng)，倍感溫馨。正是由于他在百忙之中多次審閱全文，對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行修改，并為本文的撰寫提供了許多中肯而且寶貴的意見，本文才得以成型。
在此特向……老師致以衷心的謝意！向他無(wú)可挑剔的敬業(yè)精神、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的治學(xué)態(tài)度、深厚的專業(yè)修養(yǎng)和平易近人的待人方式表示深深的敬意！同時(shí)感謝張紅麗老師、孫日坤老師、徐建斌老師等幾年來(lái)對(duì)我的栽培和教育。
此外，本文參考了大量雜志期刊和專業(yè)叢書，由于參考期刊太多，不能一一注明，敬請(qǐng)?jiān)彶⑾蛩凶髡吆涂镏乱哉\(chéng)摯的謝意！由于本人水平有限，紕漏之處在所難免，懇請(qǐng)各位老師不吝賜教。
參考文獻(xiàn)
[1]西格沃特， I·R·諾巴克什. 李人厚. 自主移動(dòng)機(jī)器
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