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摘 要
機器人（Robot）是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運行預先設(shè)定的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類的工作，例如
1.生產(chǎn)業(yè)，例如利用電焊機器人、分配機器人、裝配機器人、噴漆機器人等工業(yè)機器人進行機械生產(chǎn)等。
2.物流方面，例如利用移動機器人進行貨物的卸載及搬運等。
3.危險的工作，例如利用軍事機器人在戰(zhàn)場上進行掃雷，利用航天機器人進行宇宙探索，利用工業(yè)機器人進行長時間的水下作業(yè)、利用科研機器人在火山等不利于人直接到達的區(qū)域采集標本等。
本文設(shè)計的視覺移動機器人主要內(nèi)容包括：底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計、底盤的控制系統(tǒng)以及視覺算法。
1.底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計：機器人采用獨立驅(qū)動的兩輪式結(jié)構(gòu)，動力源采用步進電機，減速裝置采用齒輪減速，利用差速移動平臺實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)向，選用增量式光電編碼器對機器人速度進行檢測，實現(xiàn)機器人的自主定位。
2.底盤控制系統(tǒng)：應(yīng)用PIC16F877單片機接受視覺傳感器的視覺信號，做出決策然后產(chǎn)生驅(qū)動信號，控制步進電動機。步進電機的驅(qū)動電路采用兩個電機驅(qū)動芯片L298，實現(xiàn)步進電機的控制，完成機器人轉(zhuǎn)向、加速等功能。
3.視覺傳感部分及視覺算法：以視覺傳感器做為機器人的感知系統(tǒng)，利用機器人的攝像頭拍攝目標圖像，通過圖像處理技術(shù)提取機器人所在環(huán)境的環(huán)境特征，實現(xiàn)機器人對環(huán)境信息的采集。
關(guān)鍵詞：移動機器人，運動控制，底層控制，PIC16F877，步進電機
Abstract
Robot (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 as
1. 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 motor
目錄
摘 要 I
Abstract II
前言 1
1 基于視覺的移動機器人 2
1.1 移動機器人的研究歷史 2
1.2 移動機器人的研究意義 3
1.3 移動機器人研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀 5
2 視覺移動機器人方案的確定 8
2.1 視覺移動機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案 8
2.2 視覺移動機器人控制系統(tǒng)設(shè)計方案 10
2.3 視覺移動機器人視覺系統(tǒng)設(shè)計方案 11
2.4 視覺移動機器人最終模型 13
3 視覺移動機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 15
3.1 電動機的確定 15
3.2 減速箱的確定 15
4 視覺移動機器人控制系統(tǒng)設(shè)計 21
4.1 運動學模型 21
4.2 電子元件選型 23
5 移動機器人的視覺算法 26
5.1 圖像的采集 26
5.2 圖像的預處理 26
結(jié)論 30
致 謝 31
參考文獻 32
附錄 33
32
32
前言
隨著現(xiàn)代科技日新月異的發(fā)展，許多行業(yè)的工作有時不適合人類直接動手操作，移動機器人也便應(yīng)運而生。移動機器人的導航方式分許多種，目前，隨著視覺傳感器價格的不斷下降，計算機處理速度的不斷提高，圖像處理理論的不斷完善，信息量豐富的視覺移動移動機器人已經(jīng)成為移動機器人領(lǐng)域的研究熱點，并在國內(nèi)外許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。
本設(shè)計正是研究的視覺移動機器人，此次設(shè)計中機器人通過攝像頭攝取判斷目標物的的圖像從而判斷其位，內(nèi)部視覺處理設(shè)備再根據(jù)機器人的距離與角度進行計算，最終確定機器人的前進、倒退、拐彎等動作。此方法控制的機器人靈活性強，操作準確，不受溫度、天氣環(huán)境等外部條件的影響，長期以來被廣泛的應(yīng)用到移動機器人的導航研究中，例如多次在機器人競賽中奪冠的足球機器人就是運用的此方法的簡單應(yīng)用，目前足球機器人比賽已經(jīng)發(fā)展成為一項國際性的大型比賽。因此，視覺移動機器人機器人的研究具有重要意義。
1 基于視覺的移動機器人
1.1 移動機器人的研究歷史
機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。機器人的歷史可以追溯到20世紀六十年代。1962年，美國Unimation公司的第一臺工業(yè)機器人Unimate，在美國通用汽車公司(GM)投入使用，標志著第一代機器人的誕生，也就是工業(yè)機器人的誕生，而本課題設(shè)計的移動機器人與工業(yè)機器人有著很大的區(qū)別，移動機器人更加強調(diào)了機器人具有的移動能力，從而面臨比固定式機器人更為復雜的不確定性環(huán)境，也增加了智能系統(tǒng)的設(shè)計復雜程度。
移動機器人是一種集環(huán)境感知，路徑規(guī)劃，行為控制等多項功能于一體的高智能化機械系統(tǒng)，能夠連續(xù)、實時地實現(xiàn)自主控制。其中環(huán)境感知是指機器人所使用的各種傳感器，它相當于機器人的感覺器官，目前機器人應(yīng)用比較多的傳感器有：超聲波傳感器、紅外傳感器、視覺傳感器、激光測距傳感器、味覺傳感器等等。由于現(xiàn)代科技的發(fā)展使視覺傳感器的成本越來越低，易用性也越來越強，視覺傳感器機器人的應(yīng)用也因此越來越廣闊。
對視覺機器人的研究從機器人研究初期就開始了，例如：
168年到1972年間，美國斯坦福國際研究所(Stanford Research Institute, SRI)研制的移動機器人Shaky就是一臺視覺機器人,Shaky具備一定人工智能，能夠自主進行感知、環(huán)境建模、行為規(guī)劃并執(zhí)行任務(wù)(如尋找木箱并將其推到指定目的位置)。不過當時計算機的體積龐大，運算速度緩慢，導致Shaky往往需要數(shù)小時的時間來分析采集的視覺圖像并規(guī)劃行動路徑。
前蘇聯(lián)月球17號探測器把世界第一個無人駕駛的月球車送去月球，月球車行駛0.5公里，考察了8萬平方米的月面。后來的月球車行駛37公里，向地球發(fā)回88幅月面視覺全景圖。在同一時代，美國噴氣推進實驗室也研制了月球車(Lunar rover),應(yīng)用于行星探測的研究。采用了視覺傳感器，激光測距儀以及觸覺傳感器。機器人能夠把環(huán)境區(qū)分為可通行、不可通行以及未知等類型區(qū)域。
1973年到1979年，斯坦福大學人工智能實驗室研制了CART移動機器人，CART可以自主地在辦公室環(huán)境運行。CART每移動1米，就停下來通過攝像機的圖片對環(huán)境進行分析，規(guī)劃下一步的運行路徑。由于當時計算機性能的限制，CART每一次規(guī)劃都需要耗時約15分鐘。
1981年，卡耐基梅隆大學機器人學研究所開始研制機器人CMU Rover，它具有12個微處理器來處理實時任務(wù)，一個大型的遠程計算機通過遙控方式來進行復雜規(guī)劃與環(huán)境分析。它通過聲納傳感器與視覺傳感器來探測環(huán)境中的障礙。
由于計算機的運行速度以及傳感器感知能力的限制，這些移動機器人的實時控制性能不佳。每自主前進一步都需要停下來花費大量的時間進行計算，因此在實際應(yīng)用中通常采取遙控的方式。進入20世紀90年代，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，機器人的感知、決策能力也獲得了長足的進步。本課題正是在這樣的背景環(huán)境中提出。
1.2 移動機器人的研究意義
隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，機器人的研究也在日新月異，許多機器人已經(jīng)成為某些行業(yè)不可缺少的一部分，對移動機器人的研究涉及到的學科理論與技術(shù)也越來越廣泛，其中圖像處理技術(shù)、計算機編程技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)以及機械加工技術(shù)都是機器人研究的必備技術(shù)。
目前，移動機器人有著廣泛的應(yīng)用前景。根據(jù)其應(yīng)用范圍，移動機器人可以分為如下幾類：
辦公機器人：
Jijo-2：這是一款辦公自動化機器人，在辦公室起到移動信息庫的作用。該機器人在日語中的意思為“聰明的人”，由于內(nèi)置了超聲波傳感器，能夠自動地移動。
圖1-1 Jijo-2
家用機器人：
jak：這是由KIST和Woori技術(shù)公司共同研作的家用機器人，它具有自律行走、真空清掃和保安功能，已被商用化的Ijak憑借聲音識別技術(shù)，履行室內(nèi)清掃、MP3·AOD·VOD等多媒體服務(wù)和日程管理功能。
圖1-2 jak
探測機器人 ：
CCTV Robot System：根據(jù)韓國的國情精心設(shè)計的小型、輕便的防水結(jié)構(gòu)，可適用于直徑250～600的導管，由于采用了高清晰CCD，畫質(zhì)非常清晰。它可分為直視攝像機和側(cè)視攝像機，側(cè)視攝像機為PAN/TILT結(jié)構(gòu)，能夠360度自由旋轉(zhuǎn)。它的電子式控制裝置操作簡便，適用于觀察上下水管道和煤氣管道等各種管道。
圖1-3 CCTV Robot System
防止危險和災害的機器人：
Gembu II：該機器人根據(jù)Active Multibody移動機器人概念設(shè)計開發(fā)，主要制作目的是為了模擬和分析開發(fā)具有實質(zhì)意義的鎮(zhèn)壓火災型機器人所需的各種條件和數(shù)據(jù)。在設(shè)計機器人時，以機械特點為基本條件，充分考慮了操作簡便、牢固和模塊化等因素。
Telerob & IVECO：由于在機器人身上安裝了紅外線攝像機等各種攝像機和傳感器以及控制器，能夠識別火焰的中心點，采取相應(yīng)措施。由于進行了特殊的設(shè)計，煙霧不被視為障礙物，它能躲避致命的危險。
圖1-4 Telerob & IVECO
研究用機器人：
Kismet：這是為了研究機器人與人類的相互作用而研制的自律性機器人。由于它能以面部表情傳達信息，可以為溝通方面的研究提供更加豐富的信息。機器人的眼睛為移動式鏡頭，雙眼能同時斜視，因此可以實現(xiàn)三個角度移動。為了體現(xiàn)面部表情，在機器人身上設(shè)計了眉毛(分別為第二角度)、耳朵(分別為第二角度)、眼皮(分別為第二角度)、口(第一角度)等特征點。因此，可以改變這些特征點，體現(xiàn)出疲勞、恐怖、討厭、興奮、幸福、悲哀及驚訝等面部表情。
由上可知，智能機器人的研究及應(yīng)用已經(jīng)遍布人們生活的各個領(lǐng)域，對于視覺機器人或者說智能機器人的研究具有很大意義。
1.3 移動機器人研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀
目前，對機器人的研究越來越受到重視，索杰納的成功應(yīng)用，成為移動機器人技術(shù)發(fā)展的一個嶄新的里程碑，向人們展現(xiàn)了移動機器人代替人們從事骯臟(Dirty)，危險(Dangerous)，枯燥(Dull)工作的應(yīng)用潛力，激發(fā)了人們對于移動機器人技術(shù)研究的極大熱情，世界各國或國際機構(gòu)都加大了相關(guān)研究的力度。在近幾年內(nèi)，國外的突出成就有以下幾個方面：
歐盟：歐盟在2000—2004年啟動的信息社會技術(shù)計劃中開展了探測火山環(huán)境的機器人、用來評估地振危險性的爬行機器人(ROBOSENSE)、借助機器人的交互式博物館臨場感(TOURBOT)等項目研究。ROBOSENSE將開發(fā)一臺能夠攜帶探傷儀器的移動機器人，對地振造成的建筑物結(jié)構(gòu)性損害進行檢測，此外歐盟還開展了移動機器人應(yīng)用于人道主義排雷等研究。
法國：法國國家科學研究中心于2001年中期，提出了一項有關(guān)機器人技術(shù)的大型國家計劃，稱作“機器人與人工體”。此計劃對“感知器執(zhí)行器”與認知功能進行跨學科的研究，實現(xiàn)這些功能在智能系統(tǒng)內(nèi)的集成，能夠在開放的、變化的環(huán)境中自主完成各種任務(wù)，實現(xiàn)智能機器人與人交互、通過學習改進其行為的功能。具體開展了移動式操作手，移動機器人視覺定位，行星機器人1以及多移動機器人協(xié)作等研究。
前蘇聯(lián)：前蘇聯(lián)曾經(jīng)在移動機器人技術(shù)方面居于世界領(lǐng)先的地位，Lunokhod-1是最早登上月球的遙控式移動機器人。俄羅斯作為前蘇聯(lián)的繼承者，在機器人技術(shù)領(lǐng)域依然具有當雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)，ROVER科技有限公(Rover Science & Technology Joint-stock Company Ltd., RCL)把在開發(fā)空間機器人中獲得的經(jīng)驗應(yīng)用于開發(fā)地面機器人系統(tǒng)，如極坐標平面移動車、爬行移動機器人、球形機器人、工作伙伴平臺以及ROSA-2移動車等。
日本：日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省(Ministry of Economy, Trade and Industry, M ETI)1998年開始啟動了人形機器人技術(shù)研究計劃(HRP)。在這一年，日本本田(Honda)公司展出了人形移動機器人的一個主要目標就是開發(fā)一個開放體系結(jié)構(gòu)的人形機器人平臺(簡稱Open HRP)，用來探索人形機器人的各種應(yīng)用.METI從2002年又啟動了一項國家項目一一“21世紀機器人挑戰(zhàn)”,其中一個三年的子項目是開發(fā)應(yīng)用于機器人開放式結(jié)構(gòu)的中間件)。中間件能夠?qū)κ袌錾箱N售的各種機器人零件實現(xiàn)標準化，并且能夠更加容易地對這些零件進行系統(tǒng)集成。更長遠的預期在于到2009年，實現(xiàn)機器人商品化(Commercialize),將機器人的應(yīng)用領(lǐng)域擴展到家庭(Home)，醫(yī)療服務(wù)(Medical care)、災害救助(Disaster relief)。此外，日本也一直進行著有關(guān)月球探測的研究，計劃于2015-2020年在月球上建立一個小型基地，與該計劃相應(yīng)的行星漫游車研究也很活躍。
韓國：韓國科學技術(shù)部(Ministry of Science and Technology，MOST)于1999年啟動的“21世紀尖端研究發(fā)展計劃”(21"Century Frontier R&D Program)，包括了服務(wù)機器人、惡劣環(huán)境中的機器人、微型機器人以及排雷機器人項目韓國信息與通訊部(Ministry of Information and Communication , MIC)發(fā)布了旨在促進IT增長的9個優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域(Top 9 IT Growth Sectors)，其中智能化的服務(wù)機器人被列為首位。
美國：美國在行星移動機器人以及軍用移動機器人的研究與應(yīng)用方面投入了大量資金與科研力量。如:美國NASA支持的火星探測計劃、美國國防部支持的無人戰(zhàn)車研究計劃UGV(Unmanned Ground Vehicle)美國能源部的核廢料等危險品搜集、搬運自主車研究計劃等項目，吸收許多知名大學與研究所的科研人員參與。最近的突出成果是2003年發(fā)射的火星漫游機器人—“勇氣”號與“機遇”號，它們的頂部裝有全景照相機及具有紅外探測能力的微型熱輻射分光計，攜帶多種分析儀器對火星巖石紋理及其成分進行探測?！坝職狻迸c“機遇”號的探測使命預計為90個火星日，但在2004年成功著陸后，目前己經(jīng)遠遠超過了預期的工作壽命。
國內(nèi)有關(guān)移動機器人研究的起步較晚，“八五”期間研制了ATB-1，即軍用智能機器人平臺，由浙江大學、國防科技大學、清華大學等聯(lián)合研制?！熬盼濉逼陂g又研制了軍用“智能機器人平臺2號，道路自主駕駛的最高速度為74Km/h。在國家“十五”863計劃中，展開了一系列的有關(guān)智能機器人方面的研究。在危險環(huán)境下作業(yè)移動機器人高機動性越障機器人、多足仿生機器人、仿人形機器人等研究項目取得了眾多的成果，這些技術(shù)指標均處于世界領(lǐng)先的地位。
這一系列的成就推動了我國移動機器人技術(shù)的發(fā)展，縮短了與國外先進水平的差距，而且在某些領(lǐng)域也取得了國際領(lǐng)先的成果，己經(jīng)成為我國機器人應(yīng)用的一個突出領(lǐng)域。
2 視覺移動機器人方案的確定
2.1 視覺移動機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案
2.1.1 動力源的選擇
機器人的動力源主要有步進電機，直流電機和交流電機。其中：
直流電機：定義輸出或輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機，稱為直流電機，它是能實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉(zhuǎn)換的電機。當它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉(zhuǎn)換為機械能；作發(fā)電機運行時是直流發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)換為電能，其種類主要有無刷直流電動機，永磁式直流電動機，電磁式直流電動機。
交流電機：即輸出或輸入為交流電能的旋轉(zhuǎn)電機，稱為交流電機，主要分為同步交流電機和異步交流電機兩種。
步進電機：步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。主要分為永磁式（PM） ，反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）三種。
表2.1 常用電機優(yōu)缺點對比
優(yōu)點
缺點
交流電機
1.可靠性好、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、動態(tài)響應(yīng)好；
2.效率高、調(diào)速范圍廣、響應(yīng)頻率高。
帶動慣性負載能力差，一般需用齒輪減速裝置；
交流伺服電動機的多用于中小型數(shù)控機床。
直流電機
1、無刷直流電機采用方波電流供電，所用電機的轉(zhuǎn)矩/體積比更高。
2、無刷直流電機結(jié)構(gòu)更簡單、制造成本更低。
3、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單，選用無刷直流電機更好。
1.在全磁場狀態(tài)，調(diào)電樞電壓，適合應(yīng)用在0~基速以下范圍內(nèi)調(diào)速。不能達到電機的最高轉(zhuǎn)速。
2.在電樞全電壓狀態(tài)，調(diào)激磁電壓，適合應(yīng)用在基速以上，弱磁升速。 不能得到電機的較低轉(zhuǎn)速。
3.在全磁場狀態(tài)，調(diào)電樞電壓，電樞全電壓之后，弱磁升速。適合應(yīng)用在調(diào)速范圍大的情況。這是直流電機最完善的調(diào)速方式，但設(shè)備復雜，造價高。
步進電機
1.轉(zhuǎn)速可以在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；
2.可以控制電動機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；
3.沒有累積誤差，結(jié)構(gòu)簡單，使用、維修方便，制造成本低。
效率較低，發(fā)熱大，有時會“失步”。
步進電機適用于中、小型機床和速度精度要求不高的地方。
通過幾種電機的比較，我們可以發(fā)現(xiàn)雖然直流電機雖然有諸多的優(yōu)點，但機器人控制系統(tǒng)的判斷較為精確，與此同時我們從經(jīng)濟條件及其的具體應(yīng)用環(huán)境方面考慮得知，在此次設(shè)計中機器人動力部分選擇步進電機最為合適。
2.1.2 傳動方式的選擇
傳動方式主要對比齒輪傳動和帶傳動兩種方式來確定：
帶傳動 ： 帶傳動是利用張緊在帶輪上的柔性帶進行運動或動力傳遞的一種機械傳動。根據(jù)傳動原理的不同，有靠帶與帶輪間的摩擦力傳動的摩擦型帶傳動，也有靠帶與帶輪上的齒相互嚙合傳動的同步帶傳動帶傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)，且其造價低廉、不需潤滑、維護容易等特點。
齒輪傳動：齒輪傳動是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動力和運動的機械傳動。按齒輪軸線的相對位置分平行軸圓柱齒輪傳動、相交軸圓錐齒輪傳動和交錯軸螺旋齒輪傳動。具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長等特點。
表2.2 常用傳動方式優(yōu)缺點對比
優(yōu)點
缺點
帶傳動
1.因為帶有彈性，因此傳動過程中可以起到緩沖和吸震的作用，是傳動平穩(wěn)；
2.當傳動過載時，帶會產(chǎn)生打滑，能防止工件的損壞，從而保護原動機；
帶是靠摩擦進行傳動的，而帶傳動產(chǎn)生的打滑使傳動比不確定，同時代的尺寸較大，傳動效率低
齒輪傳動
1.齒輪傳動的效率高，可達到96%-99%；
2..結(jié)構(gòu)緊湊，比帶傳動和鏈傳動所需空間??；
3.傳動比穩(wěn)定
制造及安裝精度較高，不宜用于傳動比過大的場合；
由上表可知，雖然帶傳動有諸多的優(yōu)點，但此次設(shè)計機器人的運動速度及電機的減速等需要有較為嚴格，且要求傳動平穩(wěn)，最終認為選擇齒輪傳動最為合適。
2.1.3 移動方式的選擇
移動方式主要從履帶式和輪式兩種方案進行對比并確定：
表2.3 常用移動方式對比
優(yōu)點
缺點
輪式
成本低，且輪損壞后可維修并再次使用，操控移動方向較為容易,適用于較為平的地面及公路。
越野能力爬坡能力差，在崎嶇的野外行進艱難.
履帶式
爬坡性能、越野性能、通行性能（對地壓強）強，適用于野外行進，廣泛應(yīng)用于軍事行業(yè)。
制造成本高，且履帶損壞后無法再次使用，不適合在普通公路行進。
此次設(shè)計的機器人需要的是在普通的室內(nèi)運動且不涉及機器人的爬坡方面內(nèi)容，同時出于經(jīng)濟條件的考慮，我決定選擇輪式移動方式作為本次設(shè)計中機器人的移動方式.
2.2 視覺移動機器人控制系統(tǒng)設(shè)計方案
控制系統(tǒng)的選擇：
1.PLC控制，普遍的應(yīng)用于廠礦車間，各種中大型生產(chǎn)設(shè)備的自動控制。具體包括礦山，煉鋼，機床，生產(chǎn)加工等等，應(yīng)用廣泛。大部分用在較大型的設(shè)備上。因為其價格較高，一般都是附加值較高的自動控制系統(tǒng)才會考慮。因為我放棄此方案。
2.單片機控制，目前單片機滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡，同時單片機的成本比PLC略微低廉，綜合考慮我們決定選擇單片機控制。
單片機有8位，16位，32位等，這里的位指單片機CPU每次處理能力,8位是指單片機一次可以計算8位數(shù)據(jù),16位是指單片機一次可以計算16位數(shù)據(jù),依次類推，在此次設(shè)計中用8位單片機完全可以完成對機器人的控制，另考慮經(jīng)濟等方面，本設(shè)計決定選擇8位單片機！
2.3 視覺移動機器人視覺系統(tǒng)設(shè)計方案
基于計算機視覺的移動機器人導航實驗系統(tǒng)的硬件部分由計算機、攝像頭、機器人地盤組成。軟件分為兩部分，即圖像處理和機器人運動控制?；谝曈X導航的原始輸入圖像是連續(xù)的數(shù)字視頻圖像。系統(tǒng)工作時，圖像預處理模塊首先對原始的輸入圖像進行縮小、邊緣檢測、等預處理。其次利用計算機計算并提取出對機器人有用的路徑信息。最后，運動控制模塊根據(jù)識別的路徑信息，調(diào)用直行或轉(zhuǎn)彎功能模塊使機器人做相應(yīng)的移動。
圖2-1 移動機器人控制系統(tǒng)的流程圖
2.3.1 視覺導航的圖像預處理
由機器人導航的特點和機器視覺處理的特殊性，我們認為機器人導航視覺系統(tǒng)要達到以下技術(shù)要求:
（1)根據(jù)系統(tǒng)要求準確地分辨目標物（調(diào)色板），盡量降低誤判，漏判的機率，并有一定的抗干擾能力。
（2)能對目標物定位，為機器人的運動控制提供參照物、障礙物的位置信息，并能滿足精度要求。
（3)滿足系統(tǒng)實時性的要求。機器人攝像機每秒鐘要從比賽場地上攝取30幀圖像數(shù)據(jù)，如果視覺子系統(tǒng)達不到實時的要求，則系統(tǒng)所處理的前后兩幀圖像數(shù)據(jù)差異太大，不僅影響識別跟蹤的順利完成，而且也使動作表現(xiàn)為反應(yīng)遲鈍，所以視覺子系統(tǒng)的實時性越好，則系統(tǒng)反應(yīng)越快。
（4)魯棒性與自適應(yīng)性。由于目標物在室外，由于多方面的原因，致使調(diào)試過程中環(huán)境的光亮度會發(fā)生變化。更甚的是在同一幀視頻圖像中，場地的不同區(qū)域。
光亮度也有可能不一致，有高亮度區(qū)域，也有陰暗區(qū)域（如樓房的陰影，或其它物體反射到場地中的光使場地局部變亮等等)。光照條件的變化及光亮度不均勻，將會降低系統(tǒng)識別的精度，甚至會導致目標識別失敗。因此，很有必要研究對光亮度變化不敏感的彩色識別算法，來增強視覺子系統(tǒng)的魯棒性與自適應(yīng)性。
2.3.2 視覺導航機器人的運動控制
機器人結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示。
圖2-2 機器人結(jié)構(gòu)圖
(1) 圖2-1為機器人結(jié)構(gòu)圖，移動機器人底盤如圖所示，具有三個輪子，其中前輪為支撐舵輪，起到支撐和導向的作用。后面的兩個輪子是驅(qū)動輪，由步進電機驅(qū)動?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)中間的兩個輪子的轉(zhuǎn)速來控制移動機器人的運行速度和轉(zhuǎn)動角度。步進電機與左、右輪構(gòu)成一個系統(tǒng)。步進電機由單片機實現(xiàn)控制驅(qū)動，通過改變單片機輸出脈沖波的占空比來改變步進電機的速度和轉(zhuǎn)向，從而完成機器人的轉(zhuǎn)彎，運動和停止。
(2) 上層控制系統(tǒng)傳給下層系統(tǒng)機器人與跟蹤物體的距離L和運動的角度a。通過分析距離L，我們可以判斷機器人的運動狀態(tài)。當距離L不變時，則機器人處于停止狀態(tài)，當距離L改變機器人處于運動狀態(tài)。
(3) 當距離L改變時，我們判斷移動機器人的轉(zhuǎn)動角度a，當a=0時，機器人的運動如圖2-3，當L>0時，移動機器人前進。當L<0時，移動機器人后退。此時，移動機器人做直線運動。這時左、右輪子的運動速度相同、轉(zhuǎn)向相同
圖2-3 機器人直線運動示意圖
(4) 當距離L改變時，我們判斷L的大小，當L>0時，移動機器人前進轉(zhuǎn)彎。當L<0時，移動機器人后退轉(zhuǎn)彎。之后我們判斷，移動機器人的轉(zhuǎn)動角度a，當a不為0時，則移動機器人轉(zhuǎn)彎。當a>0時，移動機器人右轉(zhuǎn)彎。 a<0時，移動機器人左轉(zhuǎn)彎。
當機器人前進左轉(zhuǎn)時，左輪正轉(zhuǎn)，右輪反轉(zhuǎn)。當機器人前進右轉(zhuǎn)時，左輪反轉(zhuǎn)，右輪正轉(zhuǎn)。機器人后退右轉(zhuǎn)時，左輪正轉(zhuǎn)，右輪反轉(zhuǎn)。機器人后退左轉(zhuǎn)時，左輪反轉(zhuǎn)，右輪正轉(zhuǎn)。
2.4 視覺移動機器人最終模型
經(jīng)過以上方案的確定，本次設(shè)計的機器人最終3D模型如圖所示：
圖 2-4 機器人云臺
圖2-5 機器人3D模型
圖2-6 機器人3D模型
3 視覺移動機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 電動機的確定
從機器人是實際運動出發(fā)考慮，機器人的速度不能太快，否則會造成控制部分來不及處理和發(fā)送信號，電機不能及時做出反應(yīng)，從而使機器人在行進的過程中無法做出相應(yīng)的動作。因此，機器人的移動速度暫定為V=0.3M/S.
因此機器人在行進過程中遇到障礙物時需要用機械手搬運障礙物，所以機器人的最大載重量為40KG。
所以機器人電機克服摩擦力的功率
F磨= umg =0.2*40*9.8=78.4N
通過網(wǎng)上查找,電機的效率大約為80％,所以機器人電機克服摩擦力的功率
P=F·V
=78.4*0.377/0.8W
=36.946W
機器人的兩輪是獨立驅(qū)動，所以每個電機克服摩擦的功率是18.473W，另外考慮到啟動加速、上下坡和其他自然因素，因此每個直流無刷電機的功率定位32W。進過理論和實踐證實30W的直流無算電機可以驅(qū)動總載重為35KG的機器人。經(jīng)過計算分析，確定電機參數(shù)如下：
表3-1 電機數(shù)據(jù)
參數(shù)名稱
參數(shù)數(shù)值
輸出功率
40W
額定電壓
24V
額定電流
0.3A
轉(zhuǎn)速
300轉(zhuǎn)
轉(zhuǎn)矩
0.46N*M
3.2 減速箱的確定
3.2.1 減速箱齒輪的確定
本文設(shè)計的機器人車輪半徑為0.1m，速度約為0.6 m/s。機器人電機輸出轉(zhuǎn)速為300n/m，車輪的轉(zhuǎn)速為120n/m。所以總傳動比i總為：
i總=300n/m：120n/m=2.5
本文采用兩級圓柱齒輪減速器進行減速，綜合考慮，本文決定用分流式（結(jié)構(gòu)復雜，但由于齒輪相對于軸承對稱布置，與展開式相比載荷沿齒寬分布均勻，軸承受載較均勻。中間軸危險截面上的轉(zhuǎn)矩只相當于軸所傳遞轉(zhuǎn)矩的一半。適用于變載荷的場合。高速級一般用斜齒，低速級可用直齒或人字齒）。
減速箱輸出扭矩為:
T = 9550×W/n×i×η （3-1）
= 9550×0.04KW/300n/m×2.5×92%
= 2.93 N*M
通過查找資料,確定減速箱第一級模數(shù)m=1.5,傳動比ii=2.5,小齒輪齒數(shù)20,大齒輪齒數(shù)50.
表3-2 齒輪相關(guān)數(shù)據(jù)
模數(shù)：m 齒數(shù)：z壓力角α=20°
齒寬系數(shù)：Ψ=0.6
名稱
符號
計算公式
小齒輪
大齒輪
齒寬
b
dΨ
18
15
齒距
p
p=π m
4.725
7.725
齒頂高
ha
ha=m
1.5
1.5
齒根高
hf
hf=1.25m
1.875
1.875
齒高
h
h=2.25m
3.375
3.375
分度圓直徑
d
d=mz
30
75
齒頂圓直徑
da
da=m(z+2)
33
78
齒根圓直徑
df
df=m(z-2.5)
27
72
中心距
a
a=0.5m(z1+z2)
52.5
3.2.2 減速箱軸的確定
軸是減速器的主要零件之一，軸的結(jié)構(gòu)決定軸上零件的位置和有關(guān)尺寸。按彎扭合成強度條件初步計算軸的各段直徑，軸計算載面的直徑為
（3-2）
式中 —軸計算載面上的彎矩，N·mm;
—軸計算載面上的轉(zhuǎn)矩，N·mm;
—將轉(zhuǎn)矩折合成當量彎矩的折算系數(shù)，若扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力按脈動循環(huán)變化時，；
—軸材料的許多彎曲應(yīng)力，MPa。
當所在計算載面軸段開有鍵槽時，由上式算得的直徑應(yīng)增大3%～5%（開一個鍵槽）或7%～10%（開兩個鍵槽），然后圓整為標準直徑.
通過如果減速器輸入軸通過聯(lián)軸器與電動機軸相聯(lián)接，則外伸段軸徑與電動機軸徑不得相差很大，否則難以選擇合適的聯(lián)軸器，也就是說，減速器輸入軸軸端直徑和電動機軸直徑必須在所選取聯(lián)軸器轂孔最大與最小直徑允許范圍內(nèi)。為此，可取減速器輸入軸軸端直徑
? mm
式中 —減速器輸入軸軸端直徑，mm；
—電動機軸直徑，mm。
減速器傳動中心距為已知，可取減速器從動軸危險截面直徑
???
式中 —減速器從動軸危險截面直徑，mm；
—該級傳動的中心距，mm。
綜合實際情況，最后選擇軸1最小軸徑6mm，軸2最小軸徑10mm。
3.2.3 減速箱軸承的確定
將運轉(zhuǎn)的軸與軸座之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，從而減少摩擦損失的一種精密的機械元件，叫滾動軸承（rolling bearing）。
滾動軸承一般由內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架四部分組成。
內(nèi)圈的作用是與軸相配合并與軸一起旋轉(zhuǎn)；外圈作用是與軸承座相配合，起支撐作用；滾動體是借助于保持架均勻的將滾動體分布在內(nèi)圈和外圈之間，其形狀大小和數(shù)量直接影響著滾動軸承的使用性能和壽命；保持架能使?jié)L動體均勻分布，防止?jié)L動體脫落，引導滾動體旋轉(zhuǎn)起潤滑作用。如圖3.1：
圖3.1
球軸承適于承受輕載荷，滾子軸承適于承受重載荷及沖擊載荷。當滾動軸承受純軸向載荷時，一般選用推力軸承；當滾動軸承受純徑向載荷時，一般選用深溝球軸承或短圓柱滾子軸承；當滾動軸承受純徑向載荷的同時，還有不大的軸向載荷時，可選用深溝球軸承、角接觸球軸承、圓錐滾子軸承及調(diào)心球或調(diào)心滾子軸承；當軸向載荷較大時，可選用接觸角較大的角接觸球軸承及圓錐滾子軸承，或者選用向心軸承和推力軸承組合在一起，這在極高軸向載荷或特別要求有較大軸向剛性時尤為適宜。
根據(jù)機器人的要求及經(jīng)濟實惠的原則，我們決定選擇深溝球軸承，進一步通過《機械設(shè)計手冊》確定所選軸承：
表3-3 619/9和16003號深溝球軸承相關(guān)數(shù)據(jù)
基本額定荷載
極限轉(zhuǎn)速
重量
代號
D
B
安裝尺寸
Cr
Cor
脂
油
da
da
ra
2.48
1.08
2700
3400
0.092
619/9
20
6
11.4
18.2
0.3
6.0
3.3
18000
22000
0.028
16003
35
8
19.4
32.6
0.3
部分符號含義如下圖：
圖 3-2
3.2.4 減速箱其它結(jié)構(gòu)的確定
1、鍵聯(lián)接的作用：
鍵聯(lián)接裝配中，鍵（一般用45號鋼制成）是用來聯(lián)接軸上零件并對它們起周向固定作用，以達到傳遞扭矩的一種機械零件。
2、鍵聯(lián)接的分類：
常用鍵連接分為平鍵、半圓鍵和斜鍵3類。
①平鍵：側(cè)面是工作面，與鍵槽側(cè)面貼合構(gòu)成松聯(lián)接，靠鍵與鍵槽間的壓力傳遞扭矩。平鍵包括普通平鍵、薄型平鍵、導向平鍵和滑鍵 3種。普通平鍵用于帶轂零件無需在軸上移動的靜聯(lián)接；導鍵固定在軸上,而轂可以沿著鍵移動;滑鍵固定在轂上，而隨轂一同沿著軸上鍵槽移動，導向平鍵和滑鍵都構(gòu)成動聯(lián)接。綜合考慮，本設(shè)計選用的是普通平鍵聯(lián)接。
②半圓鍵：與平鍵類似，但它能繞其幾何中心擺動，以適應(yīng)帶轂零件上鍵槽的斜度。
③斜鍵：用以構(gòu)成緊聯(lián)接，主要有楔鍵和切向鍵兩種。楔鍵的一個底面有1:100的斜度,借以楔緊在軸、轂之間構(gòu)成聯(lián)接。它主要靠摩擦傳遞扭矩和軸向力，因楔緊會引起帶轂零件的偏心，其應(yīng)用不如平鍵普遍。
3、鍵聯(lián)接的裝配工藝要點
?。?）裝配前應(yīng)檢查鍵的直線度、鍵槽對軸心線的對稱度和平行度。
?。?）普通平鍵的兩側(cè)面與軸鍵槽的配合一般有間隙。重載荷、沖擊、雙向使用時，須有過盈。鍵兩端圓弧應(yīng)無干涉。鍵端與軸槽應(yīng)留有零點一零mm的間隙。
?。?）普通平鍵的底面與鍵槽底面應(yīng)貼實。
（4）半圓鍵的半徑應(yīng)稍小于軸槽半徑，其他要求與一般平鍵相同。
圖3-3
4 視覺移動機器人控制系統(tǒng)設(shè)計
本文研究的雙輪驅(qū)動式移動機器人是由一個圓形移動平臺和兩個獨立驅(qū)動的驅(qū)動輪與一個萬向輪組成的 。圓形移動平臺上的中心位于兩個獨立的驅(qū)動輪的中間，該種機構(gòu)組成簡單，而且旋轉(zhuǎn)半徑可從0到無限大，任意設(shè)定。當旋轉(zhuǎn)半徑為0時，由于能繞本體中心旋轉(zhuǎn)，所以有利于在狹窄場所改變方向，因此針對雙輪驅(qū)動式移動機器人運動特點，設(shè)計出機器人的控制方法，通過控制兩個驅(qū)動輪的驅(qū)動力矩，可以實現(xiàn)控制移動機器人沿給定的軌跡運動。
4.1 運動學模型
研究的雙輪驅(qū)動式移動機器人的幾何模型如圖4.l所示。主要參數(shù)如下：
F一移動平臺上的關(guān)鍵點；G一移動平臺的質(zhì)心；b一兩個驅(qū)動輪之間的距離；r一驅(qū)動輪的半徑；l一點G與點F之間的距離；φ 一平臺的轉(zhuǎn)角；θ 一左驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)角；θ一右驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)角。
圖4.1 雙輪驅(qū)動式移動機器人幾何模型
移動平臺質(zhì)心的速度為 v，它垂直于平臺的輪軸，因此它在兩個坐標軸上的分量分別為：
和 (4-1)
消去 得如下關(guān)系式：
(4-2)
點F與點G有如下位置關(guān)系：
(4-3)
(4-4)
對(3)和(4)求導可得如下速度關(guān)系：
(4-5)
(4-6)
F點的速度關(guān)系可以表示為：
(4-7)
平臺質(zhì)心的速度與驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為：
和 (4-8)
可以得到矩陣表達式：
(4-9)
因為
其中
所以
（4-10）
J定義為雙輪驅(qū)動式移動機器人的矩陣(4-10)，反映雙輪驅(qū)動式移動機器人關(guān)鍵點的速度與驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，同時也反映雙輪驅(qū)動式移動機器人關(guān)鍵點的作用力與驅(qū)動輪的驅(qū)動力之間的關(guān)系。
4.2 電子元件選型
4.2.1 開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器 LM7805
LM7805是三端固定穩(wěn)壓器。有5V，6V，9V，12V，15V，18V和24V七種不同的固定輸出電壓，廣泛用于各種電子設(shè)備中。其穩(wěn)壓器均有內(nèi)部過流、熱過載和輸出晶體管安全區(qū)保護功能，電路安全可靠。
雖然穩(wěn)壓器按國定的穩(wěn)壓設(shè)計，但外部接少量元件，即可做成可調(diào)穩(wěn)壓器或可調(diào)穩(wěn)流器使用。
4.2.2 步進電機驅(qū)動芯片 L298
L298是ST公司生產(chǎn)的一款高電壓、大電流，小功率電機驅(qū)動芯片。該芯片內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器、線圈等電感性負載;采用標準TTL邏輯電平信號控制;具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作:有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作:可以外接檢測電阻，將變化量反饋抬控制電路。
其具有以下電氣特性：
(1)電源驅(qū)動電壓Vs可達5V～46V，邏輯支持電壓VSS為4.5V～7V;
(2)輸入高電壓VIH為2.3～VSS，輸入低電壓為O～1.5V;
(3)峰值驅(qū)動電流可達3A，正常工作電流為2A，總驅(qū)動電流可達4A;
(4)響應(yīng)速度快
(5)提供過溫保護，工作溫度范圍可達-25℃～130℃正常工作溫度為13℃～35℃。溫度過高或溫度過低時，芯片均會停止工作，防止其損壞。
(6)L289采用的是15腳的Mluitwatt15封裝。
LM298典型應(yīng)用如圖4-1所示。
圖4-1 LM298典型應(yīng)用
4.2.3 單片機 PIC16F877
單片機是將中央處理器（CPU）、隨機存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、定時器芯片和一些輸入輸出接口電路集成的一個芯片上的微控制器。
中央處理器是單片機的核心，它包括運算器、控制器和寄存器3個主要部分。存儲器按工作方式可分為、隨機存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。RAM可以隨機地被CPU讀寫，斷電后存儲的內(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單片機的I/O端口讀入單片機的。單片機計算的所有結(jié)果也都通過I/O輸出到顯示部分或者控制外部其他執(zhí)行機構(gòu)。
PIC16F877芯片上集成有：
（1）端口RA模塊：是一個只有6條引腳的輸入/輸出可編程的端口。
（2）端口RB模塊：是一個具有8條引腳的輸入/輸出可編程的端口。
（3）端口RC模塊：是一個具有8條引腳的輸入/輸出可編程的端口。
（4）端口RD模塊：是一個具有8條引腳的輸入/輸出可編程的端口。
（5）端口RE模塊：是一個具有3條引腳的輸入/輸出可編程的端口。
（6）定時器TMR0模塊：是一個8位寬的可編程的定時器，也可作為計數(shù)器使用。
（7）定時器TMR1模塊：是一個16位寬的可編程的定時器，也可作為計數(shù)器使用，并且可以與捕捉/比較/脈寬調(diào)制CCP模塊配合實現(xiàn)捕捉和比較功能。
（8）定時器TMR2模塊：是一個8位寬的可編程的定時器，也可作為計數(shù)器使用，并且可以與捕捉/比較/脈寬調(diào)制CCP模塊配合實現(xiàn)捕捉和比較功能。
（9）EEPROM數(shù)據(jù)存儲模塊：是256×8的電可擦寫的存儲器，儲存的內(nèi)容掉電也不會丟失。
（10）A/D轉(zhuǎn)換器模塊：具有8個輸入通道和10位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用來將外部的各種模擬物理量變換為便于單片機內(nèi)部處理的數(shù)字量。
（11）捕捉/比較/脈寬調(diào)制CCP1和CCP2模塊：PIC16F877片內(nèi)包含兩個幾乎完全相同的CCP模塊，與TMR1和TMR2配合可以實現(xiàn)輸入捕捉、輸出比較和賣出調(diào)制輸出功能。輸入捕捉功能可以用于測量信號周期、頻率、脈沖等；輸出比較功能可以用于生產(chǎn)寬度不同的正負方波脈沖信號，以驅(qū)動可控硅、續(xù)電器等；脈寬調(diào)制輸出功能用來產(chǎn)生周期和脈沖可調(diào)的周期性方波信號，以驅(qū)動可驅(qū)動可控硅、步進電機等。
（12）通用同步/異步發(fā)生器USART模塊：用于實現(xiàn)二線式串行通信，可以定義為兩種工作方式，即全雙工異步方式和半雙工同步方式。
（13）主同步串行端口MSSP模塊：具有SPI和IC兩種工作模式，用來與具有SPI和IC串行端口的外接器件或者其他單片機進行通信。
（14）并行從動端口PSP模塊：可以用來與其他具有開放總線的單片機、數(shù)字信號處理器或微處理器的并行數(shù)據(jù)連接，進行高速的數(shù)據(jù)傳輸和交換。
4.2.4 步進電機
步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。
步進電機分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度；反應(yīng)式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為0.72度。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛。
步進電機的一些特點：
（1）一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。
（2）步進電機外表允許的最高溫度。
（3）步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。
（4）步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。
步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高，步進電機將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。步進電機的選用計算方法。
步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進一個步距角增量。
步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進一個步距角增量。電機總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。
選擇步進電機時，首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。而在選用功率步進電機時，首先要計算機械系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩，電機的轉(zhuǎn)矩特性能滿足機械負載并有一定的余量保證其運行可靠。轉(zhuǎn)在實際工作過程中，各種頻率下的負載力矩必須在轉(zhuǎn)矩特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩大的電機，負載力矩大。
選擇步進電機時，應(yīng)使步距角和機械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機床所需的脈沖當量。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當量，一是可以改變絲桿的導程，二是可以通過步進電機的細分驅(qū)動來完成。但細分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機的固有特性所決定。
選擇功率步進電機時，應(yīng)當估算機械負載的負載慣量和機床要求的啟動頻率，使之與步進電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機床快速移動的需要。
5 移動機器人的視覺算法
系統(tǒng)通過圖像傳感器獲取圖像并傳入計算機，由計算機完成圖像處理任務(wù)。本文所介紹的設(shè)計為簡易機器人添加視覺模塊，并研究了相關(guān)算法和策略，實現(xiàn)了自主路徑跟蹤。為了使系統(tǒng)真正做到穩(wěn)定快速，在圖像預處理、路徑識別和路徑跟蹤等各個環(huán)節(jié)都充分考慮到算法的實時性與魯棒性。
本設(shè)計中，機器人視覺導航中的圖像處理技術(shù)包括：視頻圖像的采集、圖像的預處理、邊緣特征的提取以及直線的擬合算法等等。本章從各個方面對這些圖像處理技術(shù)進行了分析和比較，提出最優(yōu)的圖像處理方法，保證機器人在導航中能夠有效、準確、實時地為視覺 算法提供特征信息，并根據(jù)這些特征信息實現(xiàn)機器人的自主巡線移動。
5.1 圖像的采集
所謂圖像采集是指機器人視覺系統(tǒng)獲取數(shù)字視頻圖像的過程,目前用于獲取圖像的視覺傳感器主要有ccd和cmos兩種，它們都是通過接受外界的激勵而產(chǎn)生響應(yīng)，然后把模擬的響應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號，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)進行光電轉(zhuǎn)換，