基于視覺移動機器人的設計與分析

摘 要智能作為現(xiàn)代的新發(fā)明，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預先設定的模式在一個環(huán)境里自動的運作，不需要人為的管理，可應用于科學勘探等等的用途。智能機器人就是其中的一個體現(xiàn)。本次設計的簡易機器人，采用單片機作為小車的檢測和控制核心；采用視覺傳感器解決室內智能機器人的定位問題，實現(xiàn)機器人在復雜室內環(huán)境中的“完全自主” 。能使機器人在未知的環(huán)境下，通過自身傳感器測量周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，逐漸估計自身位置和運動狀況，并把信號反饋到單片機，使單片機按照預定的工作模式控制小車使小車能按照任意給定的黑色引導線平穩(wěn)地尋跡。本次課題研究的內容是基于視覺移動機器人的設計與分析。內容包括：1.機械結構設計：機器人采用兩輪獨立驅動的履帶結構，動力源采用直流無刷電機，減速和傳動裝置采用齒輪帶傳動，利用差速移動平臺實現(xiàn)機器人的轉向，選用增量式光電編碼器進行對機器人速度的檢測，實現(xiàn)機器人的定位。2.控制結構設計：控制部分采用AT89C51型號單片機進行接受命令和產生驅動信號，電機的驅動部分采用L293D控制芯片，芯片利用接受到的單片機發(fā)出的信號來控制電機的轉速。3. 傳感器部分：利用視覺傳感器進行機器人的測距算法，視覺傳感器位于機器人的傳感器層本設計結構簡單，較容易實現(xiàn)，但具有高度的智能化、人性化，一定程 度體現(xiàn)了智能。關鍵詞：智能機器人 單片機 視覺傳感器 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 錄摘 要IAbstractII1 緒論11.1 課題研究背景以及現(xiàn)實意義11.2 智能機器人的發(fā)展22設計任務以及方案的討論62.1設計任務概述62.2 視覺移動機器人機械結構設計方案62.3視覺移動機器人控制系統(tǒng)設計方案82.4移動機器人的視覺系統(tǒng)設計方案103 視覺移動機器人機械結構設計113.1電動機的確定113.2 減速器的確定124 視覺移動機器人控制系統(tǒng)設計164.1單片機 PIC16F877164.2 步進電機174.3步進電機驅動芯片L298184.4開關電壓調節(jié)器LM7805195 移動機器人的視覺算法205.1圖像的采集205.2圖像的預處理20結論24致謝25參考文獻26附錄一:27附錄二:30321 緒論1.1 課題研究背景以及現(xiàn)實意義1.1.1 課題的研究背景移動機器人【1】技術一直是人類長期科學研究的熱點。它的歷史可以追溯到20世紀六十年代。1968年，美國斯坦福研究所公布了他們研發(fā)成功的機器人Shakey（如圖1-1），該機器人能夠根據(jù)人的指令通過視覺傳感器發(fā)現(xiàn)并抓取積木,標志著第一臺智能機器人的誕生，同時也揭開了移動機器人研究的序幕?，F(xiàn)在，國際上對機器人的概念已經逐漸趨近一致。一般說來，人們都可以接受的說法是：機器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。聯(lián)合國標準化組織采納了美國機器人協(xié)會給機器人下的定義：“機器人是一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機；或是為了執(zhí)行不同的任務而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)?！睓C器人能夠利用各種傳感器采集機器人所在環(huán)境的特征，通過各種環(huán)境特征可以自動地規(guī)劃自己的行動路徑，實現(xiàn)尋跡、避障等智能行為。 圖1-1 shakey早期的機器人主要應用于工業(yè)領域，例如利用機器人搬運工件、更換刀具、焊接工件、噴射油漆以及實現(xiàn)零件的裝配等工作。但是到了90 年代，隨著機械技術、計算機技術、微電子技術、網(wǎng)絡技術以及人工智能技術的快速發(fā)展，機器人活動領域的不斷擴大，機器人的應用從制造業(yè)領域向非制造業(yè)領域不斷發(fā)展，原先只是在工業(yè)中才使用的自主式機器人也開始進入到人們的日常生活中來，因此在工業(yè)、醫(yī)學、農業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領域都能看到移動機器人的身影，美國麻省理工學院、斯坦福大學、英國愛丁堡大學等都陸續(xù)成立了機器人實驗室，由此機器人技術得到了長久的發(fā)展。該課題正是在這種環(huán)境下提出的，本文設計的機器人實際上就是一種利用視覺傳感器自動移動的機器裝置，由視覺傳感器實現(xiàn)路徑識別，通過對小車速度的控制，使小車能按照任意給定的黑色引導線平穩(wěn)地尋跡。1.1.2 課題的現(xiàn)實意義 對智能機器人【2】的研究有著廣泛的現(xiàn)實意義，概括地說可以有三點：1. 智能機器人技術是一門綜合性很強的技術。對移動機器人的設計包括機械結構、傳感器、運動學方程、控制系統(tǒng)、路徑規(guī)劃以及各種算法的分析與設計。因此移動機器人的研究涉及到的學科包括：機械加工技術、傳感器技術、信息處理技術、通信技術、自動控制技術、電子技術、機器視覺技術、圖像處理技術、網(wǎng)絡技術以及計算機技術等等，所以移動機器人技術的發(fā)展使得各門科學技術都得到了長遠的進步與發(fā)展，是科學技術不斷發(fā)展的有力途徑和工具。2. 智能機器人有著廣泛的應用前景，可以說它幾乎滲透到了人類社會所有的領域?？梢灶A見在未來的人類社會里，移動機器人將會出現(xiàn)在我們生活中的每一個角落，成為時代發(fā)展的主流。隨著人們生活水平的提高，人類對機器人的功能也提出了更高的要求，越來越多的移動機器人已經走入了我們的生活，在家里，服務型的室內機器人可以從事清潔衛(wèi)生、園藝、垃圾處理、家庭護理與服務等作業(yè)；在醫(yī)院，移動機器人可以從事手術、化驗、助殘、導盲、運輸、康復及病人護理等作業(yè)；在商場和旅游中，導購機器人、導游機器人和表演機器人都使得人類生活變得豐富多彩。因此移動機器人已經成為未來社會非常有潛力的產業(yè)，誰可以掌握室內移動機器人的關鍵技術，誰就可以引領世界的潮流。3. 機器人的發(fā)展是一個國家高科技水平和工業(yè)自動化程度的重要體現(xiàn)。它實現(xiàn)了工業(yè)的完全自動化，從機械加工到零件的裝配，甚至連工藝的設計都由工業(yè)機器人完成。機器人帶動了工業(yè)技術的革新，社會的發(fā)展以及其他領域的革命。當今社會，機器人正代替人發(fā)揮著日益重要的作用，不斷地改變著人類的生活方式，因此完全可以說機器人技術的發(fā)展帶動了整個人類社會的發(fā)展。綜上所述，我國對移動機器人的研究面臨著很大的挑戰(zhàn)，必須加大對機器人的開發(fā)與應用才能走在時代的前列。1.2 智能機器人的發(fā)展1.2.1智能機器人的定義自機器人問世以來，人們就很難對機器人下一個準確的定義，歐美國家認為機器人應該是“由計算機控制的通過編程具有可以變更的多功能的自動機械；”日本學者認為“機器人就是任何高級的自動機械；”我國科學家對機器人的定義是：“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能力，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?！蹦壳皣H上對機器人的概念已經漸趨一致，聯(lián)合國標準化組織采納了美國機器人協(xié)會于1979年給機器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機；或是為了執(zhí)行不同的任務而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)。”概括說來，機器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。1.2.2 國外機器人的發(fā)展智能機器人的研究可以追溯到20世紀60年代【2】，在1966至1972年間,美國斯坦福研究院的和Charles等人研制的機器人，身高1.5米，是歷史上第一個由計算機控制的自主式智能移動機器人。它由遠程大型計算機控制，帶有視覺傳感器和觸覺傳感器，在室內的復雜環(huán)境中可以完成從一個地點移動到另一個地點，以及檢測障礙物并移動障礙物到指定地點的任務。它的出現(xiàn)標志著智能機器人研究的正式開始。1970年前蘇聯(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幅月面全景圖。在同一時代，美國噴氣推進實驗室也研制了月球車(圖1-2),應用于行星探測的研究。采用了攝像機，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。圖1-2 月球車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。CMU Rover由卡耐基梅隆大學機器人學研究所在1981年開始研制，它具有12個微處理器來處理實時任務，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，并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、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。到了1994年，卡耐基梅隆大學機器人學研究所開發(fā)了Dante II，這是一個8足的移動機器人。在1994年4月，該機器人通過衛(wèi)星通訊與Internet相連，通過網(wǎng)絡由NASA的研究組、卡耐基梅隆大學以及阿拉斯加火山觀測所的科研人員控制Dante進行阿拉斯加火山口觀測，并收集了火山口噴出的氣體樣本。1.2.3 國內機器人的發(fā)展國內有關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【3】，由浙江大學、國防科技大學、清華大學、北京理工大學、南京理工大學聯(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、基于復合結構的非結構環(huán)境應用的移動機器人、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。國防科技大學、哈爾濱工業(yè)大學、清華大學、中國科技大學、中科院自動化研究所、沈陽自動化研究所等正在開展有關月球探測自主機器人的相關研究。在863專項支持下，清華大學開發(fā)了多功能室外智能移動機器人實驗平臺、上海交通大學研制了移動機構試驗平臺以及Frontier-ITM等。211A MCTB采用了關節(jié)輪式移動結構，具有較強的越障能力。Frontier-ITM自主移動機器人作為中國大學的參賽隊首次參加了Robocop中型組比賽。CASIA-1是中科院自動化所研制的集多種傳感器、視覺、語音識別與會話功能于一體的智能移動機器人。沈陽自動化所研制的自行輸送小車已投入生產現(xiàn)場，此外還研制了“多功能排險防暴機器人”和“蛇形機器人”。2003年國防科技大學賀漢根教授主持研制的無人駕駛車采用了四層遞階控制體系結構以及機器學習等智能控制算法，在高速公路上達到了130Km/h的穩(wěn)定時速，最高時速170Km/h，而且具備了自主超車功能，這些技術指標均處于世界領先的地位。這一系列的成就推動了我國移動機器人技術的發(fā)展，縮短了與國外先進水平的差距，而且在某些領域也取得了國際領先的成果，己經成為我國機器人應用的一個突出領域。2設計任務以及方案的討論2.1設計任務概述設計一個智能機器人，使該機器人能通過視覺傳感器實現(xiàn)路徑識別，并能對小車的速度進行控制，使小車能按照任意給定的黑色引導線平穩(wěn)地尋跡。圖2-12.2 視覺移動機器人機械結構設計方案智能車系統(tǒng)以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械等多個學科；主要由路徑識別、角度控制及車速控制等功能模塊組成。一般而言，智能車系統(tǒng)要求小車在白色的場地上，通過控制小車的轉向角和車速，使小車能自動地沿著一條任意給定的黑色帶狀引導線行駛。2.2.1 動力源的論證與選擇方案1：步進電機【4】方案2：直流電機方案3：交流電機優(yōu)缺點比較： 方案1 步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距腳。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 方案2 交流電機分為同步電機與異步電機。異步電動機按照定子相數(shù)的不同分為單項異步電動機、兩相異步電動機和三相異步電動機。三相異步電動機結構簡單，運行可靠，成本低廉等優(yōu)點，廣泛應用于工農業(yè)生產中。同步電動機的主要運行方式有三種，可以作為發(fā)電機，電動機，和補償機。同步電動機主要用來發(fā)電。作為電動機使用時可以調節(jié)功率因數(shù)，在不需要調速的情況下可以提高運行效率。作為補償機器時，改變勵磁電流可以改善電網(wǎng)功率因數(shù)，調節(jié)電網(wǎng)電壓。然而交流電機必須攜帶電源線，這對于機器人來說不太方便并且由于機器人在行駛過程中需要對速度進行調整，而交流電機無法實現(xiàn)速度的變換。方案3 直流減速電機轉動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便， 小車機內部裝有減速齒輪組，所以并不需要考慮調速功能，很方便的就可以實現(xiàn)通過單片機對直流減速電機前進、后退、停止等操作。最終方案：綜上所述，本次設計選用直流電機。2.2.2 運動方式的選擇方案1：常用的汽車結構四輪機構方案2：履帶式結構【5】優(yōu)缺點的比較：方案1 四輪結構是一個馬達作為動力，通過變速箱驅動后輪；另一個馬達轉動導向輪來決定行駛方向。優(yōu)點是在直道行駛速度較快、 方向和速度相互獨立。 缺點為轉彎半徑大、驅動輪易打滑、導向輪方向不易精確控制。 方案2 履帶結構是兩個電機分別驅動兩條履帶。優(yōu)點是可以在原地轉動；在不平的路面上性能穩(wěn)定，牽引力大。缺點為速度慢、速度和方向不能單獨控制摩擦力很大； 能量損耗大，機械結構復雜。最終方案：履帶結構能適應更為復雜的環(huán)境，本設計使用履帶式結構。2.2.3電源的論證與選擇方案1：采用7.2V可充電動力電池組。方案2：采用12V蓄電池為直流電機供電。優(yōu)缺點的比較： 方案1 采用7.2V可充電動力電池組。動力電池組具有較強的電流驅動能力及穩(wěn)定的電壓輸出性能，經測試在用此種供電方式下，單片機和傳感器工作穩(wěn)定，直流電機工作良好，且電池體積較小、可以充電、能夠重復利用等，能夠滿足系統(tǒng)的要求。方案2 采用12V蓄電池為直流電機供電，將12V電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(tǒng)和其它芯片供電。蓄電池具有較強的電流驅動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。但是蓄電池的體積過于龐大，由于車體在設計時空間有限，在小型電動車上使用極為不方便，因此放棄此方案。最終方案：綜上所述，本設計使用7.2V可充電動力電池組。2.2.4 傳動方式的選擇方案1：帶傳動【6】方案2：齒輪傳動優(yōu)缺點的比較：方案1 帶傳動(皮帶傳動)的結構簡單,適用于兩軸中心距較大的傳動場合;且傳動平穩(wěn)無噪聲,能緩沖、吸振;過載時帶將會在帶輪上打滑,可防止薄弱零部件損壞,起到安全保護作用;但是不能保證精確的傳動比方案2 齒輪傳動能保證瞬時傳動比恒定,平穩(wěn)性較高,傳遞運動準確可靠;傳遞的功率和速度范圍較大且結構緊湊、工作可靠,可實現(xiàn)較大的傳動比;傳動效率高,使用壽命長;但是齒輪的制造、安裝要求較高。最終方案：綜上所述，本設計使用方案2。2.2.5 最終方案：經過討論，本文決定自制智能機器人，該智能機器人使用履帶式結構，用采用7.2V可充電動力電池組，使用直流電機作為機器人的動力源，兩個直流電機分別控制兩條履帶輪，通過控制直流電機可以實現(xiàn)小車的前進，后退以及轉向等功能。2.3視覺移動機器人控制系統(tǒng)設計方案2.3.1控制系統(tǒng)的選擇機器人的控制系統(tǒng)是智能機器人的關鍵，相當于人類的大腦，而現(xiàn)在比較流行的控制器主要有PLC【7】和單片機【8】。PLC和單片機都可以作為機器人的控制系統(tǒng)。PLC ( Programmable logic Controller)，可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。PLC實質是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，由CPU、儲存器、電源構成。單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。PLC和單片機雖然都是控制器，廣泛的應用在控制系統(tǒng)中，但是它們依然具有不同，他們的區(qū)別為： 1.PLC控制，普遍的應用各種中大型生產設備的自動控制。具體包括礦山，煉鋼，機床，生產加工等等，應用廣泛。大部分用在較大型的設備上。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。PLC的特點：可靠性高，抗干擾能力強；硬件配套齊全，功能完善，適用性強；易學易用，深受工程技術人員歡迎；系統(tǒng)的設計、安裝、調試工作量小，維護方便，容易改造；體積小，重量輕，能耗低。2.單片機控制，目前單片機滲透到我們生活的各個領域，儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。單片機的特點：單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質量輕、為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件，同時單片機的成本比PLC略微低廉，綜合考慮本文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，在此次設計中用8位單片機完全可以完成對機器人的控制，因此本文決定選擇8位單片機.2.3.2控制器的軟件設計在歸納了移動機器人各種運動行為的基礎上，本文總結了機器人的如下運動方式:1.啟動:兩個電機啟動。2停止:兩個電機停止轉動。3.加速:兩個電機同時在現(xiàn)有速度基礎上增加一個數(shù)量級，實現(xiàn)加速。4.減速:兩個電機同時在現(xiàn)有速度基礎上減小一個數(shù)量級，實現(xiàn)減速。5.轉彎:改變一個電機的轉向，完成轉彎后作直線運動。6.直線運動:兩個電機以相同的速度和轉向運動。這些運動覆蓋了差動輪式移動系統(tǒng)的所有基本動作，通過一系列電機控制的組合就可以靈活地控制機器人完成它所能夠做到的任何動作。當移動機器人需要做出某種動作時，車載機只須將期望動作翻譯為一個電機指令序列，發(fā)布給運動控制器，運動控制器就可以按部就班地控制機器人予以完成。2.4移動機器人的視覺系統(tǒng)設計方案視覺是人類了解外部世界的重要手段【10】，在人們的日常生活中，有大量的信息都是來自于眼睛。同樣,視覺系統(tǒng)也是機器人系統(tǒng)的重要組成部分之一。對于移動機器人來說，利用視覺系統(tǒng)獲取機器人的外部信息，使機器人可以自主地規(guī)劃它的行進路線，安全到達目的地并完成指定的工作任務是機器人導航研究的重要課題,它對機器人的發(fā)展具有重要的意義。機器人的視覺系統(tǒng)一般包括硬件與軟件兩個部分【9】,前者是系統(tǒng)的基礎,后者主要包括實現(xiàn)圖像處理的基本算法以及一些實現(xiàn)人機交互的接口程序. 在本次設計中，采用的是用攝像頭實時的采集道路信息，經過單片機的內部處理，來控制智能車的轉向和電機的加減速。由于道路信息比較簡單，只有黑白兩種顏色，因此本文采用采用AT89C51單片機作為主控制器。AT89C51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)供給高性價比的解決方案。且此系列的單片機可以在線編程、調試，方便地實現(xiàn)程序的下載與整機的調試。3 視覺移動機器人機械結構設計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【11】不能及時做出反應，機器人在行進的過程中不能實現(xiàn)避障功能，碰撞到障礙物而損壞的情況。因此，機器人的移動速度定為V=0.3M/S.所以機器人電機克服摩擦力的功率P=FV =0.5*20*9.8*0.3 =29.4W因為機器人是兩輪獨立驅動，所以每個電機克服摩擦的功率是14.7W，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30W。進過理論和實踐證實30W的直流無算電機可以驅動總載重為20KG的機器人。進過篩選型號為BL4373DS的直流無刷電機最符合設計要求參數(shù)名稱參數(shù)數(shù)值輸出功率43.39W額定電壓24V額定電流0.27A轉速200rad轉矩0.6 N/M圖3.1 機器人驅動電機3.2 減速器的確定3.2.1 減速箱齒輪的確定本文設計的機器人車輪半徑為80mm，速度約為0.4m/s。機器人電機輸出轉速為200n/m，車輪的轉速為50n/m。所以總傳動比i總為： i總=200n/m：50n/m=4 本文采用兩級圓柱齒輪減速器進行減速【12】，綜合考慮，本文決定用分流式（結構復雜，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矩只相當于軸所傳遞轉矩的一半。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 = 9550W/ni = 95500.04KW/200n/m492% = 7.02 N*M通過查找資料,確定減速箱第一級模數(shù)m=1,傳動比ii=4,小齒輪齒數(shù)20,大齒輪齒數(shù)80.模數(shù)：m 齒數(shù)：z壓力角=20齒寬系數(shù)：=0.6名稱符號計算公式小齒輪大齒輪齒寬bd109齒距pp= m3.143.14齒頂高haha=m11齒根高hfhf=1.25m1.251.25齒高hh=2.25m2.252.25分度圓直徑dd=mz2080齒頂圓直徑dada=m(z+2)2282齒根圓直徑dfdf=m(z-2.5)17.577.5中心距aa=0.5m(z1+z2) 503.2.2 減速箱軸的確定軸是減速器的主要零件之一，軸的結構決定軸上零件的位置和有關尺寸。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式中軸計算載面上的彎矩，Nmm; 軸計算載面上的轉矩，Nmm; 將轉矩折合成當量彎矩的折算系數(shù)，若扭轉剪應力按脈動循環(huán)變化時，；軸材料的許多彎曲應力，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。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7mm，軸2最小軸徑9mm。3.2.3減速箱軸承的確定將運轉的軸【13】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）。滾動軸承一般由內圈、外圈、滾動體和保持架四部分組成。內圈的作用是與軸相配合并與軸一起旋轉；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、圓錐滾子軸承及調心球或調心滾子軸承；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)機器人的要求及經濟實惠的原則，本文決定選擇深溝球軸承.4 視覺移動機器人控制系統(tǒng)設計4.1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。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2568的電可擦寫的存儲器，儲存的內容掉電也不會丟失。（10）A/D轉換器模塊：具有8個輸入通道和10位分辨率的模數(shù)轉換器，用來將外部的各種模擬物理量變換為便于單片機內部處理的數(shù)字量。（11）捕捉/比較/脈寬調制CCP1和CCP2模塊：PIC16F877片內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寬度不同的正負方波脈沖信號，以驅動可控硅、續(xù)電器等；脈寬調制輸出功能用來產生周期和脈沖可調的周期性方波信號，以驅動可驅動可控硅、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 步進電機步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的精密執(zhí)行元件，由于步進電機具有控制方便、體積小等特點，所以在數(shù)控系統(tǒng)、自動生產線、自動化儀表、繪圖機和計算機外圍設備中得到廣泛應用。微電子學的迅速發(fā)展和微型計算機的普及與應用，為步進電動機的應用開辟了廣闊前景，使得以往用硬件電路構成的龐大復雜的控制器得以用軟件實現(xiàn)，既降低了硬件成本又提高了控制的靈活性，可靠性及多功能性。市場上有很多現(xiàn)成的步進電機控制機構，但價格都偏高。應用SGS公司推出的L297和L298兩芯片可方便的組成步進電機驅動器，并結合AT89C52單片機進行控制，即可以實現(xiàn)用相對便宜的價格組成一個性能不錯的步進電機驅動電路。由于步進電機是一種將電脈沖信號轉換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用專用設備-步進電機控制驅動器控制器可以發(fā)出脈沖頻率從幾赫茲到幾十千赫茲可以連續(xù)變化的脈沖信號，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列。環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經過功率放大器的放大加到步進電機驅動電源的各項輸人端，以驅動步進電機的轉動。環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計算機軟件設計的方法實現(xiàn)環(huán)分器要求的功能，通常稱軟環(huán)形分配器。另一類是用硬件構成的環(huán)形分配器，通常稱為硬環(huán)形分配器。功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進行放大.以達到驅動步進電機目的。現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩。永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度；混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優(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。這種步進電機的應用最為廣泛 步進電機特點：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。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。4步進電機低速時可以正常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。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)字化技術的發(fā)展以及步進電機本身技術的提高，步進電機將會在更多的領域得到應用。4.3步進電機驅動芯片L298L298是ST公司生產的一款高電壓、大電流，小功率電機驅動芯片。該芯片內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅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)電源驅動電壓Vs可達5V46V，邏輯支持電壓VSS為4.5V7V;(2)輸入高電壓VIH為2.3VSS，輸入低電壓為O1.5V;(3)峰值驅動電流可達3A，正常工作電流為2A，總驅動電流可達4A;(4)響應速度快(5)提供過溫保護，工作溫度范圍可達-25130正常工作溫度為1335。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典型應用如圖3-1所示。圖4-1 LM298典型應用4.4開關電壓調節(jié)器LM7805LM7805【14】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備中。其穩(wěn)壓器均有內部過流、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)壓設計，但外部接少量元件，即可做成可調穩(wěn)壓器或可調穩(wěn)流器使用。5 移動機器人的視覺算法5.1圖像的采集所謂圖像采集【15】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生響應，然后把模擬的響應轉換為電信號，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)進行光電轉換，將圖像轉換為數(shù)字數(shù)據(jù)，而其主要差異是數(shù)字數(shù)據(jù)傳送的方式不同。CCD傳感器中每一行中每一個象素的電荷數(shù)據(jù)都會依次傳送到下一個像素中，由最底端部分輸出，再經由傳感器邊緣的放大器進行放大輸出；而在CMOS傳感器中，每個像素都會鄰接一個放大器及A/D轉換電路，用類似內存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。 CMOS傳感器的圖像采集方式為主動式，感光二極管所產生的電荷會直接由晶體管放大輸出，但CCD傳感器為被動式采集，需外加電壓讓每個象素中的電荷移動，而此外加電壓通常需要達到1218V；因此，CCD傳感器除了在電源管理電路設計上的難度更高之外(需外加 power IC)，高驅動電壓更使其功耗遠高于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。由于在本次設計中道路信息比較簡單，只有黑白兩種顏色，因此選用了一款市場上非常常見的型號為203CA的CMOS攝像頭。5.2圖像的預處理5.2.1彩色圖像灰度化 機器人可以直接從視覺設備中采集數(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，但是在實現(xiàn)圖像的邊緣直線提取時，需要處理的彩色圖像不僅存儲量大，而且由于在處理的過程中需要計算三個不同的分量，所以處理速度相當緩慢。因此，在實際的應用當中，常把彩色圖像轉化為灰度圖像，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)處理過程。在灰度圖像中，每個像素點只需要一個字節(jié)就可以存放一個灰度值，灰度值的范圍為0到255，灰度級數(shù)為256級，所以存儲量和計算量都不是很大。 彩色圖像轉化為灰度圖像的公式如下所示：f(x,y)=0.30R+0.59G+0.11B 其中：RGB表示彩色圖像的三個不同分量,f(x,y)為得到的灰度圖像的灰度值。其效果圖如下圖5-1,5-2。圖5-1 原圖圖5-2 灰度圖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用場合，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。 圖像中的噪音是在信息處理中應該去除的干擾信息，它一般都是高頻信號，噪音會導致圖像質量的惡化、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困難。因此對圖像進行平滑處理是圖像邊緣提取的一個重要步驟。值得注意的是在去除噪音的同時，平滑處理還會損壞圖像的邊緣特征，所以使用平滑處理時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，該方法主要是通過利用平滑模板對圖像進行卷積運算，從而達到去除噪音的，它將某一像素點包含在內所有鄰域像素點加權求平均，然后把這個平均值作為該點最后的像素值，從而濾掉圖像中的高頻信號。 其模板的設計原則一般是：模板的大小都為奇數(shù)，每一個模板前面的系數(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33模板、55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為中心的所有鄰域點的像素灰度值，按照從大到小的順序排列，然后將中間值作為該像素點灰度值的方法，如果像素點的個數(shù)是偶數(shù)時，則取兩個中間值的平均作為該像素的灰度值?？梢哉f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，33模板、55模板都是簡單的求平均方法，所以平滑處理后的圖像會有明顯的模糊糊，所以一般在室內導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，在去除噪音的同時，也可以比較好地保留邊的銳度和圖像的細節(jié)，但對高斯噪聲的處理效果不佳。而且當模板范圍內噪聲點的個數(shù)大于其模板內像素總數(shù)的一半時，中值濾波去除噪音的效果會明顯下降。 而對于高斯模板，我們可以看出它是利用不同的系數(shù)乘以像素，從權值上看，中間的權值要比周圍的大，也就是說離模板中心近的像素要比遠的像素更加重要。這樣做的好處是可以減少由于平滑處理而出現(xiàn)的模糊，對于高斯噪音有很好的處理效果，并且在去除噪音的同時很好的保護了邊緣信息。 由于室內環(huán)境中的噪音多是高斯分布的，所以應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。結論經過兩個多月的努力，基于視覺移動的機器人論文終于完成 在整個設計過程中，出現(xiàn)過很多的難題，但都在老師和同學的幫助下順利解決了，在不斷的學習過程中我體會到：寫論文是一個不斷學習的過程，從最初剛寫論文時對各種問題的模糊認識到最后能夠對該問題有深刻的認識，我體會到實踐對于學習的重要性，以前只是明白理論，沒有經過實踐考察，對知識的理解不夠明確，通過這次的做，真正做到理論與實踐相結合?？傊ㄟ^畢業(yè)設計,我深刻體會到要做好一個完整的事情，需要有系統(tǒng)的思維方式和方法，對待要解決的問題，要耐心、要善于運用已有的資源來充實自己。同時我也深刻的認識到，在對待一個新事物時，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。致謝當我寫完這篇畢業(yè)論文的時候，有一種如釋重負的感覺，在經歷了找工作的焦灼、寫論文的煎熬之后，感覺好像一切都塵埃落定，想起了那句傷感的歌詞：“Time to say goodbye.”即將給自己的學生時代和校園生活劃上一個分號，之所以說它是分號，是因為我對無憂無慮的學生生活還有無比的懷念，對單純美好的校園生活還有無比的向往。這只是我生命中的一個路口，并不是終點，我始終相信青春不會散場，堅信有一天會重返校園，以學生或老師的身份去延續(xù)這種快樂和幸福。感謝我的母校尤其是機電系所有的老師們,在這片凈土讀書三載，無形中塑造了我生命的氣質、生活的方式，也練就了我樂觀的心態(tài)和一顆感恩的心。尊敬的李老師無論是為人還是為學都是我生活上和學術上的引路人，感激之情無以言表，只能在日后的工作和學習中踏實做人、勤奮做事，做出一番成績來回報他對我的恩惠。宿舍同學的互幫互助和深厚友誼更是賜予了我研究生生活不可磨滅的記憶。在畢業(yè)前最后的時光，仍舊要感謝我生命中出現(xiàn)的那些十分重要的師姐師兄、師弟師妹們，以及我結識的朋友們。他們不僅在學術上給予我指點，同時也是我生活中一起同行的人，在交往的過程中我們建立信任、彼此鼓勵、互相支持與幫助。當然，在我求學期間，還要感謝我深愛的父母親一直以來對我無怨無悔的付出、支持、關愛、尊重和信任，在我學習、生活、感情、工作上遇到困難時，是您們幫我抵御風霜，謝謝您們。我是幸運而幸福的，我知足并且義無反顧的在大家的關愛下堅持自己的信念和理想一路前行。參考文獻1 日本機器人學會 新版機器人技術手冊(精) 第2版 北京： 科學出版社 20082 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