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基于视觉的移动机器人设计与分析,基于,视觉,移动,机器人,设计,分析
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说明书摘 要移动机器人是机器人学一个重要分支，且随着相关技术的迅速发展，它正向着智能化和多样化方向发展，应用广泛，几乎渗透所有领域。随着机器人技术和人工智能技术的发展，如何让多个机器人相互协调、配合来共同完成任务，即实现多机器人合作系统，已经成为新的研究热点。作为多机器人合作系统的研究和实验模型，寻迹机器人系统是一个多学科交叉的前沿领域，它涉及到机器人学、智能控制技术、通信技术、计算机技术、传感器技术、图像处理和人工智能等方向，正在成为国内外许多大学研究、比赛和交流的公共实验平台。近年来人们对它的研究有了更大的关注。本次设计的研究内容就是基于视觉导航的轮式移动机器人，以寻迹机器人为研究模型，其核心内容是应用单片机控制直流电机实现机器人的智能控制，采用视觉传感器解决移动机器人的定位问题，实现机器人在给定环境中的“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的运动控制。内容包括：1.机械结构设计：机器人采用两轮独立驱动的三轮结构，动力源采用直流无刷电机，减速和传动装置采用齿轮传动，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：利用视觉传感器收集图像，送至上位机进行图像处理。关键词：移动机器人；单片机；运动控制 ；视觉传感器；图像处理 IIAbstractMobile 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 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. 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 robots 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 录摘 要I1 绪论11.1 机器人的研究背景11.2 机器人的研究意义11.3 机器人的研究现状及发展前景错误！未定义书签。2 机器人设计方案的确定52.1 机械部分52.2 控制部分的确定52.3 移动机器人传感器类型的确定53 机器人的机械部分的设计与计算63.1 参数的确定63.2 减速系统的设计74 视觉机器人的运动及控制系统的设计184.1 机器人的运动学模型184.2 直流无刷电机驱动器214.3 单片机控制215 机器人的视觉系统的设计225.1 图像的采集225.2 图像的与处理22结 论25致 谢26参考文献27附 录281 绪论1.1 机器人的研究背景“机器人”一词出自捷克文，意为劳役或苦工。1920年，捷克斯洛伐克小说家、剧作家恰佩克在他写的科学幻想戏剧罗素姆万能机器人中第一次使用了机器人一词。此后被欧洲各国语言所吸收而成为专门名词。20世纪50年代末，美国在机械手和操作机的基础上，采用伺服机构和自动控制等技术，研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置，并将其称为工业机器人；60年代初，美国研制成功两种工业机器人，并很快地在工业生产中得到应用；1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。此后，各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。比如说日本，战后以后开始进行汽车的工业，那么这时候由于它人力的缺乏，它迫切需要一种机器人来进行大批量的制造，提高生产效率降低人的劳动强度，这是从社会发展需求本身的一个需求。另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们逐渐的这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中,来需求能够解放人的一种奴隶。那么这种奴隶就是代替人们去能够从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。但另一方面，尽管人们有各种各样的好的想法，但是它也归功于电子技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展而产生了提供了强大的技术保证。1.2 机器人的研究意义由于工业机器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中、小批量的生产，70年代起，常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制造系统的组成部分。工业机器人按执行机构运动的控制机能可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。具有触觉、力觉或简单的视觉的工业机器人，能在较为复杂的环境下工作；如具有识别功能或更进一步增加自适应、自学习功能，即成为智能型工业机器人。它能按照人给的“宏指令”自选或自编程序去适应环境，并自动完成更为复杂的工作。为什么要发展机器人?简单说，机器人有三个方面是我们必要去发展的理由:一个是机器人干人不愿意干的事，把人从有毒的、有害的、高温的或危险的，这样的环境中解放出来，同时机器人可以干不好干的活，比方说在汽车生产线上我们看到工人天天拿着一百多公斤的焊钳,一天焊几千个点，就重复性的劳动，一方面他很累，但是产品的质量仍然很低；另一方面机器人干人干不了的活，这也是非常重要的机器人发展的一个理由，比方说人们对太空的认识，人上不去的时候，叫机器人上天，上月球，以及到海洋，进入到人体的小机器人，以及在微观环境下，对原子分子进行搬迁的机器人，都是人们不可达的工作。上述方面的三个问题，也就是说机器人发展的三个理由。1.3 机器人的研究现状及发展前景1.3.1机器人的研究现状1939年美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。它由电缆控制,可以行走,会说77个字,甚至可以抽烟,不过离真正干家务活还差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。1942年美国科幻巨匠阿西莫夫提出机器人三定律。虽然这只是科幻小说里的创造,但后来成为学术界默认的研发原则。1948年诺伯特维纳出版控制论,阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律,率先提出以计算机为核心的自动化工厂。1954年美国人乔治德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人,并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作,因此具有通用性和灵活性。1956年在达特茅斯会议上,马文明斯基提出了他对智能机器的看法:智能机器能够创建周围环境的抽象模型,如果遇到问题,能够从抽象模型中寻找解决方法。这个定义影响到以后30年智能机器人的研究方向。1959年德沃尔与美国发明家约瑟夫英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后,成立了世界上第一家机器人制造工厂-Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传,他也被称为工业机器人之父。1962年美国AMF公司生产出VERSTRAN(意思是万能搬运),与Unimation公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人,并出口到世界各国,掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。1962年-1963年传感器的应用提高了机器人的可操作性。人们试着在机器人上安装各种各样的传感器,包括1961年恩斯特采用的触觉传感器,托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的灵巧手上用到了压力传感器,而麦卡锡1963年则开始在机器人中加入视觉传感系统,并在1965年,帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器,能识别并定位积木的机器人系统。1965年约翰霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置,根据环境校正自己的位置。20世纪60年代中期开始,美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器、有感觉的机器人,并向人工智能进发。1968年美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器,能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以算是世界第一台智能机器人,拉开了第三代机器人研发的序幕。1969年日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人,被誉为仿人机器人之父。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长,后来更进一步,催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。1973年世界上第一次机器人和小型计算机携手合作,就诞生了美国CincinnatiMilacron公司的机器人T3。1978年美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA,这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。1984年英格伯格再推机器人Helpmate,这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年,他还预言:我要让机器人擦地板,做饭,出去帮我洗车,检查安全。1998年丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms)套件,让机器人制造变得跟搭积木一样,相对简单又能任意拼装,使机器人开始走入个人世界。1999年日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO),当即销售一空,从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。2002年丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba,它能避开障碍,自动设计行进路线,还能在电量不足时,自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。2006年6月,微软公司推出MicrosoftRoboticsStudio,机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显,比尔盖茨预言,家用机器人很快将席卷全球。1.3.2机器人的发展前景目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下10个方面：1工业机器人操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。2机器人控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。3多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。4机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。5机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。6虚拟机器人技术：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。7多智能体（multi-agent）调控制技术：这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。8微型和微小机器人技术（micro/miniature robotics）:这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。9软机器人技术（soft robotics）:主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设计未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或硬性材料，软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的，机器人对人是友好的。10仿人和仿生技术：这是机器人技术发展的最高境界，目前仅在某些方面进行一些基础研究。272 视觉机器人设计方案的确定2.1 机械部分2.1.1电机的选择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。而且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。无刷直流电机结构更简单、制造成本更低。无刷直流电机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， 所以本次设计使用直流无刷电机。2.1.2传动装置的确定齿轮传动主要用于中心距较小的两平行轴或交叉轴间的传动，传动效率高，结构紧凑，其瞬时传动比和平均传动比在传动中都保持不变，特别适于尺寸有限制的减速装置中。综上所诉，齿轮传动更适于小型移动机器人的传动装置，由于小车底盘的尺寸限制，齿轮更适于做移动机器人的减速传动装置。所以在本次设计中采用两级展开式圆柱齿轮减速器。2.2 控制部分的确定目前，各种机器人的运动控制系统主要是用单片机或PLC做主要的控制器，也有一些智能化程度很高的机器人是用性能较高的PC机进行实时控制。 基于视觉的移动机器人鉴于其功能的单一性和简单性，其控制部分不需要用性能相对较高的微处理器，单片机或PLC就可以完全满足其控制需要，由于单片机体积小使用方便、经济、能耗低并且灵活性比较高，所以本设计以单片机为控制核心，来实现小车的智能化。2.3 移动机器人传感器类型的确定设计要求是基于视觉的移动机器人，所以本设计采用视觉摄像头作为传感器。视觉传感器得到地面图像，将图像进行视觉处理，使小车可以在白色地板上循黑线行走，完成一个基于视觉的寻迹机器人的视觉系统设计。3 机器人机械部分的设计与计算3.1 参数的确定已知条件：智能小车车轮转速0.471m/s 车轮工作阻力F=44.1N车轮直径 150mm3.1.1计算电机所需功率查机械设计手册得： 每对轴承传动效率：0.99圆柱齿轮的传动效率：0.97联轴器的传动效率：0.99说明：电机至工作机之间的传动装置的总效率： 3.1.2确定电机转速查指导书：取圆柱齿轮传动比i=3-6二级圆柱齿轮减速器传动比i=9-36所以电动机转速的可选范围是：5402160 r/min符合这一范围的转速有：600 r/min、800 r/min、1000 r/min、1500 r/min、2000 r/min、3000 r/min对应转矩分别为：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 电机参数电动机型号额定功率额定转速r/min总传动比FB-60K03151RS30W1500253.1.3确定传动装置的总传动比和分配传动比总传动比：分配传动比：=1.2经计算 注：为高速级传动比，为低速级传动比。3.1.4计算传动装置的运动和动力参数将传动装置各轴由高速到低速依次定为1轴、2轴、3轴依次为电机与轴1，轴2，轴3的传动效率。各轴转速： 各轴输入功率： =29.7 w=28.5 w=27.4 w各轴输入转矩： =0.191 =0.189 =0.993 =4.361 表3.2 各轴运动参数轴名功率P W转矩T 转速n r/min1轴29.70.18915002轴28.50.9932743轴27.44.361603.2 减速系统的设计3.2.1齿轮的设计3.2.1.1高速级大小齿轮的计算材料：由于小车载荷不是很大，高速级小齿轮选用40Cr钢调质，齿面硬度为280HBS。高速级大齿轮选用钢调质，齿面硬度为240HBS，二者硬度差为10HBS。齿数：小齿轮齿数24大齿轮齿数采用闭式软齿面，齿轮精度选7级，失效形式为点蚀。（1）按齿面接触疲劳强度计算，按齿根弯曲疲劳强度校核：由设计计算公式进行试算（2）确定公式内各计算数值：1） 2）7级精度制造，试选载荷系数，按表选取齿宽系数 3）由设计手册查得：材料的弹性影响系数：4）由设计手册按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的齿面接触疲劳强度极限5）计算应力循环次数 6）由设计手册查取接触疲劳寿命系数：7）计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1，查设计手册得： （3）计算得：1）试算小齿轮分度圆直径，带入较小值。=7.827mm2）计算圆周速度 3）计算齿宽 4）计算齿宽与齿高之比5）载荷系数 由，7级精度，由设计手册查得动载系数；直齿轮由表10-2查得使用系数；设计手册用插值法查得7级精度，小齿轮相对支承非对称布置，；查设计手册得得出载荷系数6）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，得7）计算模数 （4）按齿根弯曲强度设计： （5）确定公式内各数值1）由设计手册查得小齿轮的弯曲疲劳强度； 2）由设计手册取弯曲疲劳寿命系数；3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4,设计手册查的得：4)计算载荷系数5)查取齿形系数，由设计手册查得： 6)查取应力校正系数，由设计手册查得:7)计算得大齿轮的数值大 取由弯曲强度算得的模数2.10，就近圆整为标准值0.3,按接触强度算得的分度圆直径算出小齿轮和大齿轮齿数: (6)几何尺寸计算3.2.1.2低速级大小齿轮的计算材料：因为为低速级传动,转速不高,由设计手册查得小齿轮40Cr大齿轮选用钢调质，小齿轮用调质,为软齿面,小齿轮齿面硬度为280HBS,大齿轮为240HBS.齿数：小齿轮齿数大齿轮齿数采用闭式软齿面，齿轮精度选7级，失效形式为点蚀。（1）按齿面接触疲劳强度计算，按齿根弯曲疲劳强度校核。由设计计算公式进行试算（2）确定公式内各计算数值：1） 2）7级精度制造，试选载荷系数=1.3，按设计手册选取齿宽系数 3）由设计手册查得：材料的弹性影响系数：4）由齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的齿面接触疲劳强度极限5）计算应力循环次数6）由设计手册查取接触疲劳寿命系数：7）计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1，得：（3）计算：1）试算小齿轮分度圆直径，带入较小值：2）计算圆周速度 3）齿宽 4）齿宽与齿高之比 5）载荷系数由，7级精度，由设计手册查得动载系数；直齿轮由设计手册得使用系数；由表10-4用插值法查得8级精度，小齿轮相对支承非对称布置，；查设计手册得。计算得出载荷系数6）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，得7）计算模数 （4）按齿根弯曲强度设计：（5）确定公式内各数值1）由设计手册查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮的弯曲强度极限：；2）由设计手册查得取弯曲疲劳寿命系数；3）计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数S=1.4,得4)计算载荷系数 5)查取齿形系数，由设计手册查得： 6)查取应力校正系数，由设计手册查得:7) 计算得 取由弯曲强度算得的模数0.4042，就近圆整为标准值0.35,按接触强度算得的分度圆直径算出小齿轮齿数: (6)几何尺寸计算3.2.2轴的设计计算轴的设计包括轴的结构设计。轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理的确定轴的结构形式和尺寸。轴的结构形式的影响因素很多，必须针对不同情况进行具体的分析。但是轴的结构都应该满足：轴和安装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上的零件应该便于装拆和调整；轴应该具有良好的制造工艺性。轴的设计，从加工工艺的角度来说，轴的形状却是越简单越好，简单的轴制造时省工，热处理不易变形，并有可能减少应力集中。在决定轴的外形时，在保证装配精度的前提下，既要考虑节省材料，又要考虑便于加工和装配。因此实际的轴大多做成阶梯型的。3.2.2.1高速轴的设计计算1)材料：因为减速器传递功率不大, 而且应用载荷平稳的场合,对其重量及尺尺寸无特殊要求,选用45号钢调质处理。查设计手册得 。2)各轴段最小直径的确定：根据设计手册公式得轴的最小直径：，轴的最小直径是安装联轴器的直径,选取联轴器的型号,半联轴器孔径取长度3)轴的结构设计根据轴向定位要求确定轴的各段直径和长度1.段的右段因为要满足半联轴器的轴向定位要求,需制出一段轴肩,半联轴器与轴配合的毂空长度,为保证轴端挡圈只压在半联轴器上而压在轴的断面上,所以1段长度应略短一些,取10mm 2.初选滚动轴承,轴承基本承受径向力,选深沟球轴承,由直径选取,型号为624 3.由齿轮的设计条件知,当 时,可与轴设计为一体,为齿轮轴, 4.取轴承端盖总宽为2,取,由中间轴小齿轮取得到 5.轴上零件的周向定位,半联轴器定位采用平键连接,由查设计手册得选用平键,联轴器与轴的配合 ，滚动轴承与轴的周向定位有过渡配合来保证的,选轴的尺寸公差m6 6.确定轴上圆角和倒角尺寸：取轴端倒角为高速轴的结构如下图： 图3-1 高速轴3.2.2.2中间轴的设计计算1)材料：因为减速器传递功率不大, 而且应用载荷平稳的场合,对其重量及尺尺寸无特殊要求,选用45号钢调质处理。查设计手册 。2)各轴段直径的确定：大齿轮：小齿轮：根据设计手册公式得轴的最小直径：轴的最小直径是安装轴承的直径，选取轴承的型号,选用滚动轴承,选取626深沟球轴承,3)轴的结构设计根据轴向定位要求确定轴的各段直径和长度 1.考虑到大齿轮和小齿轮的啮合，取，轴承宽为6，取，套筒的厚为1.5mm 2.由小齿轮宽为15，得，由大齿轮宽为8.4，得 3.经中间轴和高速轴比较得，取 2段需要轴肩，取 ，由 取取得到 4.轴上零件的周向定位,两齿轮与轴的周向定位采用平键连接,由设计手册查得齿轮选用平键,齿轮与轴的配合 ，滚动轴承与轴的周向定位有过渡配合来保证的,选轴的尺寸公差m6 5.确定轴上圆角和倒角尺寸：取轴端倒角为中间轴结构如下：图3-2 中间轴3.2.2.2低速轴的设计计算1)材料：因为减速器传递功率不大, 而且应用载荷平稳的场合,对其重量及尺寸无特殊要求,选用45号钢调质处理。查设计手册 2)各轴段直径的确定：低速轴的最小直径： 轴的最小直径是安装联轴器的直径,选取联轴器的型号, 半联轴器孔径取长度3)轴的结构设计根据轴向定位要求确定轴的各段直径和长度1.第5段的右段因为要满足半联轴器的轴向定位要求,需制出一段轴肩,取，半联轴器与轴配合的毂空长度,为保证轴端挡圈只压在半联轴器上而压在轴的断面上,所以5段长度应略短一些,取11mm。2.初选滚动轴承,轴承基本承受径向力,选深沟球轴承,由直径选取,型号为63013.取安装齿轮处轴段, ，齿轮左端与轴承采用套筒定位，齿轮齿宽为14，为使套筒端面压紧齿轮，取，齿轮右端采用轴肩定位，轴肩高为 宽度L=2mm4.经低速轴与中间轴的齿轮啮合考虑得，取5.轴承端盖总宽为2，取得到6.轴上零件的周向定位,半联轴器定位采用平键连接, 选段选用，半联轴器与轴的配合 ，滚动承与轴的周向定位有过渡配合来保证的,选轴的尺寸公差m67.确定轴上圆角和倒角尺寸：取轴端倒角为 低速轴的结构如下：图3-3 低速轴3.2.3减速器机体结构尺寸表3.3 减速器机体结构尺寸名称符号结果箱座厚度2箱盖厚度2箱盖凸缘厚度5箱座凸缘厚度6箱座底凸缘厚度M8地脚螺钉直径4地脚螺钉数目4轴承旁连接螺栓直径M4盖与座连接螺栓直径M4轴承端盖螺栓直径M2外箱壁至轴承端面距离10大齿轮顶圆与内箱壁距离13齿轮端面与内箱壁距离8轴承端盖外径18（1轴）24（2轴）36（3轴）4 视觉机器人的运动及控制系统的设计控制装置使用了AT80F51单片机做控制器，通过控制永磁无刷直流电动机的转速和转向来确定移动机器人的行进速度和方向。在本文中对无刷直流电动机控制器的硬件电路和软件程序问题进行了重点设计。采用性能相对较高的AT80F51单片机作为微处理器，用模拟控制技术对电机进行调速和转速闭环控制，使电机在一定范围内能够进行精确调速和速度稳定控制。通过优化设计、软硬件结合，实现了控制器小型化，提高了控制器可靠性，减小了体积与重量。4.1 机器人的运动学模型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。 图4-1 运动简图采用双轮差分驱动方式的机器人移动平台如图4.1所示。对于该平台做如下假设： （1）平台具有刚性外壳，且两个轮子不变形；（2）轮面与接触面垂直并保持点接触，忽略所有轮厚度对于平台的运动影响；（3）轮子与接触面间不发生与轴向平行的滑动，而只发生绕轮轴方向的纯滚动；（4）平台在二维平面内运动； （5）两个驱动轮具有相同的尺寸，轮轴心连线同平台的前后运动方向相同 在上述假设下，移动平台的位姿可由广义坐标向量q=xP, yP ,T表示，其中（xP . xP）为平台参考点P在二维平面内的投影坐标，为平台的航向角，即平台前进方向同坐标系X轴之间的夹角。在图4.1中，进一步假设两驱动轮之间的轴间距为d，驱动轮半径为r，轴间连线的中心点为M，其坐标为（xM , xM）；参考点P同M之间的距离为l，直流|PM|同平台中轴线之间的夹角为。则根据图4-1可得： XP=XM+Lcos（） （4-1）Yp=YM+Lsin（）对上面两个方程的左右两端分别对时间t求导得 （4-2）对于图4所示的移动平台模型，可将两个驱动轮简化为居于轴连线中点M处的单个驱动轮，则该虚拟单轮系统所受非完整约束为 （4-3）结合式2和3可得 (4-4)即 sin,-cos,lcos = 0 (4-5) 该式即为利用参考点P的坐标和航向角作为广义坐标对系统进行描述下的系统所受的非完整运动约束方程。 设左、右两轮的旋转速度分别为L和R,则存在以下关系： (4-6)结合式2和6可得 (4-7)即 (4-8)式8即为以P为参考点描述下的两轮差动移动平台运动模型，其所受的非完整约束方程为式5 。当P选择为点M时，平台的运动学模型和约束方程可分别简化为 (4-9)和 (4-10)由上述运动学模型不难看出，移动平台的广义坐标向量有三个分类：x，y和，而平台的控制分量只有左右两个驱动轮的旋转角速度wL和wR,这是典型的非完整约束问题。平台在运动过程中，约束方程式4或式10始终满足，这就意味着平台运动的瞬时速度方向，同平台朝向完全相同。平台方向的改变只能通过两个轮子之间的速度差值实现，而平台运动轨迹则由一系列绕瞬时圆心旋转的小段圆弧组成。该系统的可控性可借助于类似于单轮系统的方式得以证明。下面讨论转弯半径R的计算。根据式6可知，M点的线速度和角速度分别为 (4-11) (4-12)因为vM=wMR,可得平台M点处的转弯半径为 (4-13)由式13可以看出：当wL=wR时，旋转角速度，转弯半径为无穷大，平台做前后方向上的直线运动；当wL=-wR时，转弯半径等于0，平台围绕M点做原地旋转运动。转弯半径可以从0到无穷大变化，这是双轮独立驱动的一个显著特点.4.2 直流无刷电机驱动器驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制和调整转速。4.3 单片机控制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。5 移动机器人的图像处理技术系统通过图像传感器获取图像并传入计算机，由计算机完成图像处理任务。本文所介绍的设计为简易机器人添加视觉模块，并研究了相关算法和策略，实现了自主路径跟踪。为了使系统真正做到稳定快速，在图像预处理、路径识别和路径跟踪等各个环节都充分考虑到算法的实时性与鲁棒性。本设计中，机器人视觉导航中的图像处理技术包括：视频图像的采集、图像的预处理、边缘特征的提取以及直线的拟合算法等等。本章从各个方面对这些图像处理技术进行了分析和比较，提出最优的图像处理方法，保证机器人在导航中能够有效、准确、实时地为视觉 算法提供特征信息，并根据这些特征信息实现机器人的自主巡线移动。5.1 图像的采集所谓图像采集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象素中，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，每个象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1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128V；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)为得到灰度图像的灰度值。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。5.2.3颜色模块转化机器人从视觉传感器中得到的视频图像一般都是模型下的颜色分布,由于它对于灯光的影响过于敏感，所以一般情况下，都是将原始图像转换到模型空间中。模型采用的是更加直观的色彩描述方法 ,由色度, 饱和度 , 亮度 三个分量组成, 其中色度表示不同的颜色, 饱和度表示颜色的深浅, 亮度表示颜色的明暗程度。它符合人眼对颜色的感觉模式，并且颜色模型中的三个坐标是独立的,非常有利于计算和分析。颜色模型是三维直角坐标颜色系统中的一个单位正方体，在正方体的主对角线上，各原色的量相等，产生由暗到亮的白色，即灰度。坐标点,表示的颜色为黑，坐标点,表示的颜色为白，其余的角点位置分别表示红、黄、绿、青、蓝和品红。而在颜色模型中，每一种颜色和它的补色相差180度,圆锥的顶面对应于，它包含模型中的，三个平面，故所代表的颜色较亮。色度是由绕轴的旋转角确定的。红色对应于0，绿色对应于120，蓝色对应于240。在圆锥的顶点处，和无定义，代表黑色。圆锥的顶面中心处,，无定义，代表白色。，只需对分量进行处理。有效的减少了由于灯光强度不均引起的影响，而且计算量相对要小。结 论本文设计了一个基于视觉的机器人系统。系统采用单片机，完成了从视频采集到视频处理，最终实现速度和转向控制的功能。系统没有采用
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