视觉导航履带式移动机器人小车的研究设计（含CAD图纸）
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视觉导航履带式移动机器人小车的研究设计（含CAD图纸）,视觉,导航,履带式,移动,机器人,小车,研究,设计,CAD,图纸
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I摘摘 要要本设计的研究内容是视觉导航履带式移动机器人小车的研究设计，其核心内容是应用单片机控制电机实现机器人小车的左转弯、右转弯、前进和停止等动作。 论文内容包括四个部分：简要介绍了移动机器人研究背景、意义、现状及发展前景，视觉导航履带式移动机器人小车的设计原理及方案，机械部分的结构设计，控制系统设计和视觉系统设计。论文详细地介绍了移动机器人机械部分的结构设计。设计小车利用履带式底盘作为机械装置，采用双驱控制，加装视觉摄像头、控制电机，编码器等装置实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。主要设计内容包括：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：关键词：移动机器人，运动控制，单片机控制，视觉系统 IIAbstractThe design of the study content is visual navigation of mobile robot car USES the core content of study design, application of single-chip microcomputer control motor is the robot car turn left, right, forward and stop such action.Includes four parts: the paper briefly introduced the mobile robot research background, significance, the present situation and development prospect, visual navigation crawler mobile robot car design principles and schemes of the structure design, mechanical parts, control system design and visual system design. Paper introduced in detail the mobile robot mechanical parts of the structure design.Car chassis design using a mechanical device USES, adopt double drive control, add the visual camera, control motor, electric coder to the device such as position, velocity, the operation condition of real-time measurement, and the measured data transfer process, then by single-chip microcontroller according to test data of intelligent control of electric cars.Main contents include:1 mechanical structure design: use two rounds independent robots driven by caterpillar structure, brushless dc motor for electric power transmission device, the deceleration and by using differential gears, mobile robots platform to choose the solid-axes photoelectric encoder and the detection rate of robot, robot localization.2 control structure design: the control part AT89C51 single-chip model for accept orders and produce, motor driver drive signal control chip, L293D part adopts chip using SCM to receive signals to control motor speed.3 parts: using visual sensor sensor, send images supreme image processing machineKey words：Mobile robot, motion control, the single-chip microcomputer control, the visual system III目目 录录摘摘 要要 .IABSTRACTABSTRACT .II1 1 绪论绪论 .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.22 2 视觉机器人设计方案的确定视觉机器人设计方案的确定 .42.1 视觉移动机器人机械结构设计方案.42.2 视觉移动机器人控制系统设计方案.42.3 移动机器人的视觉系统设计方案.43 3 机器人机械部分的设计与计算机器人机械部分的设计与计算 .43.1 电动机的选择与计算.43.2 减速器的选择与计算.44 4 机器人控制系统的设计与选型机器人控制系统的设计与选型.44.1 单片机 PIC16F877 .44.2 直流无刷电机.44.3 开关电压调节器 LM7805 .45 5 移动机器人的图像处理技术移动机器人的图像处理技术 .45.1 图像的采集.45.2 彩色图像灰度化.45.3 灰度图像的平滑处理.45.4 颜色模型转换.4总总 结结 .4致致 谢谢 .4参考文献参考文献 .4附附 录录 1 1.4附附 录录 2 2.4 11 绪论绪论1.1 机器人的研究背景机器人的研究背景“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。 2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机器人的研究现状及发展前景1.3.1 机器人的研究现状机器人的研究现状1920 年捷克斯洛伐克作家卡雷尔恰佩克在他的科幻小说罗萨姆的机器人万能公司中,根据 Robota(捷克文,原意为劳役、苦工)和 Robotnik(波兰文,原意为工人),创造出机器人这个词。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。 31962 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 机器人的发展前景机器人的发展前景 4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。 52 视觉机器人设计方案的确定视觉机器人设计方案的确定2.1 视觉移动机器人机械结构设计方案视觉移动机器人机械结构设计方案2.1.1 动力源的论证与选择动力源的论证与选择表 2-1 不同类型电动机的比较优缺点比较：方案 1 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优点缺点直流电机1、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。2、无刷直流电机结构更简单、制造成本更低。3、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，选用无刷直流电机更好。 1.在全磁场状态，调电枢电压，适合应用在 0基速以下范围内调速。不能达到电机的最高转速。 2.在电枢全电压状态，调激磁电压，适合应用在基速以上，弱磁升速。 不能得到电机的较低转速。3.在全磁场状态，调电枢电压，电枢全电压之后，弱磁升速。适合应用在调速范围大的情况。这是直流电机最完善的调速方式，但设备复杂，造价高。交流电机1.可靠性好、结构简单、体积小、重量轻、动态响应好；2.效率高、调速范围广、响应频率高。带动惯性负载能力差，一般需用齿轮减速装置；交流伺服电动机的多用于中小型数控机床。步进电机1.转速可以在很宽的范围内调节；2.可以控制电动机的正转或反转；3.没有累积误差，结构简单，使用、维修方便，制造成本低。效率较低，发热大，有时会“失步” 。步进电机适用于中、小型机床和速度精度要求不高的地方。 6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，选用无刷直流电机更好。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 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。 缺点是效率较低，发热大，有时会“失步” 。最终方案：本次设计使用直流无刷电机2.1.2 运动方式的选择运动方式的选择方案 1：轮式机构方案 2：履带式结构优缺点的比较：方案 1 轮式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，本次设计选用履带式结构2.1.3 电源的论证与选择电源的论证与选择 7由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下集中方案为系统供电。方案 1： 采用 10 节 1.5V 干电池供电，电压达到 15V，经 7812 稳压后给支流电机供电，然后将 12V 电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。但干电池电量有限，使用大量的干电池给系统调试带来很大的不便，因此，我们放弃了这种方案。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他芯片供电。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。虽然蓄电池的体积过于庞大，在小型电动车上使用极为不方便，但由于我们的车体设计时留出了足够的空间，并且蓄电池的价格比较低。因此我们选择了此方案。综上考虑，我们选择了方案 22.1.4 传动方式的选择传动方式的选择方案 1：带传动方案 2：齿轮传动优缺点的比较：方案 1 带传动是利用张紧在带轮上的柔性带进行运动或动力传递的一种机械传动。根据传动原理的不同，有靠带与带轮间的摩擦力传动的摩擦型带传动，也有靠带与带轮上的齿相互啮合传动的同步带传动带传动具有结构简单、传动平稳，且其造价低廉、不需润滑、维护容易等特点。方案 2 齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。按齿轮轴线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴螺旋齿轮传动。具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点。 表 2-2 带传动与齿轮传动的比较优点优点缺点缺点带传动带传动1.因为带有弹性，因此传动过程中可以起到缓冲和吸震的作用，是传动平稳；2.当传动过载时，带会产生打滑，能防止工件的损坏，从而保护原动机；带是靠摩擦进行传动的，而带传动产生的打滑使传动比不确定，同时代的尺寸较大，传动效率低 8齿轮传动齿轮传动1.齿轮传动的效率高，可达到96%-99%；2.结构紧凑，比带传动和链传动所需空间小；3.传动比稳定制造及安装精度较高，不宜用于传动比过大的场合；2.1.5 传感器的选择传感器的选择方案一：使用红外传感器导航任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。红外线传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器，红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。但是红外传感器在测距和探障过程中易受可见光的影响，特别在一些光线较强以及环境温度基本一样的条件下，其性能下降迅速，此外，使用红外传感器还需预先设定好轨迹，不宜于移动机器人的自主移动。方案二：使用超声波传感器导航超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波传感器应用起来原理简单，也很方便，成本也很低。但是目前的超声波传感器都有一些缺点，比如，反射问题，噪音，交叉问题。 方案三 视觉传感器视觉传感器具有从一整幅图像捕获光线的数以千计的像素的能力，它主要部件就是照相机或摄像机，在捕获图像之后，视觉传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较，以做出分析。视觉传感器通常因其精确性、易用性、丰富功能及合理成本而成为最佳选择。2.1.6 最终方案最终方案：基于视觉的移动机器人实用履带式结构，用采用 7.2V 可充电动力电池组，使用直流无刷电机作为机器人的动力源，利用视觉传感器采集图像，通过单片机控制直流电机可以实现小车的前进，后退以及转向等功能。2.2 视觉移动机器人控制系统设计方案视觉移动机器人控制系统设计方案 92.2.1 控制系统的选择控制系统的选择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：PLC 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。单片机控制 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，综合考虑本次设计选择单片机控制。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，另考虑经济等方面，本次设计选择 8 位单片机. 2.2.2 控制器的软件设计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，我们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。 106.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。2.3 移动机器人的视觉系统设计方案移动机器人的视觉系统设计方案机器人的视觉系统一般包括硬件与软件两个部分,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. 基于计算机视觉的移动机器人导航实验系统的硬件部分由计算机、摄像头、机器人地盘组成。软件分为两部分，即图像处理和机器人运动控制。基于视觉导航的原始输入图像是连续的数字视频图像。系统工作时，图像预处理模块首先对原始的输入图像进行缩小、边缘检测、等预处理。其次利用计算机计算并提取出对机器人有用的路径信息。最后，运动控制模块根据识别的路径信息，调用直行或转弯功能模块使机器人做相应的移动。 获取图像特征抽出和分割计算距离和角度驱动机器人步进电机的转向和速度输出脉冲摄像头位置和伺服系统图像处理单元运动控制模块图 2-1 机器人的控制原理在本次设计中，采用的是用摄像头实时的采集图像信息，经过上位机的内部处理，通过单片机控制电机来实现运动要求。 113 机器人机械部分的设计与计算机器人机械部分的设计与计算3.1 电动机的选择与计算电动机的选择与计算已知驱动轮直径 D=120mm, V=0.942m/s按工作要求和条件，选用直流无刷电机，电压 12V.电动机功率的选择： 机器人的设计负重为 35 公斤，动摩擦因数为 0.3，F=35*10*0.3/2=52.5N, T=Fr=52.5*0.05=2.625N/m，考虑到机器人会携带上位机等设备，所以取 T=3N/m，=WPWKWTnw1 .479550150*39550 1、电动机类型的选择： Y 系列三相异步电动机2、电动机功率选择：（1）传动装置的总功率：总=带2轴承齿轮联轴器滚筒 =0.960.9820.970.990.96=0.85(2)电机所需的工作功率：P工作=FV/1000总=52.50.942/10000.85 12=0.058KW=58W 3、确定电动机转速：计算滚筒工作转速：n筒=601000V/D=6010000.942/120=150r/min 按手册推荐的传动比合理范围，取圆柱齿轮传动一级减速器传动比范围 Ia=36。取V 带传动比 I1=24，则总传动比理时范围为 Ia=624。故电动机转速的可选范围为 nd=Ian筒=（624）150=9003600r/min符合这一范围的同步转速有 1000、1500 和 3000r/min。根据容量和转速，由有关手册查出有三种适用的电动机型号：因此有三种传支比方案。综合考虑电动机和传动装置尺寸、重量、价格和带传动、减速器的传动比，可见第 2 方案比较适合，则选 n=1500r/min 。 4、确定电动机型号根据以上选用的电动机类型，所需的额定功率及同步转速，根据设计要求电动机所需转矩和转速查手册. 表 3-1 电动机主要参数电动机型号额定功率额定转速 r/min总传动比FBL-60K03151RS30W1500253.2 减速器的选择与计算减速器的选择与计算 13图 3-1 电动机简图3.2.1 计算总传动比及分配各级的传动比计算总传动比及分配各级的传动比1、总传动比：2125iinniwm2、分配各级传动比，ii212 . 1经计算56.42i48.51i3.2.2 运动参数及动力参数计算运动参数及动力参数计算1、计算各轴转速（r/min）nI=n 电机=1500r/minnII=nI/i带=1500/5.48=274(r/min)nIII=nII/i齿轮=274/4.56=60(r/min)2、 计算各轴的功率（KW）PI=P工作=30W=0.03KWPII=PI带=300.96=28.8W=0.0288KWPIII=PII轴承齿轮=28.80.980.96 =27.1W=0.0271KW 3、 计算各轴扭矩（Nmm） 14TI=9.55106PI/nI=9.551060.03/1500=191NmmTII=9.55106PII/nII=9.551060.0288/274=100.4NmmTIII=9.55106PIII/nIII=9.551060.0271/60=431.3Nmm3.2.3 传动零件的设计计算传动零件的设计计算一、V 带设计外传动带选为 普通 V 带传动1、确定计算功率Pca1） 、由表查得工作情况系数 1 . 1KA2） 、由式 wPKPAca33301 . 12、选择 V 带型号 查图选 A 型 V 带。3.确定带轮直径 da1da2（1） 、参考图表选取小带轮直径 mmda101 （电机中心高符合要求）Hda21（2） 、验算带速，由式smdnVa111143. 010006010274100060（3） 、从动带轮直径 da2mmdidaa8 .541048. 512查表取 mmda552（4） 、传动比 i5 . 5105512ddaai（5） 、从动轮转速min1128 .2675 . 51500Rnni 154.确定中心距 a 和带长Ld（1）初选中心距 ddaddaaaa2102127 . 0 取130930amma1000（2） 、求带的计算基础准长度0LmmmmaddddaaaaaL5 .302)1004)1055()5510(21002*4)()(22202122100查图.取带的基准长度 =320mmdL(3)、计算中心距:a mmmmaLLad109)25 .302320100(200(4)、确定中心距调整范围 mmmmaLad6 .118)32003. 0109(03. 0max mmmmaLad2 .104)320015. 0109(015. 0min 5.验算小带轮包角 1 由式 12015360180121adddd 6.确定 V 带根数 Z (1)、由表查得=90 n1=1450r/min 及 n1=1600r/min 时，单根 V 带的额定功1ad率分呷为 1.07Kw 和 1.15Kw，用线性插值法求 n1=1600r/min 时的额定功率 P0 值。 wKwKwP27027. 0)14501500(1450160007. 115. 100. 1 (0 (2)、由表查得P0=0.03Kw (3)、由表查得查得包角系数96. 0k (4)、由表查得长度系数 KL=1.03 (5)、计算 V 带根数 Z，由式 16 59. 003. 196. 0)03. 0027. 0(033. 0)(00KKPPPLcaZ 取 Z=1 根 7计算单根 V 带初拉力 F0，由式 NqVZvKPFaca26) 15 . 2(50020 8计算对轴的压力 FQ，由式得 NNZFFQ9 .38)2153sin2612(2sin210 9确定带轮的结构尺寸，给制带轮工作图 小带轮基准直径dd1=10mm采用实心式结构。大带轮基准直径dd2=55mm，采用孔板式结构，基准图见零件工作图。二、齿轮传动的设计计算 设计参数： htirnrnmNTWp24000;56. 4min;/60min;/274;.4 .100;8 .2823222寿命1、选定齿轮类型、精度等级、材料和齿数 （1）二级变速装置选用直齿圆柱齿轮 （2）机器速度不高、选用 8 级精度 （3）选材：小齿轮材料为 40Cr（调质） ，硬度为 280HBS,大齿 轮材料为 45 钢（调质） ，硬度为 240HBS,两者材料硬度相差 40HBS。 （4）选小齿轮齿数 z，大齿轮齿数 z2411202 2、按齿面接触强度设计3211)(12HEHdttZZiiTKd(1)确定公式内的各项参数值 171)试选载荷系数3 . 1tK 2）mmNnPT.8 .100395502213)计算应力循环次数 9111072. 0)103008(15006060hLnN 8921044. 151072. 0N 4)选取齿宽系数 1d 5）查的材料的弹性影响系数 ZMPaE8 .189 6）查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮的弯曲疲MPaFE6001劳强度极限。MPaFE5502 7) 由图 9-35 查表的接触疲劳寿命系数K99. 0,97. 021HNHNK 8)计算接触疲劳许用应力取安全系数0 . 1HS ;2111/582mmNZSNHHLimbH222lim2/5 .544mmNZSNHbhH(2) 计算齿轮参数1) 求小齿轮分度圆直径,代入中较小的值td1H mmdt32.12)5 .5448 .189(48. 548. 618 .10033 . 132. 2321 2) 圆周速度 smndvt/32. 0100060150032.1214. 3100060113) 计算齿宽mmddbt32.1232.1211 4) mmzdmtt513. 011 mmmht155. 125. 2 9 . 8429. 348.30/hb 5) 计算载荷系数 18 根据 v=0.32m/s,8 级精度,由图 9-31 得动载荷系数1 . 1vK 直齿轮,假设,由表 9-8 查得mNbFKtA/100/2 . 1FaHaKK由表 9-7 查得使用系数 ,由表 9-9 查得,由表 9-321AK26. 1HK查得 ,故载荷系数22. 1FK66. 126. 12 . 11 . 11HVAKKKKK6) 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径,mmKKddtt36.13/3117) 计算模数 mmmzdm56. 0/11三、按齿根抗弯强度设计 3211)(2FSaFadYYzKTm (1) 确定公式内的各项参数数值 1) 查图 9-39 得大小齿轮的疲劳极限：MPaMPaFEFE380,50021 2) 由图 9-38 查得抗弯疲劳寿命系数: ;93. 0, 9 . 021FNFNKK 3) 取抗弯疲劳安全系数， 4 . 1FS所以:FMPaSKFEFN4 .3214 . 15009 . 0111 FMPaSKFEFN4 .2524 . 138093. 0222 4) 计算载荷系数 61. 122. 12 . 11 . 11FavAKKKKK5) 查的齿形系数 19. 2,69. 221FaFaYY6) 查取应力校正系数 785. 1,575. 121SaSaYY 7)计算大,小齿轮的并加以比较 FSaFaYY 01318. 04 .321575. 169. 2111FSaFaYY01546. 04 .252785. 119. 2222FSaFaYY 大齿轮的数值大 19 (2)设计计算 4 . 001546. 024171161. 12)(2323211FSaFadYYzKTm对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 略大于由齿根弯疲劳强度计算的模数,由于齿轮模数 m 的大小取决于抗弯强度所决定的承载能力,而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力,仅与齿轮直径有关,可取由抗弯强度算得的模数 1.40,并就近圆为标准值,按接触强度mmm5 . 0算得的分度直径,由mmd00.121 245 . 01211mdz12024512 izz 四、几何尺寸计算 1)计算分度圆直径 , mmmzd125 . 02411mmmzd605 . 012022 2)计算中心距 mmdda362/ )6012(2/ )(21 3)计算齿轮宽度 mmdbd121211 圆整,取mmbmmb15,12123.2.4 轴的设计轴的设计轴的设计包括轴的结构设计和工作能力计算两方面的内容。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。在一般情况下，轴的工作能力取决于它的强度，此时只需对轴进行强度校核，以防止断裂或塑性变形。对于刚度要求较高的轴和受力较大的细长轴，还应该进行刚度计算，以防止在工作过程中产生过大的弹性变形10。轴的设计，从节省材料、减少质量的角度来说，各横截面强度相等是最好，最理想的；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。 20一、主轴的设计已知输入功率P=0.03kw，主轴转速n=1500r/min，皮带轮的圆周力Ft=26N，皮带作用在主轴上的径向力Fr=38.9N，工作载荷较平稳。主轴的材料选用45钢，正火处理，查表19-512硬度 170217 HBS,抗拉强度apMP588(1)轴的结构设计：1)确定轴的各段直径：初估轴的最小直径:mind (3-1)mmnPAd08. 315000288. 011533查表取 A=115考虑轴上开键槽，对轴强度有削弱计算值放大4%5%，得 ，取mmd23. 3mmd5 . 31 轴段有定位轴肩2d21dd mmhdd)5 . 73 . 6()24 . 1 (25 . 3212dh) 1 . 007. 0(取mmd72 其上安装有滚动轴承，考虑实际工作情况，轴承需承受一定冲击载荷，选3d取深沟球轴承，表3-2轴承选择列表选择轴承代号2000088：轴承内径8mm，外径16mm。所以此轴段mmd83 21 此轴段为轴环，4dmmhdd)2 . 814. 8() 1 . 007. 0(28234由结构考虑取mmd16. 84 此段安装圆螺母，取5dmmd05. 85 此段装有轴承，取6dmmd86 此段装有锤盘，由结构选取7dmmd1 . 872)确定轴的各段长度： 此段装有带轮，考虑实际情况1lmmdl)725. 5(5 . 3)25 . 1 ()25 . 1 (取mml61 其上装有毡圈，轴承端盖，毡圈宽度 2mm，考虑结构选2lmml5 . 62 此段安装轴承、防尘环，轴承宽度5mm，防尘环宽度1mm，取3lmml63 此段为轴环长度取4lmml24 此段装圆螺母和止动垫圈，取5lmml5 . 35 此段装有轴承跟防尘环，取长度6lmml8 . 56 此段安装锤盘，根据锤盘长度选取，其中包括 2mm 的退刀槽。7lmml367主轴的结构图如下图4-1所示：图 3-2 主轴结构示意图二、传动轴的设计：输入功率 P=0.0288kw=28w，轴的转速 n2=274r/min，工作载荷比较平稳。（1）估算轴颈选择轴的材料选用 40Cr，调质处理，b=1000MPa，s=800MPa。初步估算轴外伸端直径按扭转强度计算：d 30npA式中：d计算截面处轴的直径，mm；n轴的转速，r/min；p轴传递的额定功率，kw；A0按定的系数。由参考文献（机械设计课本）14查得 A0=115，额定功率 p=0.0288kw，轴的转速 22n=274r/min,则 d=5.43mm30npA（2)确定轴的各段直径：初估轴的最小直径:mindmmnPAd43. 52740288. 011533查表取 A=115考虑轴上开键槽，对轴强度有削弱计算值放大4%5%，得，取mmd7 . 5mmd61 轴段有定位轴肩2d21dd mmhdd)108 . 8()24 . 1 (26212dh) 1 . 007. 0(取mmd92 其上安装有滚动轴承，考虑实际工作情况，轴承需承受一定冲击载荷，3d选取深沟球轴承选择轴承代号180200：轴承内径10mm，外径30mm。所以此轴段mmd103 此轴段为轴环，4dmmhdd)2 .1014.10() 1 . 007. 0(210234由结构考虑取mmd18.104 此段安装圆螺母，取5dmmd1 .105 此段装有轴承，取6dmmd106 此段装有小齿轮， 7dmmd127（3)确定轴的各段长度： 此段装有带轮，考虑实际情况取1lmmdl)129(6)25 . 1 ()25 . 1 (mml111 其上装有毡圈，轴承端盖，毡圈宽度 2mm，考虑结构选2lmml5 .102 此段安装轴承、防尘环，轴承宽度9mm，防尘环宽度1mm，取3lmml103 此段为轴环长度取4lmml34 此段装圆螺母和止动垫圈，取5lmml65 23 此段装有轴承跟防尘环，取长度6lmml96 此段安装小齿轮，根据小齿轮宽度选取，其中包括 2mm 的退刀7lmml177槽。传动轴的结构图如下图 4-1 所示图 3-3 齿轮轴三、从动轴的设计：输入功率 P=0.0271kw,轴的转速 n3=60r/min，工作载荷比较平稳。（1）估算轴颈选择轴的材料：选用 45 钢，调质处理，b=610MPa，s=360MPa。初步估算轴外伸端直径按扭转强度计算：d （3-2）30npA式中：d计算截面处轴的直径，mm；n轴的转速，r/min；p轴传递的额定功率，kw；A0按定的系数。由参考文献14查得 A0=115，额定功率 p=1.05kw，轴的转速 n=360r/min,则 d=8.82mm。30npA当轴截面上开有键槽时，应增大轴颈以考虑键槽对轴强度的削弱取 dmin=40mm 作为轴外伸端直径，其他部分根据画图设计情况及轴承的选择情况进行设计。（2）从动轴的结构设计 1)确定轴的各段直径：初估轴的最小直径:mind 24 (3-3)mmnPAd82. 8600271. 011533查表取 A=115考虑轴上开键槽，对轴强度有削弱计算值放大4%5%，得 ，取mmd26. 9mmd101 轴段有定位轴肩2d21dd mmhdd)148 .12()24 . 1 (210212dh) 1 . 007. 0(取mmd132 其上安装有滚动轴承，考虑实际工作情况，轴承需承受一定冲击载荷，选3d取深沟球轴承，选择轴承代号180302：轴承内径15mm，外径42mm。所以此轴段mmd153 此轴段为轴环，4dmmhdd)2 .1514.15() 1 . 007. 0(215234由结构考虑取mmd18.154 此段安装圆螺母，取5dmmd12.155 此段装有轴承，取6dmmd156 此段装有大齿轮，由结构选取7dmmd14.1572)确定轴的各段长度： 此段装有带轮，考虑实际情况取1lmmdl)2015(10)25 . 1 ()25 . 1 (mml181 其上装有毡圈，轴承端盖，毡圈宽度 2mm，考虑结构选2lmml162 此段安装轴承、防尘环，轴承宽度13mm，防尘环宽度1mm，取3lmml143 此段为轴环长度取4lmml54 此段装圆螺母和止动垫圈，取5lmml115 此段装有轴承跟防尘环，取长度6lmml136 此段安装大齿轮，根据大齿轮宽度选取，其中包括 2mm 的退刀7lmml147槽。（3）验算轴的弯扭组合强度轴在载荷作用下，将会产生弯曲或扭转变形，若变形量超过允许的限度，将会影 25响轴上零件的正常工作，甚至会丧失机器的工作性能。齿轮切向力 F =244.8N，径向力 F =91.8N，轴向力 F =61N，=591.6N。tra3rF图 3-4 从动轴受力图图 3-5 从动轴的力及弯矩图在 V 面上：=0，+=+； （3-4）xFxrF1xrF23rFrF=0，102+22-54156=0 （3-5）AMxrF1xrF2由（3-4） （3-5）得=1181.6N，=302.7N，M =-153423.6Nmm。xrF1xrF2v在 H 面上：=0， += （3-6）yFyrF1yrF2tF=0,54-69=0 （3-7）cMyrF1yrF2由（3-6） （3-7）得=53.7N，=191.1N，M=2899.8Nmm。yrF1yrF2H总弯矩 M=153400 Nmm22vHMM当量应力为：= （3-8）caWMWTM22)(3221 . 0)(dTM式中 ca轴的计算应力，单位 MPa；M所受的弯矩，Nmm；T所受的扭矩，Nmm；W轴的抗弯截面系数，mm3。当扭转切应力为静应力时，取 0.3。因此，最大截面处的当量应力1=24MPa-1，符合条件。3.2.5 键联接的选择及校核计算键联接的选择及校核计算 26输出轴与大齿轮联接用平键联接轴径 d1=10mm,L1=18mm查手册得，选用 C 型平键，得：键型号为： C 44 GB1096-79l=L1-b=18-4=14mmT2=100.4Nm h=4mm根据公式得p=4T2/dhl=4100.4/4414=1.8MpaR(110Mpa) 274 机器人控制系统的设计机器人控制系统的设计与选型与选型4.1 单片机单片机 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 28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。引脚的基本功能：OSC1（13 引脚）：时钟振荡器输入端，也是晶振连接端。OSC2（14 引脚）：时钟振荡器输出端，也是晶振连接端。MCLR（1 引脚）：人工复位输入端。RA0RA5（27 引脚）：RA 是一个输入/输出可编程的双向 5 线端口。RB0RB7（3340 引脚）：RB 是一个输入/输出可编程的双向端口，作为输入时内部有可编程的弱上位电路。RC0RC7（1518，2326 引脚）：RC 是一个输入/输出可编程的双向端口。RD0RD7（1922，2730 引脚）：RD 是一个输入/输出可编程的双向端口。RE0RE2（810 引脚）：RE 是一个输入/输出可编程的双向 3 线端口。VSS（12，31 引脚）：接地端。VDD（11，32 引脚）：正电源端。4.2 直流无刷电机直流无刷电机无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。无刷电机是指无电刷和换向器(或集电环)的电机，又称无换向器电机。早在上世纪诞生电机的时候，产生的实用性电机就是无刷形式，即交流鼠笼式异步电动机，这种电动机得到了广泛的应用。但是，异步电动机有许多无法克服的缺陷，以致电机技术发展缓慢。本世纪中叶诞生了晶体管，因而采用晶体管换向电路代替电刷与换向器的直流无刷电机就应运而生了。这种新型无刷电机称为电子换向式直流电机，它克服了第一代无刷电机的缺陷。无刷直流电机（BLDCM）是在有刷直流电动机的基础上发展来的，但它的驱动电流是不折不扣的交流；无刷直流电机又可以分为无刷速率电机和无刷力矩电机。一般地， 29无刷电机的驱动电流有两种，一种是梯形波（一般是“方波” ） ，另一种是正弦波。有时候把前一种叫直流无刷电机，后一种叫交流伺服电机，确切地讲是交流伺服电动机的一种。无刷直流电机为了减少转动惯量，通常采用“细长”的结构。无刷直流电机在重量和体积上要比有刷直流电机小的多，相应的转动惯量可以减少 4050左右。由于永磁材料的加工问题，致使无刷直流电机一般的容量都在 100kW 以下。这种电动机的机械特性和调节特性的线性度好，调速范围广，寿命长，维护方便噪声小，不存在因电刷而引起的一系列问题，所以这种电动机在控制系统中有很大的应用潜力。电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。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，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。 由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。4.3 开关电压调节器开关电压调节器 LM7805LM7805 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。 305 移动机器人的图像处理技术移动机器人的图像处理技术 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移动。5.1 图像的采集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像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，需外加电压让每个像素中的电荷移动，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 彩色图像灰度化彩色图像灰度化 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。 31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 5.3 灰度图像的平滑处理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：图 5-1 模板设计原则图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 32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。5.4 颜色模型转换颜色模型转换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, 模RGBRGB型如图 4.2 所示。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HSVHSV, 饱和度 , 亮度 三个分量组成, 其中色度表示不同的颜色, )(Hue)(Saturation)(Value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。HSV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RGB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0(0)0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1 (1) 1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HSV于，它包含模型中的，三个平面，故所代表的颜色较亮。1VRGB1R1G1B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HV240 。在圆锥的顶点处，和无定义，代表黑色。圆锥的顶面中心处,0VHS0S，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1VHH不均引起的影响，而且计算量相对要小。 33总总 结结 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企业职位面临的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，通过这次的设计过程，真正做到了理论与相结合。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。 34致致 谢谢随着这篇毕业论文的最后落笔，我四年的大学生活也即将划上一个圆满的句号。回忆这四年生活的点点滴滴，从入学时对大学生活的无限憧憬到课堂上对各位老师学术学识的深沉沉湎，从奔波于教室图书馆的来去匆匆到业余生活的五彩缤纷，一切中的一切都是历历在目，让人倍感留恋，倍感珍惜。 四年大学的学习生活注定将成为我人生中的一段重要旅程。四年来，我的师长、我的领导、我的同学给予我的关心和帮助，使我终身收益，我真心地感谢他们。 在本文的撰写过程中，老师作为我的指导老师，。正是由于他在百忙之中多次审阅全文，对细节进行修改，并为本文的撰写提供了许多中肯而且宝贵的意见，本文才得以成型。在此特向老师致以衷心的谢意！同时感谢张红丽老师、孙日坤老师、徐建斌老师等几年来对我的栽培和教育。 此外，本文参考了大量杂志期刊和专业丛书，由于参考期刊太多，不能一一注明，敬请原谅并向所有作者和刊物致以诚挚的谢意！由于本人水平有限，纰漏之处在所难免，恳请各位老师不吝赐教。 35参考文献参考文献1 王昆，何小柏，汪信远主编， 机械设计课程设计 ，高等教育出版社， 1995 年 12 月第一版；2 濮良贵，纪名刚主编， 机械设计（第七版） ，高等教育出版社， 2001 年 7月第七版；3 洪钟德主编， 简明机械设计手册 ，同济大学出版社， 2002 年 5 月第一版；4 周明衡主编， 减速器选用手册 ，化学工业出版社， 2002 年 6 月第一版；5 刘希平主编， 工程机械构造图册 ，机械工业出版社，2004 年 8 月第二版6 刘朝儒，彭福荫，高治一编， 机械制图（第四版） ，高等教育出版社， 2001 年 8 月第四版；7 廖念钊，古莹庵，莫雨松，李硕根，杨兴骏编， 互换性与技术测量（第四版） ，中国计量出版社， 2001 年 1 月第四版。 8 邓星中，周祖德，邓坚，冯清秀主编。 机电传动控制（第四版） ，华中科技大学出版社， 2000 年 6 月第四版。 9 叶伟昌主编， 机械工程及自动化简明设计手册 ，2007 年 6 月第一版 10David S.Kelley 著，孙江宏 译。Pro/ENGINEER 机械设计教程，清华大学出版社， 11 李庆余 张佳 主编机械制造制造装备设计，机械工业出版社，2007 年第一版第 5 次印刷。 12 邱家骏主编，工程力学机械工业出版社，1996 年 7 月第三版， 13 Rajput R K. Elements of Mechanical EngineeringM. Katson Publ.House,1985.14 Orlov P. Fundamentals of Machine DesignM. Moscow: Mir Pub.,1987. 15 Juvinall R.C. Engineering Considerations of Stress,Strain and StrengthM.New York: MeGrawHill，1967. 36附附 录录 1外文资料外文资料 Typically, an image-processing application consists of five steps. First, an image must be acquired. A digitized representation of the image is necessary for further processing. This is denoted with a two-dimensional function I（x， y） that is described with an array. X marks a column and y a row of the array. The domain for x and y depends on the maximal resolution of the image. If the image has size n m, whereby n represents the number of rows and m the number of columns, then it -holds for x that 0 x m, and for the y analog, 0 y n. x and y are positive integers or zero. This holds also for the domain of I（x，y）is masthe maximal value for the function value. This then provides the domain, 0 I(x, y) I(x; y). Every possible discrete function value represents a gray value and is called a pixel. maxSubsequent preprocessing tries to eliminate disturbing effects. Examples are inhomogeneous illumination noise, and movement detection. If image-preprocessing algorithms like the movement detection are applied to an image, it is possible that image pixels of different objects with different properties are merged into regions, because they fulfill the criteria of the preprocessing algorithm. Therefore, a region can be considered as the accumulation of coherent pixels that must not have any similarities. These image regions or the whole image can be decomposed into segments. All contained pixels must be similar in these segments.Pixels will be assigned to objects in the segmentation phase, which is the third step. If objects are isolated from the remainder of the image in the segmentation phase, feature values of these objects must be acquired in the fourth step. The features determined are used in the fifth and last step to perform the classification. This means that the detected objects are allocated to an object class if their measured feature values match to the object description. Examples for features are the object height, object width, compactness, and circularity.A circular region has the compactness of one. The alteration of the region s length effects the alteration of the compactness value. The compactness becomes larger if the regions length rises. An empty region has value zero for the compactness.Color ModelsThe process of vision by a human being is also controlled by colors. This happens subconsciously with signal colors. But a human being searches in some situations directly for specified colors to solve a problem. The color attribute of an object can also be used in computer vision. This knowledge can help to solve a task .For example, a computer-vision application that is developed to detect people can use knowledge about the color of the skin 37for the detection. This can affect ambiguity in some situations. For example, an image that is taken from a human being who walks beside a carton is difficult to detect, if the carton has a similar color to the color of the skin. But there are more problems. The color attributes of objects can be affected by other objects due to light reflections of these objects. Also colors of different objects that belong to the same class, can vary. For example, a European has a different skin color from an African although both belong to the class “human being”. Color attributes like hue, saturation, intensity, and spectrum can be used to identify objects by its color. Alterations of these parameters can effect different reproductionsof the same object. This is often very difficult to handle in computer-vision applications. Such alterations are as a rule for a human being no or only a small problem for recognition. The selection of an appropriate color space can help in computer vision. Several color spaces exist. Two often-used color spaces are now depicted. These are RGB and YUV color spaces. The RGB color space consists of three color channels. These are the red, green, and blue channels. Every color is representedby its red, green, and blue parts. This coding follows the three-color theory of Gauss. A pixel s color part of a channel is often measured within the interval 0; 255. Therefore, a color image consists of three gray images. The RGB color space is not very stable with regard to alterations in the illumination, because the representation of a color with the RGB color space contains no separation between the illumination and the color parts. If a computer-vision application, which performs image analysis on color images, is to be robust against alterations in illumination, the YUV color space could be a better choice, because the color parts and the illumination are represented separately. The color representation happens only with two channels, U and V. Y channel measures the brightness. The conversion between the RGB and the YUV color space happens with a linear transformation: (1-1)VUY101. 0436. 0114. 0514. 0289. 0587. 0615. 0147. 0299. 0BGRThis yields the following
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