基于視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與分析

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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(yù)先設(shè)定的模式在一個(gè)環(huán)境里自動(dòng)的運(yùn)作，不需要人為的管理，可應(yīng)用于科學(xué)勘探等等的用途。智能機(jī)器人就是其中的一個(gè)體現(xiàn)。本次設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易機(jī)器人，采用單片機(jī)作為小車(chē)的檢測(cè)和控制核心；采用視覺(jué)傳感器解決室內(nèi)智能機(jī)器人的定位問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在復(fù)雜室內(nèi)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?chē)h(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(chē)使小車(chē)能按照任意給定的黑色引導(dǎo)線平穩(wěn)地尋跡。 本次課題研究的內(nèi)容是基于視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與分析。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)的履帶結(jié)構(gòu)，動(dòng)力源采用直流無(wú)刷電機(jī)，減速和傳動(dòng)裝置采用齒輪帶傳動(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(jué)傳感器進(jìn)行機(jī)器人的測(cè)距算法，視覺(jué)傳感器位于機(jī)器人的傳感器層 本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，較容易實(shí)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(guān)鍵詞：智能機(jī)器人 單片機(jī) 視覺(jué)傳感器 智能 Abstract Intelligence 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 I Abstract II 1 緒論 1 1.1 課題研究背景以及現(xiàn)實(shí)意義 1 1.2 智能機(jī)器人的發(fā)展 2 2設(shè)計(jì)任務(wù)以及方案的討論 6 2.1設(shè)計(jì)任務(wù)概述 6 2.2 視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 6 2.3視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 8 2.4移動(dòng)機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 10 3 視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 3.1電動(dòng)機(jī)的確定 11 3.2 減速器的確定 12 4 視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 4.1單片機(jī) PIC16F877 16 4.2 步進(jìn)電機(jī) 17 4.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298 18 4.4開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器LM7805 19 5 移動(dòng)機(jī)器人的視覺(jué)算法 20 5.1圖像的采集 20 5.2圖像的預(yù)處理 20 結(jié)論 24 致謝 25 參考文獻(xiàn) 26 附錄一: 27 附錄二: 30 32 1 緒論 1.1 課題研究背景以及現(xiàn)實(shí)意義 1.1.1 課題的研究背景 移動(dòng)機(jī)器人【1】技術(shù)一直是人類(lèi)長(zhǎng)期科學(xué)研究的熱點(diǎn)。它的歷史可以追溯到20世紀(jì)六十年代。1968年，美國(guó)斯坦福研究所公布了他們研發(fā)成功的機(jī)器人Shakey（如圖1-1），該機(jī)器人能夠根據(jù)人的指令通過(guò)視覺(jué)傳感器發(fā)現(xiàn)并抓取積木,標(biāo)志著第一臺(tái)智能機(jī)器人的誕生，同時(shí)也揭開(kāi)了移動(dòng)機(jī)器人研究的序幕?，F(xiàn)在，國(guó)際上對(duì)機(jī)器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般說(shuō)來(lái)，人們都可以接受的說(shuō)法是：機(jī)器人是靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)給機(jī)器人下的定義：“機(jī)器人是一種可編程和多功能的，用來(lái)搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動(dòng)作的專(zhuān)門(mén)系統(tǒng)?！睓C(jī)器人能夠利用各種傳感器采集機(jī)器人所在環(huán)境的特征，通過(guò)各種環(huán)境特征可以自動(dòng)地規(guī)劃自己的行動(dòng)路徑，實(shí)現(xiàn)尋跡、避障等智能行為。 圖1-1 shakey 早期的機(jī)器人主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，例如利用機(jī)器人搬運(yùn)工件、更換刀具、焊接工件、噴射油漆以及實(shí)現(xiàn)零件的裝配等工作。但是到了90 年代，隨著機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人活動(dòng)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，機(jī)器人的應(yīng)用從制造業(yè)領(lǐng)域向非制造業(yè)領(lǐng)域不斷發(fā)展，原先只是在工業(yè)中才使用的自主式機(jī)器人也開(kāi)始進(jìn)入到人們的日常生活中來(lái)，因此在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域都能看到移動(dòng)機(jī)器人的身影，美國(guó)麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)等都陸續(xù)成立了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，由此機(jī)器人技術(shù)得到了長(zhǎng)久的發(fā)展。 該課題正是在這種環(huán)境下提出的，本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人實(shí)際上就是一種利用視覺(jué)傳感器自動(dòng)移動(dòng)的機(jī)器裝置，由視覺(jué)傳感器實(shí)現(xiàn)路徑識(shí)別，通過(guò)對(duì)小車(chē)速度的控制，使小車(chē)能按照任意給定的黑色引導(dǎo)線平穩(wěn)地尋跡。 1.1.2 課題的現(xiàn)實(shí)意義 對(duì)智能機(jī)器人【2】的研究有著廣泛的現(xiàn)實(shí)意義，概括地說(shuō)可以有三點(diǎn)： 1. 智能機(jī)器人技術(shù)是一門(mén)綜合性很強(qiáng)的技術(shù)。對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器、運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、控制系統(tǒng)、路徑規(guī)劃以及各種算法的分析與設(shè)計(jì)。因此移動(dòng)機(jī)器人的研究涉及到的學(xué)科包括：機(jī)械加工技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、電子技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等等，所以移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展使得各門(mén)科學(xué)技術(shù)都得到了長(zhǎng)遠(yuǎn)的進(jìn)步與發(fā)展，是科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的有力途徑和工具。 2. 智能機(jī)器人有著廣泛的應(yīng)用前景，可以說(shuō)它幾乎滲透到了人類(lèi)社會(huì)所有的領(lǐng)域?？梢灶A(yù)見(jiàn)在未來(lái)的人類(lèi)社會(huì)里，移動(dòng)機(jī)器人將會(huì)出現(xiàn)在我們生活中的每一個(gè)角落，成為時(shí)代發(fā)展的主流。隨著人們生活水平的提高，人類(lèi)對(duì)機(jī)器人的功能也提出了更高的要求，越來(lái)越多的移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)走入了我們的生活，在家里，服務(wù)型的室內(nèi)機(jī)器人可以從事清潔衛(wèi)生、園藝、垃圾處理、家庭護(hù)理與服務(wù)等作業(yè)；在醫(yī)院，移動(dòng)機(jī)器人可以從事手術(shù)、化驗(yàn)、助殘、導(dǎo)盲、運(yùn)輸、康復(fù)及病人護(hù)理等作業(yè)；在商場(chǎng)和旅游中，導(dǎo)購(gòu)機(jī)器人、導(dǎo)游機(jī)器人和表演機(jī)器人都使得人類(lèi)生活變得豐富多彩。因此移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)成為未來(lái)社會(huì)非常有潛力的產(chǎn)業(yè)，誰(shuí)可以掌握室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，誰(shuí)就可以引領(lǐng)世界的潮流。 3. 機(jī)器人的發(fā)展是一個(gè)國(guó)家高科技水平和工業(yè)自動(dòng)化程度的重要體現(xiàn)。它實(shí)現(xiàn)了工業(yè)的完全自動(dòng)化，從機(jī)械加工到零件的裝配，甚至連工藝的設(shè)計(jì)都由工業(yè)機(jī)器人完成。機(jī)器人帶動(dòng)了工業(yè)技術(shù)的革新，社會(huì)的發(fā)展以及其他領(lǐng)域的革命。當(dāng)今社會(huì)，機(jī)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(lèi)的生活方式，因此完全可以說(shuō)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了整個(gè)人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展。 綜上所述，我國(guó)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究面臨著很大的挑戰(zhàn)，必須加大對(duì)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用才能走在時(shí)代的前列。 1.2 智能機(jī)器人的發(fā)展 1.2.1智能機(jī)器人的定義 自機(jī)器人問(wèn)世以來(lái)，人們就很難對(duì)機(jī)器人下一個(gè)準(zhǔn)確的定義，歐美國(guó)家認(rèn)為機(jī)器人應(yīng)該是“由計(jì)算機(jī)控制的通過(guò)編程具有可以變更的多功能的自動(dòng)機(jī)械；”日本學(xué)者認(rèn)為“機(jī)器人就是任何高級(jí)的自動(dòng)機(jī)械；”我國(guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)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(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器?！蹦壳皣?guó)際上對(duì)機(jī)器人的概念已經(jīng)漸趨一致，聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)于1979年給機(jī)器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來(lái)搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動(dòng)作的專(zhuān)門(mén)系統(tǒng)。”概括說(shuō)來(lái)，機(jī)器人是靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。 1.2.2 國(guó)外機(jī)器人的發(fā)展 智能機(jī)器人的研究可以追溯到20世紀(jì)60年代【2】，在1966至1972年間,美國(guó)斯坦福研究院的和Charles等人研制的機(jī)器人，身高1.5米，是歷史上第一個(gè)由計(jì)算機(jī)控制的自主式智能移動(dòng)機(jī)器人。它由遠(yuǎn)程大型計(jì)算機(jī)控制，帶有視覺(jué)傳感器和觸覺(jué)傳感器，在室內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境中可以完成從一個(gè)地點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)地點(diǎn)，以及檢測(cè)障礙物并移動(dòng)障礙物到指定地點(diǎn)的任務(wù)。它的出現(xiàn)標(biāo)志著智能機(jī)器人研究的正式開(kāi)始。 1970年前蘇聯(lián)月球17號(hào)探測(cè)器把世界第一個(gè)無(wú)人駕駛的月球車(chē)送去月球，月球車(chē)行駛0.5公里，考察了8萬(wàn)平方米的月面。后來(lái)的月球車(chē)行駛37公里，向地球發(fā)回88幅月面全景圖。在同一時(shí)代，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室也研制了月球車(chē)(圖1-2),應(yīng)用于行星探測(cè)的研究。采用了攝像機(jī)，激光測(cè)距儀以及觸覺(jué)傳感器。機(jī)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(lèi)型區(qū)域。 圖1-2 月球車(chē) 1973年到1979年，斯坦福大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室研制了CART移動(dòng)機(jī)器人，CART可以自主地在辦公室環(huán)境運(yùn)行。CART每移動(dòng)1米，就停下來(lái)通過(guò)攝像機(jī)的圖片對(duì)環(huán)境進(jìn)行分析，規(guī)劃下一步的運(yùn)行路徑。由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)性能的限制，CART每一次規(guī)劃都需要耗時(shí)約15分鐘。CMU Rover由卡耐基梅隆大學(xué)機(jī)器人學(xué)研究所在1981年開(kāi)始研制，它具有12個(gè)微處理器來(lái)處理實(shí)時(shí)任務(wù)，一個(gè)大型的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過(guò)遙控方式來(lái)進(jìn)行復(fù)雜規(guī)劃與環(huán)境分析，并通過(guò)聲納傳感器與視覺(jué)傳感器來(lái)探測(cè)環(huán)境中的障礙。 由于計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度、傳感器感知能力的限制，這些移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制性能不佳。每自主前進(jìn)一步都需要停下來(lái)花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，因此在實(shí)際應(yīng)用中通常采取遙控的方式。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人的感知、決策能力也獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。到了1994年，卡耐基梅隆大學(xué)機(jī)器人學(xué)研究所開(kāi)發(fā)了Dante II，這是一個(gè)8足的移動(dòng)機(jī)器人。在1994年4月，該機(jī)器人通過(guò)衛(wèi)星通訊與Internet相連，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)由NASA的研究組、卡耐基梅隆大學(xué)以及阿拉斯加火山觀測(cè)所的科研人員控制Dante進(jìn)行阿拉斯加火山口觀測(cè)，并收集了火山口噴出的氣體樣本。 1.2.3 國(guó)內(nèi)機(jī)器人的發(fā)展 國(guó)內(nèi)有關(guān)移動(dòng)機(jī)器人研究的起步較晚，“八五”期間研制了ATB-1，即軍用智能機(jī)器人平臺(tái)【3】，由浙江大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、清華大學(xué)、北京理工 大學(xué)、南京理工大學(xué)聯(lián)合研制?！熬盼濉逼陂g又研制了軍用“智能機(jī)器人平臺(tái)2號(hào)”，道路自主駕駛的最高速度為74Km/h。 在國(guó)家“十五”863計(jì)劃中，展開(kāi)了一系列的有關(guān)智能機(jī)器人方面的研究。在危險(xiǎn)環(huán)境下作業(yè)移動(dòng)機(jī)器人、基于復(fù)合結(jié)構(gòu)的非結(jié)構(gòu)環(huán)境應(yīng)用的移動(dòng)機(jī)器人、高機(jī)動(dòng)性越障機(jī)器人、多足仿生機(jī)器人、仿人形機(jī)器人等研究項(xiàng)目取得了眾多的成果。國(guó)防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、中科院自動(dòng)化研究所、沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所等正在開(kāi)展有關(guān)月球探測(cè)自主機(jī)器人的相關(guān)研究。在863專(zhuān)項(xiàng)支持下，清華大學(xué)開(kāi)發(fā)了多功能室外智能移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、上海交通大學(xué)研制了移動(dòng)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)以及Frontier-ITM等。211A MCTB采用了關(guān)節(jié)輪式移動(dòng)結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的越障能力。Frontier-ITM自主移動(dòng)機(jī)器人作為中國(guó)大學(xué)的參賽隊(duì)首次參加了Robocop中型組比賽。CASIA-1是中科院自動(dòng)化所研制的集多種傳感器、視覺(jué)、語(yǔ)音識(shí)別與會(huì)話功能于一體的智能移動(dòng)機(jī)器人。沈陽(yáng)自動(dòng)化所研制的自行輸送小車(chē)已投入生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，此外還研制了“多功能排險(xiǎn)防暴機(jī)器人”和“蛇形機(jī)器人”。 2003年國(guó)防科技大學(xué)賀漢根教授主持研制的無(wú)人駕駛車(chē)采用了四層遞階控制體系結(jié)構(gòu)以及機(jī)器學(xué)習(xí)等智能控制算法，在高速公路上達(dá)到了130Km/h的穩(wěn)定時(shí)速，最高時(shí)速170Km/h，而且具備了自主超車(chē)功能，這些技術(shù)指標(biāo)均處于世界領(lǐng)先的地位。 這一系列的成就推動(dòng)了我國(guó)移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，縮短了與國(guó)外先進(jìn)水平的差距，而且在某些領(lǐng)域也取得了國(guó)際領(lǐng)先的成果，己經(jīng)成為我國(guó)機(jī)器人應(yīng)用的一個(gè)突出領(lǐng)域。 2設(shè)計(jì)任務(wù)以及方案的討論 2.1設(shè)計(jì)任務(wù)概述 設(shè)計(jì)一個(gè)智能機(jī)器人，使該機(jī)器人能通過(guò)視覺(jué)傳感器實(shí)現(xiàn)路徑識(shí)別，并能對(duì)小車(chē)的速度進(jìn)行控制，使小車(chē)能按照任意給定的黑色引導(dǎo)線平穩(wěn)地尋跡。 圖2-1 2.2 視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 智能車(chē)系統(tǒng)以迅猛發(fā)展的汽車(chē)電子為背景，涵蓋了控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科；主要由路徑識(shí)別、角度控制及車(chē)速控制等功能模塊組成。一般而言，智能車(chē)系統(tǒng)要求小車(chē)在白色的場(chǎng)地上，通過(guò)控制小車(chē)的轉(zhuǎn)向角和車(chē)速，使小車(chē)能自動(dòng)地沿著一條任意給定的黑色帶狀引導(dǎo)線行駛。 2.2.1 動(dòng)力源的論證與選擇 方案1：步進(jìn)電機(jī)【4】 方案2：直流電機(jī) 方案3：交流電機(jī) 優(yōu)缺點(diǎn)比較： 方案1 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距腳。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專(zhuān)業(yè)知識(shí)。 方案2 交流電機(jī)分為同步電機(jī)與異步電機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)按照定子相數(shù)的不同分為單項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)、兩相異步電動(dòng)機(jī)和三相異步電動(dòng)機(jī)。三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。同步電動(dòng)機(jī)的主要運(yùn)行方式有三種，可以作為發(fā)電機(jī)，電動(dòng)機(jī)，和補(bǔ)償機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)主要用來(lái)發(fā)電。作為電動(dòng)機(jī)使用時(shí)可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)，在不需要調(diào)速的情況下可以提高運(yùn)行效率。作為補(bǔ)償機(jī)器時(shí)，改變勵(lì)磁電流可以改善電網(wǎng)功率因數(shù)，調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓。然而交流電機(jī)必須攜帶電源線，這對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)不太方便并且由于機(jī)器人在行駛過(guò)程中需要對(duì)速度進(jìn)行調(diào)整，而交流電機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)速度的變換。 方案3 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(chē)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。 最終方案：綜上所述，本次設(shè)計(jì)選用直流電機(jī)。 2.2.2 運(yùn)動(dòng)方式的選擇 方案1：常用的汽車(chē)結(jié)構(gòu)——四輪機(jī)構(gòu) 方案2：履帶式結(jié)構(gòu)【5】 優(yōu)缺點(diǎn)的比較： 方案1 四輪結(jié)構(gòu)是一個(gè)馬達(dá)作為動(dòng)力，通過(guò)變速箱驅(qū)動(dòng)后輪；另一個(gè)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)向輪來(lái)決定行駛方向。優(yōu)點(diǎn)是在直道行駛速度較快、 方向和速度相互獨(dú)立。 缺點(diǎn)為轉(zhuǎn)彎半徑大、驅(qū)動(dòng)輪易打滑、導(dǎo)向輪方向不易精確控制。 方案2 履帶結(jié)構(gòu)是兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩條履帶。優(yōu)點(diǎn)是可以在原地轉(zhuǎn)動(dòng)；在不平的路面上性能穩(wěn)定，牽引力大。缺點(diǎn)為速度慢、速度和方向不能單獨(dú)控制摩擦力很大； 能量損耗大，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 最終方案：履帶結(jié)構(gòu)能適應(yīng)更為復(fù)雜的環(huán)境，本設(shè)計(jì)使用履帶式結(jié)構(gòu)。 2.2.3電源的論證與選擇 方案1：采用7.2V可充電動(dòng)力電池組。 方案2：采用12V蓄電池為直流電機(jī)供電。 優(yōu)缺點(diǎn)的比較： 方案1 采用7.2V可充電動(dòng)力電池組。動(dòng)力電池組具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力及穩(wěn)定的電壓輸出性能，經(jīng)測(cè)試在用此種供電方式下，單片機(jī)和傳感器工作穩(wěn)定，直流電機(jī)工作良好，且電池體積較小、可以充電、能夠重復(fù)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(jī)供電，將12V電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其它芯片供電。蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。但是蓄電池的體積過(guò)于龐大，由于車(chē)體在設(shè)計(jì)時(shí)空間有限，在小型電動(dòng)車(chē)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(shè)計(jì)使用7.2V可充電動(dòng)力電池組。 2.2.4 傳動(dòng)方式的選擇 方案1：帶傳動(dòng)【6】 方案2：齒輪傳動(dòng) 優(yōu)缺點(diǎn)的比較： 方案1 帶傳動(dòng)(皮帶傳動(dòng))的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適用于兩軸中心距較大的傳動(dòng)場(chǎng)合;且傳動(dòng)平穩(wěn)無(wú)噪聲,能緩沖、吸振;過(guò)載時(shí)帶將會(huì)在帶輪上打滑,可防止薄弱零部件損壞,起到安全保護(hù)作用;但是不能保證精確的傳動(dòng)比 方案2 齒輪傳動(dòng)能保證瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定,平穩(wěn)性較高,傳遞運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠;傳遞的功率和速度范圍較大且結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠,可實(shí)現(xiàn)較大的傳動(dòng)比;傳動(dòng)效率高,使用壽命長(zhǎng);但是齒輪的制造、安裝要求較高。 最終方案：綜上所述，本設(shè)計(jì)使用方案2。 2.2.5 最終方案： 經(jīng)過(guò)討論，本文決定自制智能機(jī)器人，該智能機(jī)器人使用履帶式結(jié)構(gòu)，用采用7.2V可充電動(dòng)力電池組，使用直流電機(jī)作為機(jī)器人的動(dòng)力源，兩個(gè)直流電機(jī)分別控制兩條履帶輪，通過(guò)控制直流電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)小車(chē)的前進(jìn)，后退以及轉(zhuǎn)向等功能。 2.3視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 2.3.1控制系統(tǒng)的選擇 機(jī)器人的控制系統(tǒng)是智能機(jī)器人的關(guān)鍵，相當(dāng)于人類(lèi)的大腦，而現(xiàn)在比較流行的控制器主要有PLC【7】和單片機(jī)【8】。PLC和單片機(jī)都可以作為機(jī)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(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類(lèi)可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC實(shí)質(zhì)是一種專(zhuān)用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，由CPU、儲(chǔ)存器、電源構(gòu)成。 單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 PLC和單片機(jī)雖然都是控制器，廣泛的應(yīng)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(yīng)用各種中大型生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)控制。 具體包括礦山，煉鋼，機(jī)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?yàn)槠鋬r(jià)格較高，一般都是附加值較高的自動(dòng)控制系統(tǒng)才會(huì)考慮。PLC的特點(diǎn)：可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；硬件配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)；易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎；系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量小，維護(hù)方便，容易改造；體積小，重量輕，能耗低。 2.單片機(jī)控制，目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專(zhuān)用設(shè)備的智能化管理及過(guò)程控制等領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒(méi)有單片機(jī)的蹤跡。單片機(jī)的特點(diǎn)：?jiǎn)纹瑱C(jī)又稱單片微控制器,它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了I/O設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)提供了便利條件，同時(shí)單片機(jī)的成本比PLC略微低廉，綜合考慮本文決定選擇單片機(jī)控制。 單片機(jī)有8位，16位，32位等，這里的位指單片機(jī)CPU每次處理能力,8位是指單片機(jī)一次可以計(jì)算8位數(shù)據(jù),16位是指單片機(jī)一次可以計(jì)算16位數(shù)據(jù),依次類(lèi)推，在此次設(shè)計(jì)中用8位單片機(jī)完全可以完成對(duì)機(jī)器人的控制，因此本文決定選擇8位單片機(jī). 2.3.2控制器的軟件設(shè)計(jì) 在歸納了移動(dòng)機(jī)器人各種運(yùn)動(dòng)行為的基礎(chǔ)上，本文總結(jié)了機(jī)器人的如下運(yùn)動(dòng)方式: 1.啟動(dòng):兩個(gè)電機(jī)啟動(dòng)。 2停止:兩個(gè)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 3.加速:兩個(gè)電機(jī)同時(shí)在現(xiàn)有速度基礎(chǔ)上增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)加速。 4.減速:兩個(gè)電機(jī)同時(shí)在現(xiàn)有速度基礎(chǔ)上減小一個(gè)數(shù)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)減速。 5.轉(zhuǎn)彎:改變一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，完成轉(zhuǎn)彎后作直線運(yùn)動(dòng)。 6.直線運(yùn)動(dòng):兩個(gè)電機(jī)以相同的速度和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。 這些運(yùn)動(dòng)覆蓋了差動(dòng)輪式移動(dòng)系統(tǒng)的所有基本動(dòng)作，通過(guò)一系列電機(jī)控制的組合就可以靈活地控制機(jī)器人完成它所能夠做到的任何動(dòng)作。當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人需要做出某種動(dòng)作時(shí)，車(chē)載機(jī)只須將期望動(dòng)作翻譯為一個(gè)電機(jī)指令序列，發(fā)布給運(yùn)動(dòng)控制器，運(yùn)動(dòng)控制器就可以按部就班地控制機(jī)器人予以完成。 2.4移動(dòng)機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 視覺(jué)是人類(lèi)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(lái)自于眼睛。同樣,視覺(jué)系統(tǒng)也是機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分之一。對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，利用視覺(jué)系統(tǒng)獲取機(jī)器人的外部信息，使機(jī)器人可以自主地規(guī)劃它的行進(jìn)路線，安全到達(dá)目的地并完成指定的工作任務(wù)是機(jī)器人導(dǎo)航研究的重要課題,它對(duì)機(jī)器人的發(fā)展具有重要的意義。 機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)一般包括硬件與軟件兩個(gè)部分【9】,前者是系統(tǒng)的基礎(chǔ),后者主要包括實(shí)現(xiàn)圖像處理的基本算法以及一些實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的接口程序. 在本次設(shè)計(jì)中，采用的是用攝像頭實(shí)時(shí)的采集道路信息，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的內(nèi)部處理，來(lái)控制智能車(chē)的轉(zhuǎn)向和電機(jī)的加減速。由于道路信息比較簡(jiǎn)單，只有黑白兩種顏色，因此本文采用采用AT89C51單片機(jī)作為主控制器。AT89C51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)供給高性價(jià)比的解決方案。且此系列的單片機(jī)可以在線編程、調(diào)試，方便地實(shí)現(xiàn)程序的下載與整機(jī)的調(diào)試。 3 視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1電動(dòng)機(jī)的確定 從機(jī)器人是實(shí)際運(yùn)動(dòng)出發(fā)考慮，機(jī)器人的速度不能太快，否則會(huì)造成控制部分來(lái)不及處理和發(fā)送信號(hào)，電機(jī)【11】不能及時(shí)做出反應(yīng)，機(jī)器人在行進(jìn)的過(guò)程中不能實(shí)現(xiàn)避障功能，碰撞到障礙物而損壞的情況。因此，機(jī)器人的移動(dòng)速度定為V=0.3M/S. 所以機(jī)器人電機(jī)克服摩擦力的功率 P=FV =0.5*20*9.8*0.3 =29.4W 因?yàn)闄C(jī)器人是兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，所以每個(gè)電機(jī)克服摩擦的功率是14.7W，另外考慮到啟動(dòng)加速、上下坡和其他自然因素，因此每個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)的功率定位30W。進(jìn)過(guò)理論和實(shí)踐證實(shí)30W的直流無(wú)算電機(jī)可以驅(qū)動(dòng)總載重為20KG的機(jī)器人。 進(jìn)過(guò)篩選型號(hào)為BL4373DS的直流無(wú)刷電機(jī)最符合設(shè)計(jì)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(zhuǎn)速 200rad 轉(zhuǎn)矩 0.6 N/M 圖3.1 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī) 3.2 減速器的確定 3.2.1 減速箱齒輪的確定 本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人車(chē)輪半徑為80mm，速度約為0.4m/s。機(jī)器人電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為200n/m，車(chē)輪的轉(zhuǎn)速為50n/m。所以總傳動(dòng)比i總為： i總=200n/m：50n/m=4 本文采用兩級(jí)圓柱齒輪減速器進(jìn)行減速【12】，綜合考慮，本文決定用分流式（結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但由于齒輪相對(duì)于軸承對(duì)稱布置，與展開(kāi)式相比載荷沿齒寬分布均勻，軸承受載較均勻。中間軸危險(xiǎn)截面上的轉(zhuǎn)矩只相當(dāng)于軸所傳遞轉(zhuǎn)矩的一半。適用于變載荷的場(chǎng)合。高速級(jí)一般用斜齒，低速級(jí)可用直齒或人字齒）。 減速箱輸出扭矩為: T = 9550W/niη = 95500.04KW/200n/m492% = 7.02 N*M 通過(guò)查找資料,確定減速箱第一級(jí)模數(shù)m=1,傳動(dòng)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α=20 齒寬系數(shù)：Ψ=0.6 名稱 符號(hào) 計(jì)算公式 小齒輪 大齒輪 齒寬 b dΨ 10 9 齒距 p p=π m 3.14 3.14 齒頂高 ha ha=m 1 1 齒根高 hf hf=1.25m 1.25 1.25 齒高 h h=2.25m 2.25 2.25 分度圓直徑 d d=mz 20 80 齒頂圓直徑 da da=m(z+2) 22 82 齒根圓直徑 df df=m(z-2.5) 17.5 77.5 中心距 a a=0.5m(z1+z2) 50 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(qiáng)度條件初步計(jì)算軸的各段直徑，軸計(jì)算載面的直徑為 式中　—軸計(jì)算載面上的彎矩，Nmm; —軸計(jì)算載面上的轉(zhuǎn)矩，Nmm; —將轉(zhuǎn)矩折合成當(dāng)量彎矩的折算系數(shù)，若扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力按脈動(dòng)循環(huán)變化時(shí)，；—軸材料的許多彎曲應(yīng)力，MPa。 　　 當(dāng)所在計(jì)算載面軸段開(kāi)有鍵槽時(shí)，由上式算得的直徑應(yīng)增大3%～5%（開(kāi)一個(gè)鍵槽）或7%～10%（開(kāi)兩個(gè)鍵槽），然后圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑. 通過(guò)如果減速器輸入軸通過(guò)聯(lián)軸器與電動(dòng)機(jī)軸相聯(lián)接，則外伸段軸徑與電動(dòng)機(jī)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(shuō)，減速器輸入軸軸端直徑和電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)軸直徑，mm。 減速器傳動(dòng)中心距為已知，可取減速器從動(dòng)軸危險(xiǎn)截面直徑 式中　　—減速器從動(dòng)軸危險(xiǎn)截面直徑，mm； 　　　　—該級(jí)傳動(dòng)的中心距，mm。 綜合實(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)的軸【13】與軸座之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，從而減少摩擦損失的一種精密的機(jī)械元件，叫滾動(dòng)軸承（rolling bearing）。 滾動(dòng)軸承一般由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)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(dòng)體是借助于保持架均勻的將滾動(dòng)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(dòng)軸承的使用性能和壽命；保持架能使?jié)L動(dòng)體均勻分布，防止?jié)L動(dòng)體脫落，引導(dǎo)滾動(dòng)體旋轉(zhuǎn)起潤(rùn)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(dāng)滾動(dòng)軸承受純軸向載荷時(shí)，一般選用推力軸承；當(dāng)滾動(dòng)軸承受純徑向載荷時(shí)，一般選用深溝球軸承或短圓柱滾子軸承；當(dāng)滾動(dòng)軸承受純徑向載荷的同時(shí)，還有不大的軸向載荷時(shí)，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(dāng)軸向載荷較大時(shí)，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(shí)尤為適宜。 根據(jù)機(jī)器人的要求及經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的原則，本文決定選擇深溝球軸承. 4 視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1單片機(jī) PIC16F877 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(xiě)，斷電后存儲(chǔ)的內(nèi)容消失；ROM種的信息只能讀不能寫(xiě)。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)。 PIC16F877芯片上集成有： （1）端口RA模塊：是一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)具有3條引腳的輸入/輸出可編程的端口。 （6）定時(shí)器TMR0模塊：是一個(gè)8位寬的可編程的定時(shí)器，也可作為計(jì)數(shù)器使用。 （7）定時(shí)器TMR1模塊：是一個(gè)16位寬的可編程的定時(shí)器，也可作為計(jì)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(shí)現(xiàn)捕捉和比較功能。 （8）定時(shí)器TMR2模塊：是一個(gè)8位寬的可編程的定時(shí)器，也可作為計(jì)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(shí)現(xiàn)捕捉和比較功能。 （9）EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：是2568的電可擦寫(xiě)的存儲(chǔ)器，儲(chǔ)存的內(nèi)容掉電也不會(huì)丟失。 （10）A/D轉(zhuǎn)換器模塊：具有8個(gè)輸入通道和10位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用來(lái)將外部的各種模擬物理量變換為便于單片機(jī)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(gè)幾乎完全相同的CCP模塊，與TMR1和TMR2配合可以實(shí)現(xiàn)輸入捕捉、輸出比較和賣(mài)出調(diào)制輸出功能。輸入捕捉功能可以用于測(cè)量信號(hào)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(fù)方波脈沖信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)可控硅、續(xù)電器等；脈寬調(diào)制輸出功能用來(lái)產(chǎn)生周期和脈沖可調(diào)的周期性方波信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)可驅(qū)動(dòng)可控硅、步進(jìn)電機(jī)等。 （12）通用同步/異步發(fā)生器USART模塊：用于實(shí)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(lái)與具有SPI和IC串行端口的外接器件或者其他單片機(jī)進(jìn)行通信。 （14）并行從動(dòng)端口PSP模塊：可以用來(lái)與其他具有開(kāi)放總線的單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器或微處理器的并行數(shù)據(jù)連接，進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)傳輸和交換。 4.2 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的精密執(zhí)行元件，由于步進(jìn)電機(jī)具有控制方便、體積小等特點(diǎn)，所以在數(shù)控系統(tǒng)、自動(dòng)生產(chǎn)線、自動(dòng)化儀表、繪圖機(jī)和計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。微電子學(xué)的迅速發(fā)展和微型計(jì)算機(jī)的普及與應(yīng)用，為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊前景，使得以往用硬件電路構(gòu)成的龐大復(fù)雜的控制器得以用軟件實(shí)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(chǎng)上有很多現(xiàn)成的步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)構(gòu)，但價(jià)格都偏高。應(yīng)用SGS公司推出的L297和L298兩芯片可方便的組成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，并結(jié)合AT89C52單片機(jī)進(jìn)行控制，即可以實(shí)現(xiàn)用相對(duì)便宜的價(jià)格組成一個(gè)性能不錯(cuò)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。 由于步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)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(zhuān)用設(shè)備-步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)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(hào)，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(lái)自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過(guò)功率放大器的放大加到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的各項(xiàng)輸人端，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。環(huán)形分配器主要有兩大類(lèi)：一類(lèi)是用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的方法實(shí)現(xiàn)環(huán)分器要求的功能，通常稱軟環(huán)形分配器。另一類(lèi)是用硬件構(gòu)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(duì)環(huán)形分配器的較小輸出信號(hào)進(jìn)行放大.以達(dá)到驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)目的。 現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度； 混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛 步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)： 1．一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。 2．步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。 步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來(lái)講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。 3．步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 4．步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。 步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲? 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)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(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。 4.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器、線圈等電感性負(fù)載;采用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)控制;具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作:有一個(gè)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(cè)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(dòng)電壓Vs可達(dá)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(dòng)電流可達(dá)3A，正常工作電流為2A，總驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)4A; (4)響應(yīng)速度快 (5)提供過(guò)溫保護(hù)，工作溫度范圍可達(dá)-25℃～130℃正常工作溫度為13℃～35℃。溫度過(guò)高或溫度過(guò)低時(shí)，芯片均會(huì)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3-1所示。 圖4-1 LM298典型應(yīng)用 4.4開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器LM7805 LM7805【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(shè)備中。其穩(wěn)壓器均有內(nèi)部過(guò)流、熱過(guò)載和輸出晶體管安全區(qū)保護(hù)功能，電路安全可靠。 雖然穩(wěn)壓器按國(guó)定的穩(wěn)壓設(shè)計(jì)，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。 5 移動(dòng)機(jī)器人的視覺(jué)算法 5.1圖像的采集 所謂圖像采集【15】是指機(jī)器人視覺(jué)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(jué)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)像素中，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)像素都會(huì)鄰接一個(gè)放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，用類(lèi)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12~18V；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(jiàn)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(jué)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)=0.30R+0.59G+0.11B 其中：RGB表示彩色圖像的三個(gè)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(jué)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(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，33模板、55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?chē)拇?，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)境中的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。 結(jié)論 經(jīng)過(guò)兩個(gè)多月的努力，基于視覺(jué)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(xiě)論文是一個(gè)不斷學(xué)習(xí)的過(guò)程，從最初剛寫(xiě)論文時(shí)對(duì)各種問(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，真正做到理論與實(shí)踐相結(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 當(dāng)我寫(xiě)完這篇畢業(yè)論文的時(shí)候，有一種如釋重負(fù)的感覺(jué)，在經(jīng)歷了找工作的焦灼、寫(xiě)論文的煎熬之后，感覺(jué)好像一切都?jí)m埃落定，想起了那句傷感的歌詞：“Time to say goodbye.”即將給自己的學(xué)生時(shí)代和校園生活劃上一個(gè)分號(hào)，之所以說(shuō)它是分號(hào)，是因?yàn)槲覍?duì)無(wú)憂無(wú)慮的學(xué)生生活還有無(wú)比的懷念，對(duì)單純美好的校園生活還有無(wú)比的向往。這只是我生命中的一個(gè)路口，并不是終點(diǎn)，我始終相信青春不會(huì)散場(chǎng)，堅(jiān)信有一天會(huì)重返校園，以學(xué)生或老師的身份去延續(xù)這種快樂(lè)和幸福。 感謝我的母?！绕涫菣C(jī)電系所有的老師們,在這片凈土讀書(shū)三載，無(wú)形中塑造了我生命的氣質(zhì)、生活的方式，也練就了我樂(lè)觀的心態(tài)和一顆感恩的心。尊敬的李老師無(wú)論是為人還是為學(xué)都是我生活上和學(xué)術(shù)上的引路人，感激之情無(wú)以言表，只能在日后的工作和學(xué)習(xí)中踏實(shí)做人、勤奮做事，做出一番成績(jī)來(lái)回報(bào)他對(duì)我的恩惠。宿舍同學(xué)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(shí)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(jié)識(shí)的朋友們。他們不僅在學(xué)術(shù)上給予我指點(diǎn)，同時(shí)也是我生活中一起同行的人，在交往的過(guò)程中我們建立信任、彼此鼓勵(lì)、互相支持與幫助。 當(dāng)然，在我求學(xué)期間，還要感謝我深?lèi)?ài)的父母親一直以來(lái)對(duì)我無(wú)怨無(wú)悔的付出、支持、關(guān)愛(ài)、尊重和信任，在我學(xué)習(xí)、生活、感情、工作上遇到困難時(shí)，是您們幫我抵御風(fēng)霜，謝謝您們。我是幸運(yùn)而幸福的，我知足并且義無(wú)反顧的在大家的關(guān)愛(ài)下堅(jiān)持自己的信念和理想一路前行。參考文獻(xiàn) [1] 日本機(jī)器人學(xué)會(huì) 新版機(jī)器人技術(shù)手冊(cè)(精) 第2版 北京： 科學(xué)出版社 2008 [2] 董克 劉明瑞 機(jī)器人與人工智能發(fā)展 第1版 上海：上海交通大學(xué)出版社 2004 [3]李亦非 崔向紅 走近機(jī)器人 第1版 北京： 北京師范大學(xué)出版集團(tuán)，北京師范大學(xué)出版社 2009 [4]查普曼 電機(jī)原理及驅(qū)動(dòng):電機(jī)學(xué)基礎(chǔ) 第1版 北京：清華大學(xué)出版社 2008 [5]中華人民共和國(guó)發(fā)展與改革委員會(huì) 中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 第1版 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2008 [6]天津電氣傳動(dòng)研究所 電氣傳動(dòng)自動(dòng)化手冊(cè) 第1版 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006 [7] 陳忠平 周少華 侯玉寶 plc自學(xué)手冊(cè) 第1版 人民郵電出版社 2009 [8]張迎新 單片機(jī)初級(jí)教程:單片機(jī)基礎(chǔ) 第2版 北京：北京航空航天大學(xué)出版社 2006 [9]