基于視覺的移動機器人設計與分析
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說明書
摘 要
移動機器人是機器人學一個重要分支，且隨著相關技術的迅速發(fā)展，它正向著智能化和多樣化方向發(fā)展，應用廣泛，幾乎滲透所有領域。隨著機器人技術和人工智能技術的發(fā)展，如何讓多個機器人相互協(xié)調(diào)、配合來共同完成任務，即實現(xiàn)多機器人合作系統(tǒng)，已經(jīng)成為新的研究熱點。作為多機器人合作系統(tǒng)的研究和實驗模型，尋跡機器人系統(tǒng)是一個多學科交叉的前沿領域，它涉及到機器人學、智能控制技術、通信技術、計算機技術、傳感器技術、圖像處理和人工智能等方向，正在成為國內(nèi)外許多大學研究、比賽和交流的公共實驗平臺。近年來人們對它的研究有了更大的關注。
本次設計的研究內(nèi)容就是基于視覺導航的輪式移動機器人，以尋跡機器人為研究模型，其核心內(nèi)容是應用單片機控制直流電機實現(xiàn)機器人的智能控制，采用視覺傳感器解決移動機器人的定位問題，實現(xiàn)機器人在給定環(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的運動控制。
內(nèi)容包括：
1.機械結構設計：機器人采用兩輪獨立驅動的三輪結構，動力源采用直流無刷電機，減速和傳動裝置采用齒輪傳動，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(chǎn)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：利用視覺傳感器收集圖像，送至上位機進行圖像處理。
關鍵詞：移動機器人；單片機；運動控制 ；視覺傳感器；圖像處理
II
Abstract
Mobile 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 self's 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 robot's 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 錄
摘 要 I
1 緒論 1
1.1 機器人的研究背景 1
1.2 機器人的研究意義 1
1.3 機器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景 錯誤！未定義書簽。
2 機器人設計方案的確定 5
2.1 機械部分 5
2.2 控制部分的確定 5
2.3 移動機器人傳感器類型的確定 5
3 機器人的機械部分的設計與計算 6
3.1 參數(shù)的確定 6
3.2 減速系統(tǒng)的設計 7
4 視覺機器人的運動及控制系統(tǒng)的設計 18
4.1 機器人的運動學模型 18
4.2 直流無刷電機驅動器 21
4.3 單片機控制 21
5 機器人的視覺系統(tǒng)的設計 22
5.1 圖像的采集 22
5.2 圖像的與處理 22
結 論 25
致 謝 26
參考文獻 27
附 錄 28
1 緒論
1.1 機器人的研究背景
“機器人”一詞出自捷克文，意為勞役或苦工。1920年，捷克斯洛伐克小說家、劇作家恰佩克在他寫的科學幻想戲劇《羅素姆萬能機器人》中第一次使用了機器人一詞。此后被歐洲各國語言所吸收而成為專門名詞。
20世紀50年代末，美國在機械手和操作機的基礎上，采用伺服機構和自動控制等技術，研制出有通用性的獨立的工業(yè)用自動操作裝置，并將其稱為工業(yè)機器人；60年代初，美國研制成功兩種工業(yè)機器人，并很快地在工業(yè)生產(chǎn)中得到應用；1969年，美國通用汽車公司用21臺工業(yè)機器人組成了焊接轎車車身的自動生產(chǎn)線。此后，各工業(yè)發(fā)達國家都很重視研制和應用工業(yè)機器人。
機器人技術的發(fā)展，它應該說是一個科學技術發(fā)展共同的一個綜合性的結果，同時，為社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了一個重大影響的一門科學技術，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中各國加強了經(jīng)濟的投入，就加強了本國的經(jīng)濟的發(fā)展。比如說日本，戰(zhàn)后以后開始進行汽車的工業(yè)，那么這時候由于它人力的缺乏，它迫切需要一種機器人來進行大批量的制造，提高生產(chǎn)效率降低人的勞動強度，這是從社會發(fā)展需求本身的一個需求。另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結果，也是人類自身發(fā)展的必然結果，那么人類的發(fā)展隨著人們逐漸的這種社會發(fā)展的情況，人們越來越不斷探討自然過程中，在改造自然過程中，認識自然過程中,來需求能夠解放人的一種奴隸。那么這種奴隸就是代替人們?nèi)ツ軌驈氖聫碗s和繁重的體力勞動，實現(xiàn)人們對不可達世界的認識和改造，這也是人們在科技發(fā)展過程中的一個客觀需要。但另一方面，盡管人們有各種各樣的好的想法，但是它也歸功于電子技術，計算機技術以及制造技術等相關技術的發(fā)展而產(chǎn)生了提供了強大的技術保證。
1.2 機器人的研究意義
由于工業(yè)機器人具有一定的通用性和適應性，能適應多品種中、小批量的生產(chǎn)，70年代起，常與數(shù)字控制機床結合在一起，成為柔性制造單元或柔性制造系統(tǒng)的組成部分。工業(yè)機器人按執(zhí)行機構運動的控制機能可分點位型和連續(xù)軌跡型。點位型只控制執(zhí)行機構由一點到另一點的準確定位，適用于機床上下料、點焊和一般搬運、裝卸等作業(yè)；連續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機構按給定軌跡運動，適用于連續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。具有觸覺、力覺或簡單的視覺的工業(yè)機器人，能在較為復雜的環(huán)境下工作；如具有識別功能或更進一步增加自適應、自學習功能，即成為智能型工業(yè)機器人。它能按照人給的“宏指令”自選或自編程序去適應環(huán)境，并自動完成更為復雜的工作。為什么要發(fā)展機器人?簡單說，機器人有三個方面是我們必要去發(fā)展的理由:一個是機器人干人不愿意干的事，把人從有毒的、有害的、高溫的或危險的，這樣的環(huán)境中解放出來，同時機器人可以干不好干的活，比方說在汽車生產(chǎn)線上我們看到工人天天拿著一百多公斤的焊鉗,一天焊幾千個點，就重復性的勞動，一方面他很累，但是產(chǎn)品的質(zhì)量仍然很低；另一方面機器人干人干不了的活，這也是非常重要的機器人發(fā)展的一個理由，比方說人們對太空的認識，人上不去的時候，叫機器人上天，上月球，以及到海洋，進入到人體的小機器人，以及在微觀環(huán)境下，對原子分子進行搬遷的機器人，都是人們不可達的工作。上述方面的三個問題，也就是說機器人發(fā)展的三個理由。
1.3 機器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景
1.3.1機器人的研究現(xiàn)狀
1939年美國紐約世博會上展出了西屋電氣公司制造的家用機器人Elektro。它由電纜控制,可以行走,會說77個字,甚至可以抽煙,不過離真正干家務活還差得遠。但它讓人們對家用機器人的憧憬變得更加具體。
1942年美國科幻巨匠阿西莫夫提出"機器人三定律"。雖然這只是科幻小說里的創(chuàng)造,但后來成為學術界默認的研發(fā)原則。
1948年諾伯特·維納出版《控制論》,闡述了機器中的通信和控制機能與人的神經(jīng)、感覺機能的共同規(guī)律,率先提出以計算機為核心的自動化工廠。
1954年美國人喬治·德沃爾制造出世界上第一臺可編程的機器人,并注冊了專利。這種機械手能按照不同的程序從事不同的工作,因此具有通用性和靈活性。
1956年在達特茅斯會議上,馬文·明斯基提出了他對智能機器的看法:智能機器"能夠創(chuàng)建周圍環(huán)境的抽象模型,如果遇到問題,能夠從抽象模型中尋找解決方法"。這個定義影響到以后30年智能機器人的研究方向。
1959年德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫·英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。隨后,成立了世界上第一家機器人制造工廠--Unimation公司。由于英格伯格對工業(yè)機器人的研發(fā)和宣傳,他也被稱為"工業(yè)機器人之父"。
1962年美國AMF公司生產(chǎn)出"VERSTRAN"(意思是萬能搬運),與Unimation公司生產(chǎn)的Unimate一樣成為真正商業(yè)化的工業(yè)機器人,并出口到世界各國,掀起了全世界對機器人和機器人研究的熱潮。
1962年-1963年傳感器的應用提高了機器人的可操作性。人們試著在機器人上安裝各種各樣的傳感器,包括1961年恩斯特采用的觸覺傳感器,托莫維奇和博尼1962年在世界上最早的"靈巧手"上用到了壓力傳感器,而麥卡錫1963年則開始在機器人中加入視覺傳感系統(tǒng),并在1965年,幫助MIT推出了世界上第一個帶有視覺傳感器,能識別并定位積木的機器人系統(tǒng)。
1965年約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室研制出Beast機器人。Beast已經(jīng)能通過聲納系統(tǒng)、光電管等裝置,根據(jù)環(huán)境校正自己的位置。20世紀60年代中期開始,美國麻省理工學院、斯坦福大學、英國愛丁堡大學等陸續(xù)成立了機器人實驗室。美國興起研究第二代帶傳感器、"有感覺"的機器人,并向人工智能進發(fā)。
1968年美國斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機器人Shakey。它帶有視覺傳感器,能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木,不過控制它的計算機有一個房間那么大。Shakey可以算是世界第一臺智能機器人,拉開了第三代機器人研發(fā)的序幕。
1969年日本早稻田大學加藤一郎實驗室研發(fā)出第一臺以雙腳走路的機器人。加藤一郎長期致力于研究仿人機器人,被譽為"仿人機器人之父"。日本專家一向以研發(fā)仿人機器人和娛樂機器人的技術見長,后來更進一步,催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。
1973年世界上第一次機器人和小型計算機攜手合作,就誕生了美國CincinnatiMilacron公司的機器人T3。
1978年美國Unimation公司推出通用工業(yè)機器人PUMA,這標志著工業(yè)機器人技術已經(jīng)完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。
1984年英格伯格再推機器人Helpmate,這種機器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送郵件。同年,他還預言:"我要讓機器人擦地板,做飯,出去幫我洗車,檢查安全"。
1998年丹麥樂高公司推出機器人(Mind-storms)套件,讓機器人制造變得跟搭積木一樣,相對簡單又能任意拼裝,使機器人開始走入個人世界。
1999年日本索尼公司推出犬型機器人愛寶(AIBO),當即銷售一空,從此娛樂機器人成為目前機器人邁進普通家庭的途徑之一。
2002年丹麥iRobot公司推出了吸塵器機器人Roomba,它能避開障礙,自動設計行進路線,還能在電量不足時,自動駛向充電座。Roomba是目前世界上銷量最大、最商業(yè)化的家用機器人。
2006年6月,微軟公司推出MicrosoftRoboticsStudio,機器人模塊化、平臺統(tǒng)一化的趨勢越來越明顯,比爾·蓋茨預言,家用機器人很快將席卷全球。
1.3.2機器人的發(fā)展前景
目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。主要研究內(nèi)容集中在以下10個方面：
1．工業(yè)機器人操作機結構的優(yōu)化設計技術：探索新的高強度輕質(zhì)材料，進一步提高負載/自重比，同時機構向著模塊化、可重構方向發(fā)展。
2．機器人控制技術：重點研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機器人控制器的標準化和網(wǎng)絡化，以及基于PC機網(wǎng)絡式控制器已成為研究熱點。編程技術除進一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實用化將成為研究重點。
3．多傳感系統(tǒng)：為進一步提高機器人的智能和適應性，多種傳感器的使用是其問題解決的關鍵。其研究熱點在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實用化。
4．機器人的結構靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。
5．機器人遙控及監(jiān)控技術，機器人半自主和自主技術，多機器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過網(wǎng)絡建立大范圍內(nèi)的機器人遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下，建立預先顯示進行遙控等。
6．虛擬機器人技術：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術，實現(xiàn)機器人的虛擬遙操作和人機交互。
7．多智能體（multi-agent）調(diào)控制技術：這是目前機器人研究的一個嶄新領域。主要對多智能體的群體體系結構、相互間的通信與磋商機理，感知與學習方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進行研究。
8．微型和微小機器人技術（micro/miniature robotics）:這是機器人研究的一個新的領域和重點發(fā)展方向。過去的研究在該領域幾乎是空白，因此該領域研究的進展將會引起機器人技術的一場革命，并且對社會進步和人類活動的各個方面產(chǎn)生不可估量的影響，微小型機器人技術的研究主要集中在系統(tǒng)結構、運動方式、控制方法、傳感技術、通信技術以及行走技術等方面。
9．軟機器人技術（soft robotics）:主要用于醫(yī)療、護理、休閑和娛樂場合。傳統(tǒng)機器人設計未考慮與人緊密共處，因此其結構材料多為金屬或硬性材料，軟機器人技術要求其結構、控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機器人意外地與環(huán)境或人碰撞時是安全的，機器人對人是友好的。
10．仿人和仿生技術：這是機器人技術發(fā)展的最高境界，目前僅在某些方面進行一些基礎研究。
27
2 視覺機器人設計方案的確定
2.1 機械部分
2.1.1電機的選擇
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(nèi)部裝有減速齒輪組，所以并不需要考慮調(diào)速功能，很方便的就可以實現(xiàn)通過單片機對直流減速電機前進、后退、停止等操作。而且無刷直流電機采用方波電流供電，所用電機的轉矩/體積比更高。無刷直流電機結構更簡單、制造成本更低。無刷直流電機產(chǎn)生方波電壓和電流的變頻器比產(chǎn)生正弦波電壓和電流的變頻器簡單， 所以本次設計使用直流無刷電機。
2.1.2傳動裝置的確定
齒輪傳動主要用于中心距較小的兩平行軸或交叉軸間的傳動，傳動效率高，結構緊湊，其瞬時傳動比和平均傳動比在傳動中都保持不變，特別適于尺寸有限制的減速裝置中。綜上所訴，齒輪傳動更適于小型移動機器人的傳動裝置，由于小車底盤的尺寸限制，齒輪更適于做移動機器人的減速傳動裝置。所以在本次設計中采用兩級展開式圓柱齒輪減速器。
2.2 控制部分的確定
目前，各種機器人的運動控制系統(tǒng)主要是用單片機或PLC做主要的控制器，也有一些智能化程度很高的機器人是用性能較高的PC機進行實時控制。 基于視覺的移動機器人鑒于其功能的單一性和簡單性，其控制部分不需要用性能相對較高的微處理器，單片機或PLC就可以完全滿足其控制需要，由于單片機體積小使用方便、經(jīng)濟、能耗低并且靈活性比較高，所以本設計以單片機為控制核心，來實現(xiàn)小車的智能化。
2.3 移動機器人傳感器類型的確定
設計要求是基于視覺的移動機器人，所以本設計采用視覺攝像頭作為傳感器。視覺傳感器得到地面圖像，將圖像進行視覺處理，使小車可以在白色地板上循黑線行走，完成一個基于視覺的尋跡機器人的視覺系統(tǒng)設計。
3 機器人機械部分的設計與計算
3.1 參數(shù)的確定
已知條件：智能小車車輪轉速0.471m/s
車輪工作阻力F=44.1N
車輪直徑 150mm
3.1.1計算電機所需功率
查機械設計手冊得：
每對軸承傳動效率：0.99
圓柱齒輪的傳動效率：0.97
聯(lián)軸器的傳動效率：0.99
說明：電機至工作機之間的傳動裝置的總效率：
3.1.2確定電機轉速
查指導書：取圓柱齒輪傳動比i=3-6
二級圓柱齒輪減速器傳動比i=9-36所以電動機轉速的可選范圍是：
540~2160 r/min
符合這一范圍的轉速有：600 r/min、800 r/min、1000 r/min、1500 r/min、2000 r/min、3000 r/min
對應轉矩分別為：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 電機參數(shù)
電動機型號
額定功率
額定轉速r/min
總傳動比
FB-60K03151RS
30W
1500
25
3.1.3確定傳動裝置的總傳動比和分配傳動比
總傳動比：
分配傳動比：
=1.2經(jīng)計算
注：為高速級傳動比，為低速級傳動比。
3.1.4計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)
將傳動裝置各軸由高速到低速依次定為1軸、2軸、3軸
——依次為電機與軸1，軸2，軸3的傳動效率。
各軸轉速：
各軸輸入功率： =29.7 w
=28.5 w
=27.4 w
各軸輸入轉矩：
=0.191
=0.189
=0.993
=4.361
表3.2 各軸運動參數(shù)
軸名
功率P W
轉矩T
轉速n r/min
1軸
29.7
0.189
1500
2軸
28.5
0.993
274
3軸
27.4
4.361
60
3.2 減速系統(tǒng)的設計
3.2.1齒輪的設計
3.2.1.1高速級大小齒輪的計算
材料：由于小車載荷不是很大，高速級小齒輪選用40Cr鋼調(diào)質(zhì)，齒面硬度為280HBS。高速級大齒輪選用鋼調(diào)質(zhì)，齒面硬度為240HBS，二者硬度差為10HBS。
齒數(shù)：小齒輪齒數(shù)24大齒輪齒數(shù)采用閉式軟齒面，齒輪精度選7級，失效形式為點蝕。
（1）按齒面接觸疲勞強度計算，按齒根彎曲疲勞強度校核：
由設計計算公式進行試算
（2）確定公式內(nèi)各計算數(shù)值：
1）
2）7級精度制造，試選載荷系數(shù)，按表選取齒寬系數(shù)
3）由設計手冊查得：材料的彈性影響系數(shù)：
4）由設計手冊按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限；大齒輪的齒面接觸疲勞強度極限
5）計算應力循環(huán)次數(shù)
6）由設計手冊查取接觸疲勞壽命系數(shù)：
7）計算接觸疲勞許用應力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，查設計手冊得：
（3）計算得：
1）試算小齒輪分度圓直徑，帶入較小值。
=7.827mm
2）計算圓周速度
3）計算齒寬
4）計算齒寬與齒高之比
5）載荷系數(shù)
由，7級精度，由設計手冊查得動載系數(shù)；直齒輪由表10-2查得使用系數(shù)；設計手冊用插值法查得7級精度，小齒輪相對支承非對稱布置，；查設計手冊得
得出載荷系數(shù)
6）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，得
7）計算模數(shù)
（4）按齒根彎曲強度設計：
（5）確定公式內(nèi)各數(shù)值
1）由設計手冊查得小齒輪的彎曲疲勞強度；
2）由設計手冊取彎曲疲勞壽命系數(shù)；
3）計算彎曲疲勞許用應力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4,設計手冊查的得：
4)計算載荷系數(shù)
5)查取齒形系數(shù)，由設計手冊查得：
6)查取應力校正系數(shù)，由設計手冊查得:
7)計算得
大齒輪的數(shù)值大 取由彎曲強度算得的模數(shù)2.10，就近圓整為標準值0.3,按接觸強度算得的分度圓直徑
算出小齒輪和大齒輪齒數(shù):
(6)幾何尺寸計算
3.2.1.2低速級大小齒輪的計算
材料：因為為低速級傳動,轉速不高,由設計手冊查得小齒輪40Cr大齒輪選用鋼調(diào)質(zhì)，小齒輪用調(diào)質(zhì),為軟齒面,小齒輪齒面硬度為280HBS,大齒輪為240HBS.
齒數(shù)：小齒輪齒數(shù)大齒輪齒數(shù)采用閉式軟齒面，齒輪精度選7級，失效形式為點蝕。
（1）按齒面接觸疲勞強度計算，按齒根彎曲疲勞強度校核。
由設計計算公式進行試算
（2）確定公式內(nèi)各計算數(shù)值：
1）
2）7級精度制造，試選載荷系數(shù)=1.3，按設計手冊選取齒寬系數(shù)
3）由設計手冊查得：材料的彈性影響系數(shù)：
4）由齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限；大齒輪的齒面接觸疲勞強度極限
5）計算應力循環(huán)次數(shù)
6）由設計手冊查取接觸疲勞壽命系數(shù)：
7）計算接觸疲勞許用應力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，得：
（3）計算：
1）試算小齒輪分度圓直徑，帶入較小值：
2）計算圓周速度
3）齒寬
4）齒寬與齒高之比
5）載荷系數(shù)
由，7級精度，由設計手冊查得動載系數(shù)；直齒輪由設計手冊得使用系數(shù)；由表10-4用插值法查得8級精度，小齒輪相對支承非對稱布置，；查設計手冊得。
計算得出載荷系數(shù)
6）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，得
7）計算模數(shù)
（4）按齒根彎曲強度設計：
（5）確定公式內(nèi)各數(shù)值
1）由設計手冊查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限，大齒輪的彎曲強度極限：；
2）由設計手冊查得取彎曲疲勞壽命系數(shù)
；
3）計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4,得
4)計算載荷系數(shù)
5)查取齒形系數(shù)，由設計手冊查得：
6)查取應力校正系數(shù)，由設計手冊查得:
7) 計算得
取由彎曲強度算得的模數(shù)0.4042，就近圓整為標準值0.35,按接觸強度算得的分度圓直徑
算出小齒輪齒數(shù):
(6)幾何尺寸計算
3.2.2軸的設計計算
軸的設計包括軸的結構設計。軸的結構設計是根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理的確定軸的結構形式和尺寸。軸的結構形式的影響因素很多，必須針對不同情況進行具體的分析。但是軸的結構都應該滿足：軸和安裝在軸上的零件要有準確的工作位置；軸上的零件應該便于裝拆和調(diào)整；軸應該具有良好的制造工藝性。
軸的設計，從加工工藝的角度來說，軸的形狀卻是越簡單越好，簡單的軸制造時省工，熱處理不易變形，并有可能減少應力集中。在決定軸的外形時，在保證裝配精度的前提下，既要考慮節(jié)省材料，又要考慮便于加工和裝配。因此實際的軸大多做成階梯型的。
3.2.2.1高速軸的設計計算
1)材料：因為減速器傳遞功率不大, 而且應用載荷平穩(wěn)的場合,對其重量及尺尺寸無特殊要求,選用45號鋼調(diào)質(zhì)處理。查設計手冊得 。
2)各軸段最小直徑的確定：
根據(jù)設計手冊公式得軸的最小直徑：
，
軸的最小直徑是安裝聯(lián)軸器的直徑,選取聯(lián)軸器的型號,半聯(lián)軸器孔徑取長度
3)軸的結構設計
根據(jù)軸向定位要求確定軸的各段直徑和長度
1.段的右段因為要滿足半聯(lián)軸器的軸向定位要求,需制出一段軸肩,半聯(lián)軸器與軸配合的轂空長度,為保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而壓在軸的斷面上,所以1段長度應略短一些,取10mm
2.初選滾動軸承,軸承基本承受徑向力,選深溝球軸承,由直徑選取,型號為624
3.由齒輪的設計條件知,當 時,可與軸設計為一體,為齒輪軸,
4.取軸承端蓋總寬為2,取,由中間軸小齒輪取
得到
5.軸上零件的周向定位,半聯(lián)軸器定位采用平鍵連接,由查設計手冊得選用平鍵,聯(lián)軸器與軸的配合 ，滾動軸承與軸的周向定位有過渡配合來保證的,選軸的尺寸公差m6
6.確定軸上圓角和倒角尺寸：取軸端倒角為
高速軸的結構如下圖：
圖3-1 高速軸
3.2.2.2中間軸的設計計算
1)材料：因為減速器傳遞功率不大, 而且應用載荷平穩(wěn)的場合,對其重量及尺尺寸無特殊要求,選用45號鋼調(diào)質(zhì)處理。查設計手冊 。
2)各軸段直徑的確定：
大齒輪：
小齒輪：
根據(jù)設計手冊公式得軸的最小直徑：
軸的最小直徑是安裝軸承的直徑，選取軸承的型號,選用滾動軸承,選取626深溝球軸承,
3)軸的結構設計
根據(jù)軸向定位要求確定軸的各段直徑和長度
1.考慮到大齒輪和小齒輪的嚙合，取，軸承寬為6，取，套筒的厚為1.5mm
2.由小齒輪寬為15，得，由大齒輪寬為8.4，得
3.經(jīng)中間軸和高速軸比較得，取 2段需要軸肩，取 ，由 取取
得到
4.軸上零件的周向定位,兩齒輪與軸的周向定位采用平鍵連接,由設計手冊查得齒輪選用平鍵,齒輪與軸的配合 ，滾動軸承與軸的周向定位有過渡配合來保證的,選軸的尺寸公差m6
5.確定軸上圓角和倒角尺寸：取軸端倒角為
中間軸結構如下：
圖3-2 中間軸
3.2.2.2低速軸的設計計算
1)材料：因為減速器傳遞功率不大, 而且應用載荷平穩(wěn)的場合,對其重量及尺寸無特殊要求,選用45號鋼調(diào)質(zhì)處理。查設計手冊
2)各軸段直徑的確定：
低速軸的最小直徑：
軸的最小直徑是安裝聯(lián)軸器的直徑,選取聯(lián)軸器的型號, 半聯(lián)軸器孔徑取長度
3)軸的結構設計
根據(jù)軸向定位要求確定軸的各段直徑和長度
1.第5段的右段因為要滿足半聯(lián)軸器的軸向定位要求,需制出一段軸肩,取，半聯(lián)軸器與軸配合的轂空長度,為保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而壓在軸的斷面上,所以5段長度應略短一些,取11mm。
2.初選滾動軸承,軸承基本承受徑向力,選深溝球軸承,由直徑選取,型號為6301
3.取安裝齒輪處軸段, ，齒輪左端與軸承采用套筒定位，齒輪齒寬為14，為使套筒端面壓緊齒輪，取，齒輪右端采用軸肩定位，軸肩高為 寬度L=2mm
4.經(jīng)低速軸與中間軸的齒輪嚙合考慮得，取
5.軸承端蓋總寬為2，取
得到
6.軸上零件的周向定位,半聯(lián)軸器定位采用平鍵連接, 選
段選用，半聯(lián)軸器與軸的配合 ，滾動承與軸的周向定位有過渡配合來保證的,選軸的尺寸公差m6
7.確定軸上圓角和倒角尺寸：取軸端倒角為
低速軸的結構如下：
圖3-3 低速軸
3.2.3減速器機體結構尺寸
表3.3 減速器機體結構尺寸
名稱
符號
結果
箱座厚度
2
箱蓋厚度
2
箱蓋凸緣厚度
5
箱座凸緣厚度
6
箱座底凸緣厚度
M8
地腳螺釘直徑
4
地腳螺釘數(shù)目
4
軸承旁連接螺栓直徑
M4
蓋與座連接螺栓直徑
M4
軸承端蓋螺栓直徑
M2
外箱壁至軸承端面距離
10
大齒輪頂圓與內(nèi)箱壁距離
13
齒輪端面與內(nèi)箱壁距離
8
軸承端蓋外徑
18（1軸）
24（2軸）
36（3軸）
4 視覺機器人的運動及控制系統(tǒng)的設計
控制裝置使用了AT80F51單片機做控制器，通過控制永磁無刷直流電動機的轉速和轉向來確定移動機器人的行進速度和方向。在本文中對無刷直流電動機控制器的硬件電路和軟件程序問題進行了重點設計。采用性能相對較高的AT80F51單片機作為微處理器，用模擬控制技術對電機進行調(diào)速和轉速閉環(huán)控制，使電機在一定范圍內(nèi)能夠進行精確調(diào)速和速度穩(wěn)定控制。通過優(yōu)化設計、軟硬件結合，實現(xiàn)了控制器小型化，提高了控制器可靠性，減小了體積與重量。
4.1 機器人的運動學模型
本文研究的雙輪驅動式移動機器人是由一個圓形移動平臺和兩個獨立驅動的驅動輪與一個萬向輪組成的 。圓形移動平臺上的中心位于兩個獨立的驅動輪的中間，該種機構組成簡單，而且旋轉半徑可從0到無限大，任意設定。當旋轉半徑為0時，由于能繞本體中心旋轉，所以有利于在狹窄場所改變方向，因此針對雙輪驅動式移動機器人運動特點，設計出機器人的控制方法，通過控制兩個驅動輪的驅動力矩，可以實現(xiàn)控制移動機器人沿給定的軌跡運動。
圖4-1 運動簡圖
采用雙輪差分驅動方式的機器人移動平臺如圖4.1所示。對于該平臺做如下假設：
（1）平臺具有剛性外殼，且兩個輪子不變形；
（2）輪面與接觸面垂直并保持點接觸，忽略所有輪厚度對于平臺的運動影響；
（3）輪子與接觸面間不發(fā)生與軸向平行的滑動，而只發(fā)生繞輪軸方向的純滾動；
（4）平臺在二維平面內(nèi)運動； （5）兩個驅動輪具有相同的尺寸，輪軸心連線同平臺的前后運動方向相同
在上述假設下，移動平臺的位姿可由廣義坐標向量q=[xP, yP ,θ]T表示，其中（xP . xP）為平臺參考點P在二維平面內(nèi)的投影坐標，θ為平臺的航向角，即平臺前進方向同坐標系X軸之間的夾角。在圖4.1中，進一步假設兩驅動輪之間的軸間距為d，驅動輪半徑為r，軸間連線的中心點為M，其坐標為（xM , xM）；參考點P同M之間的距離為l，直流|PM|同平臺中軸線之間的夾角為β。則根據(jù)圖4-1可得：
XP=XM+Lcos（＋β） （4-1）
Yp=YM+Lsin（＋β）
對上面兩個方程的左右兩端分別對時間t求導得
（4-2）
對于圖4所示的移動平臺模型，可將兩個驅動輪簡化為居于軸連線中點M處的單個驅動輪，則該虛擬單輪系統(tǒng)所受非完整約束為
（4-3）
結合式2和3可得
(4-4)
即
[sinθ,-cosθ,lcosβ] = 0 (4-5)
該式即為利用參考點P的坐標和航向角θ作為廣義坐標對系統(tǒng)進行描述下的系統(tǒng)所受的非完整運動約束方程。
設左、右兩輪的旋轉速度分別為ωL和ωR,則存在以下關系：
(4-6)
結合式2和6可得
(4-7)
即
(4-8)
式8即為以P為參考點描述下的兩輪差動移動平臺運動模型，其所受的非完整約束方程為式5 。當P選擇為點M時，平臺的運動學模型和約束方程可分別簡化為
(4-9)
和
(4-10)
由上述運動學模型不難看出，移動平臺的廣義坐標向量有三個分類：x，y和θ，而平臺的控制分量只有左右兩個驅動輪的旋轉角速度wL和wR,這是典型的非完整約束問題。平臺在運動過程中，約束方程式4或式10始終滿足，這就意味著平臺運動的瞬時速度方向，同平臺朝向完全相同。平臺方向的改變只能通過兩個輪子之間的速度差值實現(xiàn)，而平臺運動軌跡則由一系列繞瞬時圓心旋轉的小段圓弧組成。該系統(tǒng)的可控性可借助于類似于單輪系統(tǒng)的方式得以證明。
下面討論轉彎半徑R的計算。
根據(jù)式6可知，M點的線速度和角速度分別為
(4-11)
(4-12)
因為vM=wMR,可得平臺M點處的轉彎半徑為
(4-13)
由式13可以看出：當wL=wR時，旋轉角速度，轉彎半徑為無窮大，平臺做前后方向上的直線運動；當wL=-wR時，轉彎半徑等于0，平臺圍繞M點做原地旋轉運動。轉彎半徑可以從0到無窮大變化，這是雙輪獨立驅動的一個顯著特點.
4.2 直流無刷電機驅動器
驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制和調(diào)整轉速。
4.3 單片機控制
單片機是將中央處理器（CPU）、隨機存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、定時器芯片和一些輸入輸出接口電路集成的一個芯片上的微控制器。
中央處理器是單片機的核心，它包括運算器、控制器和寄存器3個主要部分。存儲器按工作方式可分為、隨機存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。RAM可以隨機地被CPU讀寫，斷電后存儲的內(nèi)容消失；ROM種的信息只能讀不能寫。輸入輸出接口是單片機的重要組成部分。程序、數(shù)據(jù)以及外部的所有信息都是通過單片機的I/O端口讀入單片機的。單片機計算的所有結果也都通過I/O輸出到顯示部分或者控制外部其他執(zhí)行機構。
5 移動機器人的圖像處理技術
系統(tǒng)通過圖像傳感器獲取圖像并傳入計算機，由計算機完成圖像處理任務。本文所介紹的設計為簡易機器人添加視覺模塊，并研究了相關算法和策略，實現(xiàn)了自主路徑跟蹤。為了使系統(tǒng)真正做到穩(wěn)定快速，在圖像預處理、路徑識別和路徑跟蹤等各個環(huán)節(jié)都充分考慮到算法的實時性與魯棒性。
本設計中，機器人視覺導航中的圖像處理技術包括：視頻圖像的采集、圖像的預處理、邊緣特征的提取以及直線的擬合算法等等。本章從各個方面對這些圖像處理技術進行了分析和比較，提出最優(yōu)的圖像處理方法，保證機器人在導航中能夠有效、準確、實時地為視覺 算法提供特征信息，并根據(jù)這些特征信息實現(xiàn)機器人的自主巡線移動。
5.1 圖像的采集
所謂圖像采集是指機器人視覺系統(tǒng)獲取數(shù)字視頻圖像的過程,目前用于獲取圖像的視覺傳感器主要有CCD和CMOS兩種，它們都是通過接受外界的激勵而產(chǎn)生響應，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象素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進行放大輸出；而在CMOS傳感器中，每個象素都會鄰接一個放大器及A/D轉換電路，用類似內(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式，感光二極管所產(chǎn)生的電荷會直接由晶體管放大輸出，但CCD傳感器~1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128V；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)=0.30×R+0.59×G+0.11×B
其中：RGB表示彩色圖像的三個不同分量,f(x,y)為得到灰度圖像的灰度值。
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(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(nèi)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3×3模板、5×5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，3×3模板、5×5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(nèi)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(nèi)噪聲點的個數(shù)大于其模板內(nèi)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(nèi)環(huán)境中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。
5.2.3顏色模塊轉化
機器人從視覺傳感器中得到的視頻圖像一般都是模型下的顏色分布,由于它對于燈光的影響過于敏感，所以一般情況下，都是將原始圖像轉換到模型空間中。模型采用的是更加直觀的色彩描述方法 ,由色度, 飽和度 , 亮度 三個分量組成, 其中色度表示不同的顏色, 飽和度表示顏色的深淺, 亮度表示顏色的明暗程度。它符合人眼對顏色的感覺模式，并且顏色模型中的三個坐標是獨立的,非常有利于計算和分析。
顏色模型是三維直角坐標顏色系統(tǒng)中的一個單位正方體，在正方體的主對角線上，各原色的量相等，產(chǎn)生由暗到亮的白色，即灰度。坐標點,,表示的顏色為黑，坐標點,,表示的顏色為白，其余的角點位置分別表示紅、黃、綠、青、藍和品紅。而在顏色模型中，每一種顏色和它的補色相差180度,圓錐的頂面對應于，它包含模型中的，，三個平面，故所代表的顏色較亮。色度是由繞軸的旋轉角確定的。紅色對應于0，綠色對應于120，藍色對應于240。在圓錐的頂點處，和無定義，代表黑色。圓錐的頂面中心處,，無定義，代表白色。，只需對分量進行處理。有效的減少了由于燈光強度不均引起的影響，而且計算量相對要小。
結 論
本文設計了一個基于視覺的機器人系統(tǒng)。系統(tǒng)采用單片機，完成了從視頻采集到視頻處理，最終實現(xiàn)速度和轉向控制的功能。系統(tǒng)沒有采用通用的紅外光電對管，而采用低分辨率攝像頭作為傳感器。由于視頻獲取的路線信息比紅外光電傳感器方案要豐富的多，因此這種低成本的視頻解決方案，使運動控制算法開發(fā)提供很高的靈活性。
經(jīng)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面臨的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(jīng)過實踐考察，對知識的理解不夠明確，通過這次的做，真正做到理論時間相結合。
總之，通過畢業(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
隨著這篇畢業(yè)論文的最后落筆，我四年的大學生活也即將劃上一個圓滿的句號?；貞涍@四年生活的點點滴滴，從入學時對大學生活的無限憧憬到課堂上對各位老師學術學識的深沉沉湎，從奔波于教室圖書館的來去匆匆到業(yè)余生活的五彩繽紛，一切中的一切都是歷歷在目，讓人倍感留戀，倍感珍惜。
四年大學的學習生活注定將成為我人生中的一段重要旅程。四年來，我的師長、我的領導、我的同學給予我的關心和幫助，使我終身收益，我真心地感謝他們。
在本文的撰寫過程中，……老師作為我的指導老師，他治學嚴謹，學識淵博，視野廣闊，為我營造了一種良好的學術氛圍。置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了明確的學術目標，領會了基本的思考方式，掌握了通用的研究方法，而且還明白了許多待人接物與為人處世的道理。其嚴以律己、寬以待人的崇高風范，樸實無華、平易近人的人格魅力，與無微不至、感人至深的人文關懷，令人如沐春風，倍感溫馨。正是由于他在百忙之中多次審閱全文，對細節(jié)進行修改，并為本文的撰寫提供了許多中肯而且寶貴的意見，本文才得以成型。
在此特向……老師致以衷心的謝意！向他無可挑剔的敬業(yè)精神、嚴謹認真的治學態(tài)度、深厚的專業(yè)修養(yǎng)和平易近人的待人方式表示深深的敬意！同時感謝張紅麗老師、孫日坤老師、徐建斌老師等幾年來對我的栽培和教育。
此外，本文參考了大量雜志期刊和專業(yè)叢書，由于參考期刊太多，不能一一注明，敬請原諒并向所有作者和刊物致以誠摯的謝意！由于本人水平有限，紕漏之處在所難免，懇請各位老師不吝賜教。
參考文獻
[1]西格沃特， I·R·諾巴克什. 李人厚. 自主移動機器
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