視覺導航履帶式移動機器人小車的研究設計（含CAD圖紙）
視覺導航履帶式移動機器人小車的研究設計（含CAD圖紙）,視覺,導航,履帶式,移動,機器人,小車,研究,設計,CAD,圖紙
青島理工大學琴島學院本科畢業(yè)設計說明書（論文）
摘 要
本設計的研究內容是視覺導航履帶式移動機器人小車的研究設計，其核心內容是應用單片機控制電機實現(xiàn)機器人小車的左轉彎、右轉彎、前進和停止等動作。
論文內容包括四個部分：簡要介紹了移動機器人研究背景、意義、現(xiàn)狀及發(fā)展前景，視覺導航履帶式移動機器人小車的設計原理及方案，機械部分的結構設計，控制系統(tǒng)設計和視覺系統(tǒng)設計。論文詳細地介紹了移動機器人機械部分的結構設計。
設計小車利用履帶式底盤作為機械裝置，采用雙驅控制，加裝視覺攝像頭、控制電機，編碼器等裝置實現(xiàn)對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制。
主要設計內容包括：
1.機械結構設計：機器人采用兩輪獨立驅動的履帶結構，動力源采用直流無刷電機，減速和傳動裝置采用齒輪傳動，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，運動控制，單片機控制，視覺系統(tǒng)
Abstract
The 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 robot's 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 machine
Key words：Mobile robot, motion control, the single-chip microcomputer control, the visual system
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
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 2
2 視覺機器人設計方案的確定 4
2.1視覺移動機器人機械結構設計方案 4
2.2視覺移動機器人控制系統(tǒng)設計方案 4
2.3移動機器人的視覺系統(tǒng)設計方案 4
3 機器人機械部分的設計與計算 4
3.1電動機的選擇與計算 4
3.2減速器的選擇與計算 4
4機器人控制系統(tǒng)的設計與選型 4
4.1單片機 PIC16F877 4
4.2直流無刷電機 4
4.3開關電壓調節(jié)器LM7805 4
5 移動機器人的圖像處理技術 4
5.1圖像的采集 4
5.2彩色圖像灰度化 4
5.3灰度圖像的平滑處理 4
5.4顏色模型轉換 4
總 結 4
致 謝 4
參考文獻 4
附 錄1 4
附 錄2 4
40
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去能夠從事復雜和繁重的體力勞動，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
1920年捷克斯洛伐克作家卡雷爾·恰佩克在他的科幻小說《羅薩姆的機器人萬能公司》中,根據(jù)Robota(捷克文,原意為"勞役、苦工")和Robotnik(波蘭文,原意為"工人"),創(chuàng)造出"機器人"這個詞。
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)調控制，通過網(wǎng)絡建立大范圍內的機器人遙控系統(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。
2 視覺機器人設計方案的確定
2.1視覺移動機器人機械結構設計方案
2.1.1 動力源的論證與選擇
表2-1不同類型電動機的比較
優(yōu)點
缺點
直流電機
1、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。
2、無刷直流電機結構更簡單、制造成本更低。
3、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，選用無刷直流電機更好。
1.在全磁場狀態(tài)，調電樞電壓，適合應用在0~基速以下范圍內調速。不能達到電機的最高轉速。
2.在電樞全電壓狀態(tài)，調激磁電壓，適合應用在基速以上，弱磁升速。 不能得到電機的較低轉速。
3.在全磁場狀態(tài)，調電樞電壓，電樞全電壓之后，弱磁升速。適合應用在調速范圍大的情況。這是直流電機最完善的調速方式，但設備復雜，造價高。
交流電機
1.可靠性好、結構簡單、體積小、重量輕、動態(tài)響應好；
2.效率高、調速范圍廣、響應頻率高。
帶動慣性負載能力差，一般需用齒輪減速裝置；
交流伺服電動機的多用于中小型數(shù)控機床。
步進電機
1.轉速可以在很寬的范圍內調節(jié)；
2.可以控制電動機的正轉或反轉；
3.沒有累積誤差，結構簡單，使用、維修方便，制造成本低。
效率較低，發(fā)熱大，有時會“失步”。
步進電機適用于中、小型機床和速度精度要求不高的地方。
優(yōu)缺點比較：
方案1 直流減速電機轉動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便， 小車機內部裝有減速齒輪組，所以并不需要考慮調速功能，很方便的就可以實現(xiàn)通過單片機對直流減速電機前進、后退、停止等操作。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，選用無刷直流電機更好。
方案2 交流電機分為同步電機與異步電機。異步電動機按照定子相數(shù)的不同分為單項異步電動機、兩相異步電動機和三相異步電動機。三相異步電動機結構簡單，運行可靠，成本低廉等優(yōu)點，廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。同步電動機的主要運行方式有三種，可以作為發(fā)電機，電動機，和補償機。同步電動機主要用來發(fā)電。作為電動機使用時可以調節(jié)功率因數(shù)，在不需要調速的情況下可以提高運行效率。作為補償機器時，改變勵磁電流可以改善電網(wǎng)功率因數(shù)，調節(jié)電網(wǎng)電壓。然而交流電機必須攜帶電源線，這對于機器人來說不太方便并且由于機器人在行駛過程中需要對速度進行調整，而交流電機無法實現(xiàn)速度的變換。
方案3 步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距腳。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 缺點是效率較低，發(fā)熱大，有時會“失步”。
最終方案：本次設計使用直流無刷電機
2.1.2 運動方式的選擇
方案1：輪式機構
方案2：履帶式結構
優(yōu)缺點的比較：
方案1 輪式結構是一個馬達作為動力，通過變速箱驅動后輪；另一個馬達轉動導向輪來決定行駛方向。優(yōu)點是在直道行駛速度較快、 方向和速度相互獨立。 缺點為轉彎半徑大、驅動輪易打滑、導向輪方向不易精確控制。
方案2 履帶結構是兩個電機分別驅動兩條履帶。優(yōu)點是可以在原地轉動；在不平的路面上性能穩(wěn)定，牽引力大。缺點為速度慢、速度和方向不能單獨控制摩擦力很大； 能量損耗大，機械結構復雜。
最終方案：履帶結構能適應更為復雜的環(huán)境，本次設計選用履帶式結構
2.1.3電源的論證與選擇
由于本系統(tǒng)需要電池供電，我們考慮了如下集中方案為系統(tǒng)供電。
方案1： 采用10節(jié)1.5V干電池供電，電壓達到15V，經(jīng)7812穩(wěn)壓后給支流電機供電，然后將12V電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。但干電池電量有限，使用大量的干電池給系統(tǒng)調試帶來很大的不便，因此，我們放棄了這種方案。
方案2：采用12V蓄電池為直流電機供電，將12V電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。蓄電池具有較強的電流驅動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。雖然蓄電池的體積過于龐大，在小型電動車上使用極為不方便，但由于我們的車體設計時留出了足夠的空間，并且蓄電池的價格比較低。因此我們選擇了此方案。
綜上考慮，我們選擇了方案2
2.1.4 傳動方式的選擇
方案1：帶傳動
方案2：齒輪傳動
優(yōu)缺點的比較：
方案1帶傳動是利用張緊在帶輪上的柔性帶進行運動或動力傳遞的一種機械傳動。根據(jù)傳動原理的不同，有靠帶與帶輪間的摩擦力傳動的摩擦型帶傳動，也有靠帶與帶輪上的齒相互嚙合傳動的同步帶傳動帶傳動具有結構簡單、傳動平穩(wěn)，且其造價低廉、不需潤滑、維護容易等特點。
方案2齒輪傳動是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動力和運動的機械傳動。按齒輪軸線的相對位置分平行軸圓柱齒輪傳動、相交軸圓錐齒輪傳動和交錯軸螺旋齒輪傳動。具有結構緊湊、效率高、壽命長等特點。
表2-2帶傳動與齒輪傳動的比較
優(yōu)點
缺點
帶傳動
1.因為帶有彈性，因此傳動過程中可以起到緩沖和吸震的作用，是傳動平穩(wěn)；
2.當傳動過載時，帶會產(chǎn)生打滑，能防止工件的損壞，從而保護原動機；
帶是靠摩擦進行傳動的，而帶傳動產(chǎn)生的打滑使傳動比不確定，同時代的尺寸較大，傳動效率低
齒輪傳動
1.齒輪傳動的效率高，可達到96%-99%；
2..結構緊湊，比帶傳動和鏈傳動所需空間??；
3.傳動比穩(wěn)定
制造及安裝精度較高，不宜用于傳動比過大的場合；
2.1.5 傳感器的選擇
方案一：使用紅外傳感器導航
任何物質，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對零度），都能輻射紅外線。紅外線傳感器是利用紅外線的物理性質來進行測量的傳感器，紅外線傳感器測量時不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應快等優(yōu)點。但是紅外傳感器在測距和探障過程中易受可見光的影響，特別在一些光線較強以及環(huán)境溫度基本一樣的條件下，其性能下降迅速，此外，使用紅外傳感器還需預先設定好軌跡，不宜于移動機器人的自主移動。
方案二：使用超聲波傳感器導航
超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應。超聲波傳感器應用起來原理簡單，也很方便，成本也很低。但是目前的超聲波傳感器都有一些缺點，比如，反射問題，噪音，交叉問題。
方案三 視覺傳感器
視覺傳感器具有從一整幅圖像捕獲光線的數(shù)以千計的像素的能力，它主要部件就是照相機或攝像機，在捕獲圖像之后，視覺傳感器將其與內存中存儲的基準圖像進行比較，以做出分析。視覺傳感器通常因其精確性、易用性、豐富功能及合理成本而成為最佳選擇。
2.1.6 最終方案：
基于視覺的移動機器人實用履帶式結構，用采用7.2V可充電動力電池組，使用直流無刷電機作為機器人的動力源，利用視覺傳感器采集圖像，通過單片機控制直流電機可以實現(xiàn)小車的前進，后退以及轉向等功能。
2.2視覺移動機器人控制系統(tǒng)設計方案
2.2.1控制系統(tǒng)的選擇
PLC ( Programmable logic Controller)，可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC實質是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，由CPU、儲存器、電源構成。
單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。
PLC和單片機雖然都是控制器，廣泛的應用在控制系統(tǒng)中，但是它們依然具有不同，他們的區(qū)別為：
PLC大部分用在較大型的設備上。因為其價格較高，一般都是附加值較高的自動控制系統(tǒng)才會考慮。PLC的特點：可靠性高，抗干擾能力強；硬件配套齊全，功能完善，適用性強；易學易用，深受工程技術人員歡迎；系統(tǒng)的設計、安裝、調試工作量小，維護方便，容易改造；體積小，重量輕，能耗低。
單片機控制 單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質量輕、為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件，同時單片機的成本比PLC略微低廉，綜合考慮本次設計選擇單片機控制。
單片機有8位，16位，32位等，這里的位指單片機CPU每次處理能力,8位是指單片機一次可以計算8位數(shù)據(jù),16位是指單片機一次可以計算16位數(shù)據(jù),依次類推，在此次設計中用8位單片機完全可以完成對機器人的控制，另考慮經(jīng)濟等方面，本次設計選擇8位單片機.
2.2.2控制器的軟件設計
在歸納了移動機器人各種運動行為的基礎上，我們總結了機器人的如下運動方式:
1.啟動:兩個電機啟動。
2停止:兩個電機停止轉動。
3.加速:兩個電機同時在現(xiàn)有速度基礎上增加一個數(shù)量級，實現(xiàn)加速。
4.減速:兩個電機同時在現(xiàn)有速度基礎上減小一個數(shù)量級，實現(xiàn)減速。
5.轉彎:改變一個電機的轉向，完成轉彎后作直線運動。
6.直線運動:兩個電機以相同的速度和轉向運動。
這些運動覆蓋了差動輪式移動系統(tǒng)的所有基本動作，通過一系列電機控制的組合就可以靈活地控制機器人完成它所能夠做到的任何動作。當移動機器人需要做出某種動作時，車載機只須將期望動作翻譯為一個電機指令序列，發(fā)布給運動控制器，運動控制器就可以按部就班地控制機器人予以完成。
2.3移動機器人的視覺系統(tǒng)設計方案
機器人的視覺系統(tǒng)一般包括硬件與軟件兩個部分,前者是系統(tǒng)的基礎,后者主要包括實現(xiàn)圖像處理的基本算法以及一些實現(xiàn)人機交互的接口程序. 基于計算機視覺的移動機器人導航實驗系統(tǒng)的硬件部分由計算機、攝像頭、機器人地盤組成。軟件分為兩部分，即圖像處理和機器人運動控制?；谝曈X導航的原始輸入圖像是連續(xù)的數(shù)字視頻圖像。系統(tǒng)工作時，圖像預處理模塊首先對原始的輸入圖像進行縮小、邊緣檢測、等預處理。其次利用計算機計算并提取出對機器人有用的路徑信息。最后，運動控制模塊根據(jù)識別的路徑信息，調用直行或轉彎功能模塊使機器人做相應的移動。
圖2-1機器人的控制原理
在本次設計中，采用的是用攝像頭實時的采集圖像信息，經(jīng)過上位機的內部處理，通過單片機控制電機來實現(xiàn)運動要求。
3 機器人機械部分的設計與計算
3.1電動機的選擇與計算
已知驅動輪直徑D=120mm, V=0.942m/s
按工作要求和條件，選用直流無刷電機，電壓12V.
電動機功率的選擇：
機器人的設計負重為35公斤，動摩擦因數(shù)為0.3，
F=35*10*0.3/2=52.5N, T=Fr=52.5*0.05=2.625N/m，考慮到機器人會攜帶上位機等設備，所以取T=3N/m，
=
?
1、電動機類型的選擇： Y系列三相異步電動機
2、電動機功率選擇：
（1）傳動裝置的總功率：
η總=η帶×η2軸承×η齒輪×η聯(lián)軸器×η滾筒
?????? =0.96×0.982×0.97×0.99×0.96
=0.85
(2)電機所需的工作功率：
P工作=FV/1000η總
=52.5×0.942/1000×0.85
=0.058KW
=58W?
3、確定電動機轉速：
計算滾筒工作轉速：
n筒=60×1000V/πD
=60×1000×0.942/π×120
=150r/min
?? 按手冊推薦的傳動比合理范圍，取圓柱齒輪傳動一級減速器傳動比范圍I’a=3~6。取V帶傳動比I’1=2~4，則總傳動比理時范圍為I’a=6~24。故電動機轉速的可選范圍為n’d=I’a×
n筒=（6~24）×150=900~3600r/min
符合這一范圍的同步轉速有1000、1500和3000r/min。
根據(jù)容量和轉速，由有關手冊查出有三種適用的電動機型號：因此有三種傳支比方案。綜合考慮電動機和傳動裝置尺寸、重量、價格和帶傳動、減速器的傳動比，可見第2方案比較適合，則選n=1500r/min?。
?
4、確定電動機型號
根據(jù)以上選用的電動機類型，所需的額定功率及同步轉速，
根據(jù)設計要求電動機所需轉矩和轉速查手冊.
表3-1電動機主要參數(shù)
電動機型號
額定功率
額定轉速r/min
總傳動比
FBL-60K03151RS
30W
1500
25
3.2減速器的選擇與計算
圖3-1電動機簡圖
3.2.1計算總傳動比及分配各級的傳動比
1、總傳動比：
2、分配各級傳動比
，
經(jīng)計算
3.2.2運動參數(shù)及動力參數(shù)計算
1、計算各軸轉速（r/min）
nI=n電機=1500r/min
nII=nI/i帶=1500/5.48=274(r/min)
nIII=nII/i齒輪=274/4.56=60(r/min)
2、?? 計算各軸的功率（KW）
PI=P工作=30W=0.03KW
PII=PI×η帶=30×0.96=28.8W=0.0288KW
PIII=PII×η軸承×η齒輪=28.8×0.98×0.96
??????? ??????? ??=27.1W=0.0271KW?
3、?? 計算各軸扭矩（N·mm）
TI=9.55×106PI/nI=9.55×106×0.03/1500
=191N·mm
TII=9.55×106PII/nII
=9.55×106×0.0288/274
=100.4N·mm
TIII=9.55×106PIII/nIII=9.55×106×0.0271/60
=431.3N·mm
3.2.3傳動零件的設計計算
一、V帶設計
外傳動帶選為 普通V帶傳動
1、確定計算功率
1）、由表查得工作情況系數(shù)
2）、由式
2、選擇V帶型號
查圖選A型V帶。
3.確定帶輪直徑
（1）、參考圖表選取小帶輪直徑
（電機中心高符合要求）
（2）、驗算帶速，由式
（3）、從動帶輪直徑
查表取
（4）、傳動比 i
（5）、從動輪轉速
4.確定中心距a和帶長
（1）初選中心距
取
（2）、求帶的計算基礎準長度
查圖.取帶的基準長度 =320mm
(3)、計算中心距:a
(4)、確定中心距調整范圍
5.驗算小帶輪包角α1
由式
6.確定V帶根數(shù)Z
(1)、由表查得=90 n1=1450r/min及n1=1600r/min時，單根V帶的額定功率分呷為1.07Kw和1.15Kw，用線性插值法求n1=1600r/min時的額定功率P0值。
(2)、由表查得△P0=0.03Kw
(3)、由表查得查得包角系數(shù)
(4)、由表查得長度系數(shù)KL=1.03
(5)、計算V帶根數(shù)Z，由式
取Z=1根
7．計算單根V帶初拉力F0，由式
8．計算對軸的壓力FQ，由式得
9．確定帶輪的結構尺寸，給制帶輪工作圖
小帶輪基準直徑dd1=10mm采用實心式結構。大帶輪基準直徑dd2=55mm，采用孔板式結構，基準圖見零件工作圖。
二、齒輪傳動的設計計算
?? 設計參數(shù)：
1、選定齒輪類型、精度等級、材料和齒數(shù)
（1）二級變速裝置選用直齒圓柱齒輪
（2）機器速度不高、選用8級精度
（3）選材：小齒輪材料為40Cr（調質），硬度為280HBS,大齒 輪材料為45鋼（調質），硬度為240HBS,兩者材料硬度相差40HBS。
（4）選小齒輪齒數(shù)z，大齒輪齒數(shù)z
2、按齒面接觸強度設計
(1)確定公式內的各項參數(shù)值
1)試選載荷系數(shù)
2）
3)計算應力循環(huán)次數(shù)
4)選取齒寬系數(shù)
5）查的材料的彈性影響系數(shù)Z
6）查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限，大齒輪的彎曲疲勞強度極限。
7) 由圖9-35查表的接觸疲勞壽命系數(shù)
K
8)計算接觸疲勞許用應力
取安全系數(shù)
;
(2) 計算齒輪參數(shù)
1) 求小齒輪分度圓直徑,代入中較小的值
2) 圓周速度
3) 計算齒寬
4)
5) 計算載荷系數(shù)
根據(jù)v=0.32m/s,8級精度,由圖9-31得動載荷系數(shù)
直齒輪,假設,由表9-8查得
由表9-7查得使用系數(shù) ,由表9-9查得,由表9-32
查得 ,故載荷系數(shù)
6) 按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑,
7) 計算模數(shù)m
三、按齒根抗彎強度設計
(1) 確定公式內的各項參數(shù)數(shù)值
1) 查圖9-39得大小齒輪的疲勞極限：
2) 由圖9-38查得抗彎疲勞壽命系數(shù): ;
3) 取抗彎疲勞安全系數(shù)，
所以: []
[]
4) 計算載荷系數(shù)
5) 查的齒形系數(shù)
6) 查取應力校正系數(shù)
7)計算大,小齒輪的并加以比較
大齒輪的數(shù)值大
(2)設計計算
對比計算結果,由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m略大于由齒根彎疲勞強度計算的模數(shù),由于齒輪模數(shù)m的大小取決于抗彎強度所決定的承載能力,而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力,僅與齒輪直徑有關,可取由抗彎強度算得的模數(shù)1.40,并就近圓為標準值,按接觸強度算得的分度直徑,由
四、幾何尺寸計算
1)計算分度圓直徑
,
2)計算中心距
3)計算齒輪寬度
圓整,取
3.2.4軸的設計
軸的設計包括軸的結構設計和工作能力計算兩方面的內容。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整；軸應該具有良好的制造工藝性。在一般情況下，軸的工作能力取決于它的強度，此時只需對軸進行強度校核，以防止斷裂或塑性變形。對于剛度要求較高的軸和受力較大的細長軸，還應該進行剛度計算，以防止在工作過程中產(chǎn)生過大的彈性變形[10]。
軸的設計，從節(jié)省材料、減少質量的角度來說，各橫截面強度相等是最好，最理想的；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。
一、主軸的設計
已知輸入功率P=0.03kw，主軸轉速n=1500r/min，皮帶輪的圓周力Ft=26N，皮帶作用在主軸上的徑向力Fr=38.9N，工作載荷較平穩(wěn)。
主軸的材料選用45鋼，正火處理，查表19-5[12]硬度 170～217 HBS,抗拉強度
(1)軸的結構設計：
1)確定軸的各段直徑：
①初估軸的最小直徑:
(3-1)
查表取 A=115
考慮軸上開鍵槽，對軸強度有削弱計算值放大4%～5%，得
，取
② 軸段有定位軸肩
取
③ 其上安裝有滾動軸承，考慮實際工作情況，軸承需承受一定沖擊載荷，選取深溝球軸承，
表3-2軸承選擇列表
選擇軸承代號2000088：軸承內徑8mm，外徑16mm。
所以此軸段
④ 此軸段為軸環(huán)，
由結構考慮取
⑤ 此段安裝圓螺母，取
⑥ 此段裝有軸承，取
⑦ 此段裝有錘盤，由結構選取
2)確定軸的各段長度：
① 此段裝有帶輪，考慮實際情況取
② 其上裝有氈圈，軸承端蓋，氈圈寬度 2mm，考慮結構選
③ 此段安裝軸承、防塵環(huán)，軸承寬度5mm，防塵環(huán)寬度1mm，取
④ 此段為軸環(huán)長度取
⑤ 此段裝圓螺母和止動墊圈，取
⑥ 此段裝有軸承跟防塵環(huán)，取長度
⑦ 此段安裝錘盤，根據(jù)錘盤長度選取，其中包括 2mm 的退刀槽。
主軸的結構圖如下圖4-1所示：
圖3-2 主軸結構示意圖
二、傳動軸的設計：
輸入功率P=0.0288kw=28w，軸的轉速n2=274r/min，工作載荷比較平穩(wěn)。
（1）估算軸頸
①選擇軸的材料
選用40Cr，調質處理，σb=1000MPa，σs=800MPa。
②初步估算軸外伸端直徑
按扭轉強度計算：d
式中：d—計算截面處軸的直徑，mm；n—軸的轉速，r/min；p—軸傳遞的額定功率，kw；A0—按[τ]定的系數(shù)。
由參考文獻（機械設計課本）[14]查得A0=115，額定功率p=0.0288kw，軸的轉速n=274r/min,則d=5.43mm
（2)確定軸的各段直徑：
①初估軸的最小直徑:
查表取 A=115
考慮軸上開鍵槽，對軸強度有削弱計算值放大4%～5%，得
，取
② 軸段有定位軸肩
取
③ 其上安裝有滾動軸承，考慮實際工作情況，軸承需承受一定沖擊載荷，
選取深溝球軸承
選擇軸承代號180200：軸承內徑10mm，外徑30mm。
所以此軸段
④ 此軸段為軸環(huán)，
由結構考慮取
⑤ 此段安裝圓螺母，取
⑥ 此段裝有軸承，取
⑦ 此段裝有小齒輪，
（3)確定軸的各段長度：
① 此段裝有帶輪，考慮實際情況取
② 其上裝有氈圈，軸承端蓋，氈圈寬度 2mm，考慮結構選
③ 此段安裝軸承、防塵環(huán)，軸承寬度9mm，防塵環(huán)寬度1mm，取
④ 此段為軸環(huán)長度取
⑤ 此段裝圓螺母和止動墊圈，取
⑥ 此段裝有軸承跟防塵環(huán)，取長度
⑦ 此段安裝小齒輪，根據(jù)小齒輪寬度選取，其中包括 2mm 的退刀槽。
傳動軸的結構圖如下圖4-1所示
圖3-3齒輪軸
三、從動軸的設計：
輸入功率P=0.0271kw,軸的轉速n3=60r/min，工作載荷比較平穩(wěn)。
（1）估算軸頸
①選擇軸的材料：選用45鋼，調質處理，σb=610MPa，σs=360MPa。
②初步估算軸外伸端直徑
按扭轉強度計算：d （3-2）
式中：d—計算截面處軸的直徑，mm；
n—軸的轉速，r/min；
p—軸傳遞的額定功率，kw；
A0—按[τ]定的系數(shù)。
由參考文獻[14]查得A0=115，額定功率p=1.05kw，軸的轉速n=360r/min,則d=8.82mm。
③當軸截面上開有鍵槽時，應增大軸頸以考慮鍵槽對軸強度的削弱
取dmin=40mm作為軸外伸端直徑，其他部分根據(jù)畫圖設計情況及軸承的選擇情況進行設計。
（2）從動軸的結構設計
1)確定軸的各段直徑：
①初估軸的最小直徑:
(3-3)
查表取 A=115
考慮軸上開鍵槽，對軸強度有削弱計算值放大4%～5%，得
，取
② 軸段有定位軸肩
取
③ 其上安裝有滾動軸承，考慮實際工作情況，軸承需承受一定沖擊載荷，選取深溝球軸承，
選擇軸承代號180302：軸承內徑15mm，外徑42mm。
所以此軸段
④ 此軸段為軸環(huán)，
由結構考慮取
⑤ 此段安裝圓螺母，取
⑥ 此段裝有軸承，取
⑦ 此段裝有大齒輪，由結構選取
2)確定軸的各段長度：
① 此段裝有帶輪，考慮實際情況取
② 其上裝有氈圈，軸承端蓋，氈圈寬度 2mm，考慮結構選
③ 此段安裝軸承、防塵環(huán)，軸承寬度13mm，防塵環(huán)寬度1mm，取
④ 此段為軸環(huán)長度取
⑤ 此段裝圓螺母和止動墊圈，取
⑥ 此段裝有軸承跟防塵環(huán)，取長度
⑦ 此段安裝大齒輪，根據(jù)大齒輪寬度選取，其中包括 2mm 的退刀槽。
（3）驗算軸的彎扭組合強度
軸在載荷作用下，將會產(chǎn)生彎曲或扭轉變形，若變形量超過允許的限度，將會影響軸上零件的正常工作，甚至會喪失機器的工作性能。
齒輪切向力F=244.8N，徑向力F=91.8N，軸向力F=61N，=591.6N。
圖3-4從動軸受力圖
圖3-5從動軸的力及彎矩圖
在V面上：=0，+=+； （3-4）
=0，×102+×22-54×156=0 （3-5）
由（3-4）（3-5）得=1181.6N，=302.7N，M=-153423.6N·mm。
在H面上：=0， += （3-6）
=0,×54-×69=0 （3-7）
由（3-6）（3-7）得=53.7N，=191.1N，M=2899.8N·mm。
總彎矩M==153400 N·mm
當量應力為：=== （3-8）
式中σca－軸的計算應力，單位MPa；M－所受的彎矩，N·mm；T－所受的扭矩，N·mm；W－軸的抗彎截面系數(shù)，mm3。
當扭轉切應力為靜應力時，取α＝0.3。因此，最大截面處的當量應力σ1=24MPa<[σ-1]，符合條件。
3.2.5鍵聯(lián)接的選擇及校核計算
輸出軸與大齒輪聯(lián)接用平鍵聯(lián)接
軸徑d1=10mm,L1=18mm
查手冊得，選用C型平鍵，得：
鍵型號為： C?4×4?GB1096-79
l=L1-b=18-4=14mm
T2=100.4N·m?? h=4mm
根據(jù)公式得
σp=4T2/dhl=4×100.4/4×4×14
=1.8Mpa<[σR](110Mpa)
4 機器人控制系統(tǒng)的設計與選型
4.1單片機 PIC16F877
單片機是將中央處理器（CPU）、隨機存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、定時器芯片和一些輸入輸出接口電路集成的一個芯片上的微控制器。
中央處理器是單片機的核心，它包括運算器、控制器和寄存器3個主要部分。存儲器按工作方式可分為、隨機存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。RAM可以隨機地被CPU讀寫，斷電后存儲的內容消失；ROM種的信息只能讀不能寫。輸入輸出接口是單片機的重要組成部分。程序、數(shù)據(jù)以及外部的所有信息都是通過單片機的I/O端口讀入單片機的。單片機計算的所有結果也都通過I/O輸出到顯示部分或者控制外部其他執(zhí)行機構。
PIC16F877芯片上集成有：
（1）端口RA模塊：是一個只有6條引腳的輸入/輸出可編程的端口。
（2）端口RB模塊：是一個具有8條引腳的輸入/輸出可編程的端口。
（3）端口RC模塊：是一個具有8條引腳的輸入/輸出可編程的端口。
（4）端口RD模塊：是一個具有8條引腳的輸入/輸出可編程的端口。
（5）端口RE模塊：是一個具有3條引腳的輸入/輸出可編程的端口。
（6）定時器TMR0模塊：是一個8位寬的可編程的定時器，也可作為計數(shù)器使用。
（7）定時器TMR1模塊：是一個16位寬的可編程的定時器，也可作為計數(shù)器使用，并且可以與捕捉/比較/脈寬調制CCP模塊配合實現(xiàn)捕捉和比較功能。
（8）定時器TMR2模塊：是一個8位寬的可編程的定時器，也可作為計數(shù)器使用，并且可以與捕捉/比較/脈寬調制CCP模塊配合實現(xiàn)捕捉和比較功能。
（9）EEPROM數(shù)據(jù)存儲模塊：是256×8的電可擦寫的存儲器，儲存的內容掉電也不會丟失。
（10）A/D轉換器模塊：具有8個輸入通道和10位分辨率的模數(shù)轉換器，用來將外部的各種模擬物理量變換為便于單片機內部處理的數(shù)字量。
（11）捕捉/比較/脈寬調制CCP1和CCP2模塊：PIC16F877片內包含兩個幾乎完全相同的CCP模塊，與TMR1和TMR2配合可以實現(xiàn)輸入捕捉、輸出比較和賣出調制輸出功能。輸入捕捉功能可以用于測量信號周期、頻率、脈沖等；輸出比較功能可以用于生產(chǎn)寬度不同的正負方波脈沖信號，以驅動可控硅、續(xù)電器等；脈寬調制輸出功能用來產(chǎn)生周期和脈沖可調的周期性方波信號，以驅動可驅動可控硅、步進電機等。
（12）通用同步/異步發(fā)生器USART模塊：用于實現(xiàn)二線式串行通信，可以定義為兩種工作方式，即全雙工異步方
收藏