1、本科毕业设计说明书（论文）I基于视觉的移动机器人设计与分析摘 要移动机器人 是机器人的一个重要分支，被广泛的应用于工业、国防及其民用设1施上。随着机器人技术和人工智能技术的发展，如何让多个机器人相互协调、配合来共同的研究和实验模型，足球机器人系统是一个多学科交叉的前沿领域，它涉及到机器人学、智能控制技术、通信技术、计算机技术、传感器技术、图像处理和人工智能等方向，正在成为国内外许多大学研究、比赛和交流的公共实验平台。近年来人们对它的研究有了更大的关注。本次设计的研究内容就是基于视觉导航的履带式移动机器人，以足球机器人为研究模型，其核心内容是应用单片机 控制直流电机实现机器人的智能控制，采用视觉
2、2传感器解决移动机器人的定位问题，实现机器人在给定环境中的“完全自主” 。能使机器人在未知的环境下，通过自身传感器测量周围环境数据，逐渐估计自身位置和运动状况，并把信号反馈到单片机，使单片机按照预定的工作模式控制小车的运动控制。内容包括：1.机械结构设计：机器人采用两轮独立驱动的履带结构，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
3、控制电机的转速。3. 传感器部分：利用视觉传感器收集图像，送至上位机进行图像处理。关键词： 移动机器人 单片机 运动控制 视觉传感器 图像处理本科毕业设计说明书（论文）IIAbstractMobile robot is an important branch of robotics and will be widely applied in 1both military field and civil area. With the development of robotics and artificial intelligence, scientists were often faced w
4、ith issues on cooperation and coordination among different robots in a workspace. This has led to the developments in multi-robot cooperative systems MRCS. As a research model of MRCS, soccer robot is an interdisciplinary area that involves the knowledge of robotics, intelligence control, wireless c
5、ommunication, 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 si
6、mple ness is robotic, adopt the monolithic machine to be the handcart detecting and to control core; Adopt optesthesia sensor to resolve 2the interior localized intelligence robot problem , realizes a robot “acting on selfs own in interior hit the target complicated environment completeness“. And ca
7、n make robotic under the 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 blac
8、k 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: the robot driven by two independent track structures, the power source using brushless DC motor, gear reducer and gear belt
9、 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 generates drive signals，the dri
10、ving part is L293D motor control chip, chip microcontroller using the received signals to control motor speed. 3. Sensor parts: the robot using vision sensors for collect images, and send the images to upper-computer for image processing. Key words： mobile robot， motion control， single chip， vision
11、sensor ， image processing本科毕业设计说明书（论文）目 录摘 要 .IAbstract.II1 移动机器人 .11.1 移动机器人的研究历史 .11.2 课题的现实意义 .11.3 智能机器人的发展 .21.3.1 智能机器人的定义 .21.3.2 国外机器人的发展 .31.3.3 国内机器人的发展 .32 视觉移动机器人方案的确定 .52.1 设计任务概述 .52.2 视觉移动机器人机械结构设计方案 .52.2.1 动力源的论证与选择 .52.2.2 运动方式的选择 .62.2.3 电源的论证与选择 .62.2.4 传动方式的选择 .62.2.5 传感器的选择 .72
12、.2.6 最终方案： .72.3 视觉移动机器人控制系统设计方案 .72.3.1 控制系统的选择 .82.3.2 控制器的软件设计 .83 视觉移动机器人方案的确定 .103.1 电动机的确定 .103.1.1 电动机功率的选择 .103.1.2 电动机转速的选择 .103.2 圆锥圆柱减速器的设计 .113.2.1 传动方案的选择 .113.2.2 传动零件的设计计算 .123.2.2.1 圆锥齿轮传动的设计计算 .123.2.2.2 圆柱齿轮传动的设计计算 .163.2.2.3 数据整理 .193.2.2.4 轴的设计 .193.2.3 减速箱轴承的确定 .203.2.4 联轴器的选择 .
13、214 视觉移动机器人控制系统设计 .22本科毕业设计说明书（论文）4.1 机器人电子元件的选型 .224.1.1 单片机 PIC16F877 .224.1.2 直流无刷电机 .245 移动机器人的图像处理技术 .265.1 图像的采集 .265.2 图像的预处理 .265.2.1 彩色图像灰度化 .265.2.2 灰度图像的平滑处理 .275.2.3 颜色模型转换 .29结 论 .30致 谢 .31参考文献 .32附 录 .33本科毕业设计说明书（论文）11 移动机器人1.1 移动机器人的研究历史机器人 是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物1相似的智能，如感知能力、规划能
14、力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。移动机器人技术一直是人类长期科学研究的热点。它的历史可以追溯到 20世纪六十年代。1962 年，美国 Unimation 公司的第一台机器人 Unimate。在美国通用汽车公司(GM)投入使用，标志着第一代机器人的诞生。1968 年，美国斯坦福研究所公布了他们研发成功的机器人 Shakey，该机器人能够根据人的指令通过视觉传感器发现并抓取积木,标志着第一台智能机器人的诞生，同时也揭开了移动机器人研究的序幕。现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接受的说法是：机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。
15、联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“机器人是一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。 ”机器人能够利用各种传感器采集机器人所在环境的特征，通过各种环境特征可以自动地规划自己的行动路径，实现寻迹、避障等智能行为。早期的机器人主要应用于工业领域，例如利用机器人搬运工件、更换刀具、焊接工件、喷射油漆以及实现零件的装配等工作。但是到了 90 年代，随着机械技术、计算机技术、微电子技术、网络技术以及人工智能技术的快速发展，机器人活动领域的不断扩大，机器人的应用从制造业领域向非制造业领域不断发展，原先只是在工业中
16、才使用的自主式机器人也开始进入到人们的日常生活中来，因此在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域都能看到移动机器人的身影，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等都陆续成立了机器人实验室，由此机器人技术得到了长久的发展。本文设计的机器人实际上就是一种利用视觉传感器自动移动的机器装置，由视觉传感器采集图像，送至上位机分析，实现路径识别，采用单片机控制直流无刷电机实现对小车速度的控制，达到运动要求。1.2 课题的现实意义对智能机器人的研究有着广泛的现实意义，概括地说可以有三点：1. 智能机器人技术是一门综合性很强的技术。对移动机器人的设计包括机械结构、传感器、运动学方程、控制系统、路径规划以
17、及各种算法的分析与设本科毕业设计说明书（论文）2计。因此移动机器人的研究涉及到的学科包括：机械加工技术、传感器技术、信息处理技术、通信技术、自动控制技术、电子技术、机器视觉技术、图像处理技术、网络技术以及计算机技术等等，所以移动机器人技术的发展使得各门科学技术都得到了长远的进步与发展，是科学技术不断发展的有力途径和工具。2. 智能机器人有着广泛的应用前景，可以说它几乎渗透到了人类社会所有的领域。可以预见在未来的人类社会里，移动机器人将会出现在我们生活中的每一个角落，成为时代发展的主流。随着人们生活水平的提高，人类对机器人的功能也提出了更高的要求，越来越多的移动机器人已经走入了我们的生活，在家里
18、，服务型的室内机器人可以从事清洁卫生、园艺、垃圾处理、家庭护理与服务等作业；在医院，移动机器人可以从事手术、化验、助残、导盲、运输、康复及病人护理等作业；在商场和旅游中，导购机器人、导游机器人和表演机器人都使得人类生活变得丰富多彩。因此移动机器人已经成为未来社会非常有潜力的产业，谁可以掌握室内移动机器人的关键技术，谁就可以引领世界的潮流。3. 机器人的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要体现。它实现了工业的完全自动化，从机械加工到零件的装配，甚至连工艺的设计都由工业机器人完成。机器人带动了工业技术的革新，社会的发展以及其他领域的革命。当今社会，机器人正代替人发挥着日益重要的作用，不断
19、地改变着人类的生活方式，因此完全可以说机器人技术的发展带动了整个人类社会的发展。综上所述，我国对移动机器人的研究面临着很大的挑战，必须加大对机器人的开发与应用才能走在时代的前列。1.3 智能机器人的发展1.3.1 智能机器人的定义自机器人问世以来，人们就很难对机器人下一个准确的定义，欧美国家认为机器人应该是“由计算机控制的通过编程具有可以变更的多功能的自动机械” ；日本学者认为“机器人就是任何高级的自动机械” ；我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。
20、 ”目前国际上对机器人的概念已经渐趋一致，联合国标准化组织采纳了美国机器人协会于 1979 年给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务本科毕业设计说明书（论文）3而具有可改变和可编程动作的专门系统。 ”概括说来，机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。1.3.2 国外机器人的发展智能机器人的研究可以追溯到 20 世纪 60 年代，在 1966 至 1972 年间,美国斯坦福研究院的和 Charles 等人研制的机器人，身高 1.5 米，是历史上第一个由计算机控制的自主式智能移动机器人。它由远程大型计算机控制，带有视觉传感器
21、和触觉传感器，在室内的复杂环境中可以完成从一个地点移动到另一个地点，以及检测障碍物并移动障碍物到指定地点的任务。它的出现标志着智能机器人研究的正式开始。1970 年前苏联月球 17 号探测器把世界第一个无人驾驶的月球车送去月球，月球车行驶 0.5 公里，考察了 8 万平方米的月面。后来的月球车行驶 37 公里，向地球发回 88 幅月面全景图。在同一时代，美国喷气推进实验室也研制了月球车(Lunar rover),应用于行星探测的研究。采用了摄像机，激光测距仪以及触觉传感器。机器人能够把环境区分为可通行、不可通行以及未知等类型区域。1973 年到 1979 年，斯坦福大学人工智能实验室研制了 C
22、ART 移动机器人，CART 可以自主地在办公室环境运行。CART 每移动 1 米，就停下来通过摄像机的图片对环境进行分析，规划下一步的运行路径。由于当时计算机性能的限制，CART 每一次规划都需要耗时约 15 分钟。CMU Rover 由卡耐基梅隆大学机器人学研究所在 1981 年开始研制，它具有 12 个微处理器来处理实时任务，一个大型的远程计算机通过遥控方式来进行复杂规划与环境分析，并通过声纳传感器与视觉传感器来探测环境中的障碍。由于计算机的运行速度、传感器感知能力的限制，这些移动机器人的实时控制性能不佳。每自主前进一步都需要停下来花费大量的时间进行计算，因此在实际应用中通常采取遥控的方
23、式。进入 20 世纪 90 年代，随着计算机技术的飞速发展，机器人的感知、决策能力也获得了长足的进步。到了 1994 年，卡耐基梅隆大学机器人学研究所开发了 Dante II，这是一个 8 足的移动机器人fill。在 1994 年 4 月，该机器人通过卫星通讯与 Internet 相连，通过网络由NASA 的研究组、卡耐基梅隆大学以及阿拉斯加火山观测所的科研人员控制Dante 进行阿拉斯加火山口观测，并收集了火山口喷出的气体样本。1.3.3 国内机器人的发展国内有关移动机器人研究的起步较晚， “八五”期间研制了 ATB-1，即军用智能机器人平台，由浙江大学、国防科技大学、清华大学、北京理工大学
24、、南京理工大学联合研制。 “九五”期间又研制了军用“智能机器人平台 2号，道路自主驾驶的最高速度为 74Km/h。本科毕业设计说明书（论文）4在国家“十五”863 计划中，展开了一系列的有关智能机器人方面的研究。在危险环境下作业移动机器人、基于复合结构的非结构环境应用的移动机器人、高机动性越障机器人、多足仿生机器人、仿人形机器人等研究项目取得了众多的成果。国防科技大学、哈尔滨工业大学、清华大学、中国科技大学、中科院自动化研究所、沈阳自动化研究所等正在开展有关月球探测自主机器人的相关研究。在 863 专项支持下，清华大学开发了多功能室外智能移动机器人实验平台、上海交通大学研制了移动机构试验平台以
25、及 Frontier-ITM 等。211A MCTB采用了关节轮式移动结构，具有较强的越障能力。Frontier-ITM 自主移动机器人作为中国大学的参赛队首次参加了 Robocop 中型组比赛。CASIA-1 是中科院自动化所研制的集多种传感器、视觉、语音识别与会话功能于一体的智能移动机器人。沈阳自动化所研制的自行输送小车已投入生产现场，此外还研制了“多功能排险防暴机器人”和“蛇形机器人” 。2003 年国防科技大学贺汉根教授主持研制的无人驾驶车采用了四层递阶控制体系结构以及机器学习等智能控制算法，在高速公路上达到了 130Km/h 的稳定时速，最高时速 170Km/h，而且具备了自主超车功
26、能，这些技术指标均处于世界领先的地位。这一系列的成就推动了我国移动机器人技术的发展，缩短了与国外先进水平的差距，而且在某些领域也取得了国际领先的成果，己经成为我国机器人应用的一个突出领域。本科毕业设计说明书（论文）52 视觉移动机器人方案的确定2.1 设计任务概述此处省略 NNNNNNNNNNNN 字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系 扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩方案 3 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，小车内部装有减速齿轮组，所以并不需要考虑调速功能，很方便的就可以实现通过单片机对直流减速电机前进、后退、停止等操作。
27、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。最终方案：本次设计使用直流无刷电机。2.2.2 运动方式的选择方案 1：轮式机构 5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
28、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2.2.3 电源的论证与选择方案 1：采用 7.2V 可充电动力电池组。方案 2：采用 12V 蓄电池为直流电机供电。优缺点的比较：方案 1 采用 7.2V 可充电动力电池组。动力电池组具有较强的电流驱动能力及稳定的电压输出性能，经测试在用此种供电方式下，单片机和传感器工作本科毕业设计说明书（论文）6稳定，直流电机工作良好，且电池体积较小、可以充电、能够重复利用等，能够满足系统的要求。方案 2 采用 12V 蓄电池为直流电机供电，将 12V
29、 电压降压、稳压后给单片机系统和其它芯片供电。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。但是蓄电池的体积过于庞大，由于我们的车体在设计时空间有限，在小型电动车上使用极为不方便，因此我们放弃此方案。经过比较，本次设计使用方案 1。2.2.4 传动方式的选择方案 1：带传动 6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
30、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。2.2.5 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
