1、I摘 要机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先设定的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类的工作，例如1.生产业，例如利用电焊机器人、分配机器人、装配机器人、喷漆机器人等工业机器人进行机械生产等。2.物流方面，例如利用移动机器人进行货物的卸载及搬运等。3.危险的工作，例如利用军事机器人在战场上进行扫雷，利用航天机器人进行宇宙探索，利用工业机器人进行长时间的水下作业、利用科研机器人在火山等不利于人直接到达的区域采集标本等。本文设计的视觉移动机器人主要内容包括：底盘结构设计、底盘的控制系统以及视觉算法。1.底盘结构设计
2、：机器人采用独立驱动的两轮式结构，动力源采用步进电机，减速装置采用齿轮减速，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对机器人速度进行检测，实现机器人的自主定位。2.底盘控制系统：应用PIC16F877单片机接受视觉传感器的视觉信号，做出决策然后产生驱动信号，控制步进电动机。步进电机的驱动电路采用两个电机驱动芯片L298，实现步进电机的控制，完成机器人转向、加速等功能。3.视觉传感部分及视觉算法：以视觉传感器做为机器人的感知系统，利用机器人的摄像头拍摄目标图像，通过图像处理技术提取机器人所在环境的环境特征，实现机器人对环境信息的采集 。1关键词：移动机器人，运动控制，底层控制，PI
3、C16F877，步进电机IIAbstractRobot (Robot) is automatic implementation of the robotic device. It can accept human command, they can run pre-set programs can also be formulated in accordance with the principles of artificial intelligence program action. Its mission is to assist or replace human work, such a
4、s1. Production industry, such as use of arc welding robots, welding robots, distribution, robots, painting robots, industrial robots, mechanical production.2. Logistics, such as using mobile robots for unloading and handling of goods,3. Dangerous work, such as the use of military robots for demining
5、 in the field, using space robot space exploration, utilization of industrial robots for a long time underwater, using scientific robots in the volcano, which are not conducive to directly reach Regional collected specimens.This mobile robot visual design include the following: chassis structural de
6、sign, chassis control systems and vision algorithms.1. Chassis Design: the robot driven by two independent structure, the power source by a stepping motor, gear reduction device with the use of differential steering mobile robot platform, use incremental photoelectric encoder of the machine one spee
7、d test, the autonomous robot localization.2. Chassis control system: application of vision sensors PIC16F877 microcontroller to accept visual signals to make decisions and generate drive signals to control the stepper motor. Stepper motor drive circuit uses two motor driver chip L298, stepper motor
8、control to achieve complete robot steering, acceleration and other functions.3. Visual and visual sensing part of the algorithm: as a robot with vision sensor perception system, using the robot camera shooting target image, image processing technique to extract the robot through the environment wher
9、e the environmental characteristics, information on the environment the robot collection.Key words: mobile robot, motion control, the underlying control, PIC16F877, stepper motorIII目录摘 要 .IAbstract .II前言 11 基于视觉的移动机器人 21.1 移动机器人的研究历史 21.2 移动机器人的研究意义 31.3 移动机器人研究的国内外现状 52 视觉移动机器人方案的确定 .82.1 视觉移动机器人机械
10、结构设计方案 82.2 视觉移动机器人控制系统设计方案 .102.3 视觉移动机器人视觉系统设计方案 .112.4 视觉移动机器人最终模型 .133 视觉移动机器人机械结构设计 153.1 电动机的确定 .153.2 减速箱的确定 .154 视觉移动机器人控制系统设计 214.1 运动学模型 .214.2 电子元件选型 .235 移动机器人的视觉算法 265.1 图像的采集 .265.2 图像的预处理 .26结论 .30致 谢 .31参考文献 .32附录 .331前言随着现代科技日新月异的发展，许多行业的工作有时不适合人类直接动手操作，移动机器人也便应运而生。移动机器人的导航方式分许多种，目前
11、，随着视觉传感器价格的不断下降，计算机处理速度的不断提高，图像处理理论的不断完善，信息量丰富的视觉移动移动机器人已经成为移动机器人领域的研究热点，并在国内外许多领域得到了应用。本设计正是研究的视觉移动机器人，此次设计中机器人通过摄像头摄取判断目标物的的图像从而判断其位，内部视觉处理设备再根据机器人的距离与角度进行计算，最终确定机器人的前进、倒退、拐弯等动作 。此方法控制的机器人灵活性强，操作2准确，不受温度、天气环境等外部条件的影响，长期以来被广泛的应用到移动机器人的导航研究中，例如多次在机器人竞赛中夺冠的足球机器人就是运用的此方法的简单应用，目前足球机器人比赛已经发展成为一项国际性的大型比赛
12、。因此，视觉移动机器人机器人的研究具有重要意义。21 基于视觉的移动机器人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相似的智能，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 。机器人的历史可以追溯到 20 世纪六十年代。1962 年，美国 Unimation 公司的3第一台工业机器人 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，也就是工业机器人的诞生，而本课题设计的移动机器人与工业机器人有着很大的区别，移动机器人更加强调了机器人具有的移动能力，从而面临比固定式机器人更为复杂的不确定性
13、环境，也增加了智能系统的设计复杂程度。移动机器人是一种集环境感知，路径规划，行为控制等多项功能于一体的高智能化机械系统，能够连续、实时地实现自主控制。其中环境感知是指机器人所使用的各种传感器，它相当于机器人的感觉器官，目前机器人应用比较多的传感器有：超声波传感器、红外传感器、视觉传感器、激光测距传感器、味觉传感器等等。由于现代科技的发展使视觉传感器的成本越来越低，易用性也越来越强，视觉传感器机器人的应用也因此越来越广阔。对视觉机器人的研究从机器人研究初期就开始了，例如：168 年到 1972 年间，美国斯坦福国际研究所(Stanford Research Institute, SRI)研制的移
14、动机器人 Shaky 就是一台视觉机器人,Shaky 具备一定人工智能，能够自主进行感知、环境建模、行为规划并执行任务(如寻找木箱并将其推到指定目的位置)。不过当时计算机的体积庞大，运算速度缓慢，导致 Shaky 往往需要数小时的时间来分析采集的视觉图像并规划行动路径。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 幅月面视觉全景图。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。采用了视觉传感器，激光测距仪以及触觉传感器。机器人能够
15、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 CART 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。1981 年，卡耐基梅隆大学机器人学研究所开始研制机器人 CMU Rover，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。它通过声纳传感器与视觉传感器来探测环境中的障碍。3由于计算机的运行速度以及传感器感知能力的限制，
16、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。本课题正是在这样的背景环境中提出。1.2 移动机器人的研究意义随着计算机技术的发展，机器人的研究也在日新月异，许多机器人已经成为某些行业不可缺少的一部分，对移动机器人的研究涉及到的学科理论与技术也越来越广泛，其中图像处理技术、计算机编程技术、传感器技术、自动控制技术以及机械加工技术都是机器人研究的必备技术。目前，移动机器人有着广泛的应用前景。根据其应用范围，移动机器人可以分为如下
17、几类：办公机器人：Jijo-2：这是一款办公自动化机器人，在办公室起到移动信息库的作用。该机器人在日语中的意思为“聪明的人”，由于内置了超声波传感器，能够自动地移动。 图 1-1 Jijo-2家用机器人： 4jak：这是由 KIST 和 Woori 技术公司共同研作的家用机器人，它具有自律行走、真空清扫和保安功能，已被商用化的 Ijak 凭借声音识别技术，履行室内清扫、MP3AODVOD 等多媒体服务和日程管理功能。 图 1-2 jak探测机器人 ：CCTV Robot System：根据韩国的国情精心设计的小型、轻便的防水结构，可适用于直径 250600 的导管，由于采用了高清晰 CCD，画
18、质非常清晰。它可分为直视摄像机和侧视摄像机，侧视摄像机为 PAN/TILT 结构，能够 360 度自由旋转。它的电子式控制装置操作简便，适用于观察上下水管道和煤气管道等各种管道。 图 1-3 CCTV Robot System5防止危险和灾害的机器人： Gembu II：该机器人根据 Active Multibody 移动机器人概念设计开发，主要制作目的是为了模拟和分析开发具有实质意义的镇压火灾型机器人所需的各种条件和数据。在设计机器人时，以机械特点为基本条件，充分考虑了操作简便、牢固和模块化等因素。 Telerob 轴计算载面上的转矩，Nmm;将转矩折合成当量弯矩的折算系数，若扭转剪应力按脉
19、动循环变化时，；轴材料的许多弯曲应力，MPa。当所在计算载面轴段开有键槽时，由上式算得的直径应增大 3%5%（开一个键槽）或 7%10%（开两个键槽） ，然后圆整为标准直径.通过如果减速器输入轴通过联轴器与电动机轴相联接，则外伸段轴径与电动机轴径不得相差很大，否则难以选择合适的联轴器，也就是说，减速器输入轴轴端直径和电动机轴直径必须在所选取联轴器毂孔最大与最小直径允许范围内。为此，可取减速器输入轴轴端直径mm式中 减速器输入轴轴端直径， mm；电动机轴直径， mm。减速器传动中心距为已知，可取减速器从动轴危险截面直径式中 减速器从动轴危险截面直径， mm；该级传动的中心距， mm。综合实际情况
20、，最后选择轴 1 最小轴径 6mm，轴 2 最小轴径 10mm。3.2.3 减速箱轴承的确定将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少摩擦损失的一种精密的机械元件，叫滚动轴承（rolling bearing） 。滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成。内圈的作用是与轴相配合并与轴一起旋转；外圈作用是与轴承座相配合，起支撑作用；滚动体是借助于保持架均匀的将滚动体分布在内圈和外圈之间，其形状大小和18数量直接影响着滚动轴承的使用性能和寿命；保持架能使滚动体均匀分布，防止滚动体脱落，引导滚动体旋转起润滑作用。如图 3.1：图 3.1球轴承适于承受轻载荷，滚子轴承适于承受重载荷及
21、冲击载荷。当滚动轴承受纯轴向载荷时，一般选用推力轴承；当滚动轴承受纯径向载荷时，一般选用深沟球轴承或短圆柱滚子轴承；当滚动轴承受纯径向载荷的同时，还有不大的轴向载荷时，可选用深沟球轴承、角接触球轴承、圆锥滚子轴承及调心球或调心滚子轴承；当轴向载荷较大时，可选用接触角较大的角接触球轴承及圆锥滚子轴承，或者选用向心轴承和推力轴承组合在一起，这在极高轴向载荷或特别要求有较大轴向刚性时尤为适宜。根据机器人的要求及经济实惠的原则，我们决定选择深沟球轴承，进一步通过机械设计手册确定所选轴承：表 3-3 619/9 和 16003 号深沟球轴承相关数据 12基本额定荷载极限转速 重量 代号 D B 安装尺寸
22、Cr Cor 脂 油 da da ra 2.48 1.08 2700 3400 0.092 619/9 20 6 11.4 18.2 0.36.0 3.3 18000 22000 0.028 16003 35 8 19.4 32.6 0.319部分符号含义如下图：图 3-23.2.4 减速箱其它结构的确定1、 键 联 接 的 作 用 ：键 联 接 装 配 中 ， 键 （ 一 般 用 45 号 钢 制 成 ） 是 用 来 联 接 轴 上 零 件 并 对 它 们 起 周向 固 定 作 用 ， 以 达 到 传 递 扭 矩 的 一 种 机 械 零 件 。2、 键 联 接 的 分 类 ：常 用 键 连
23、接 分 为 平 键 、 半 圆 键 和 斜 键 3 类 。 平 键 ： 侧 面 是 工 作 面 ， 与 键 槽 侧 面 贴 合 构 成 松 联 接 ， 靠 键 与 键 槽 间 的 压 力 传 递扭 矩 。 平 键 包 括 普 通 平 键 、 薄 型 平 键 、 导 向 平 键 和 滑 键 3 种 。 普 通 平 键 用 于 带 毂零 件 无 需 在 轴 上 移 动 的 静 联 接 ； 导 键 固 定 在 轴 上 ,而 毂 可 以 沿 着 键 移 动 ;滑 键 固 定在 毂 上 ， 而 随 毂 一 同 沿 着 轴 上 键 槽 移 动 ， 导 向 平 键 和 滑 键 都 构 成 动 联 接 。 综
24、 合 考虑 ， 本 设 计 选 用 的 是 普 通 平 键 联 接 。 半 圆 键 ： 与 平 键 类 似 ， 但 它 能 绕 其 几 何 中 心 摆 动 ， 以 适 应 带 毂 零 件 上 键 槽 的斜 度 。 斜 键 ： 用 以 构 成 紧 联 接 ， 主 要 有 楔 键 和 切 向 键 两 种 。 楔 键 的 一 个 底 面 有 1:100 的 斜 度 ,借 以 楔 紧 在 轴 、 毂 之 间 构 成 联 接 。 它 主 要 靠 摩 擦 传 递 扭 矩 和 轴 向 力 ， 因楔 紧 会 引 起 带 毂 零 件 的 偏 心 ， 其 应 用 不 如 平 键 普 遍 。3、 键 联 接 的 装
25、 配 工 艺 要 点（ 1） 装 配 前 应 检 查 键 的 直 线 度 、 键 槽 对 轴 心 线 的 对 称 度 和 平 行 度 。（ 2） 普 通 平 键 的 两 侧 面 与 轴 键 槽 的 配 合 一 般 有 间 隙 。 重 载 荷 、 冲 击 、 双 向 使用 时 ， 须 有 过 盈 。 键 两 端 圆 弧 应 无 干 涉 。 键 端 与 轴 槽 应 留 有 零 点 一 零 mm 的 间 隙 。（ 3） 普 通 平 键 的 底 面 与 键 槽 底 面 应 贴 实 。（ 4） 半 圆 键 的 半 径 应 稍 小 于 轴 槽 半 径 ， 其 他 要 求 与 一 般 平 键 相 同 。20
26、图 3-34 视觉移动机器人控制系统设计本文研究的双轮驱动式移动机器人是由一个圆形移动平台和两个独立驱动的驱动21轮与一个万向轮组成的 。圆形移动平台上的中心位于两个独立的驱动轮的中间，该种机构组成简单，而且旋转半径可从 0 到无限大，任意设定。当旋转半径为 0 时，由于能绕本体中心旋转，所以有利于在狭窄场所改变方向，因此针对双轮驱动式移动机器人运动特点，设计出机器人的控制方法，通过控制两个驱动轮的驱动力矩，可以实现控制移动机器人沿给定的轨迹运动。4.1 运动学模型研究的双轮驱动式移动机器人的几何模型如图 4.l 所示。主要参数如下：F一移动平台上的关键点；G一移动平台的质心；b一两个驱动轮之
27、间的距离；r一驱动轮的半径；l 一点G 与点F之间的距离； 一平台的转角； 一左驱动轮的转l角； 一右驱动轮的转角。r图4.1 双轮驱动式移动机器人几何模型移动平台质心的速度为 v ，它垂直于平台的轮轴，因此它在两个坐标轴上的分量分别G为：和 (4-1)cosx sinGcvy消去 得如下关系式：(4-2)0inG点 F 与点 G 有如下位置关系：(4-3)cosFlx(4-4)inGy22对(3)和(4)求导可得如下速度关系：(4-5)sinKlxGF(4-6)coyF点的速度关系可以表示为：(4-7)0ssin GFFlx平台质心的速度与驱动轮转速的关系式为：和 (4-8)brlr)(2r
28、l可以得到矩阵表达式：(4-9) cossin2ibrlryxGF cosin2ibrlGrl因为 Jx其中 FTylTr所以 （4-Jcossin2ibrlrGcosin2isbrlrG10）J 定义为双轮驱动式移动机器人的矩阵(4-10)，反映双轮驱动式移动机器人关键点的速度与驱动轮的转速之间的关系，同时也反映双轮驱动式移动机器人关键点的作用力与驱动轮的驱动力之间的关系。4.2 电子元件选型4.2.1 开关电压调节器 LM780523LM7805 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
29、、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。4.2.2 步进电机驱动芯片 L298L298是ST公司生产的一款高电压、大电流，小功率电机驱动芯片。该芯片内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等电感性负载;采用标准TTL逻辑电平信号控制;具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作:有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作:可以外接检测电阻，将变化量反馈抬控制电路。其具有以下电气特性：(1)电源驱动电压Vs可达5V46V，逻辑
30、支持电压VSS为4.5V7V;(2)输入高电压VIH为2.3VSS，输入低电压为O1.5V;(3)峰值驱动电流可达3A，正常工作电流为2A，总驱动电流可达4A;(4)响应速度快(5)提供过温保护，工作温度范围可达-25130正常工作温度为1335。温度过高或温度过低时，芯片均会停止工作，防止其损坏。(6)L289采用的是15脚的Mluitwatt15封装。LM298典型应用如图4-1所示。控制器L M 2 9 8步进电机图4-1 LM298典型应用4.2.3 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
31、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24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
32、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 C
33、CP 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
34、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。4.2.4 步进电机步 进 电 机 是 一 种 将 电 脉 冲 转 化 为 角 位 移 的 执 行 机
35、构 。 通 俗 一 点 讲 ： 当 步 进 驱 动器 接 收 到 一 个 脉 冲 信 号 ， 它 就 驱 动 步 进 电 机 按 设 定 的 方 向 转 动 一 个 固 定 的 角 度 （ 及步 进 角 ） 。 您 可 以 通 过 控 制 脉 冲 个 数 来 控 制 角 位 移 量 ， 从 而 达 到 准 确 定 位 的 目 的 ；同 时 您 可 以 通 过 控 制 脉 冲 频 率 来 控 制 电 机 转 动 的 速 度 和 加 速 度 ， 从 而 达 到 调 速 的 目的 。25步 进 电 机 分 三 种 ： 永 磁 式 （ PM） ， 反 应 式 （ VR） 和 混 合 式 （ HB） 永
36、 磁 式 步 进 一般 为 两 相 ， 转 矩 和 体 积 较 小 ， 步 进 角 一 般 为 7.5 度 或 15 度 ； 反 应 式 步 进 一 般 为三 相 ， 可 实 现 大 转 矩 输 出 ， 步 进 角 一 般 为 1.5 度 ， 但 噪 声 和 振 动 都 很 大 。 在 欧 美等 发 达 国 家 80 年 代 已 被 淘 汰 ； 混 合 式 步 进 是 指 混 合 了 永 磁 式 和 反 应 式 的 优 点 。 它又 分 为 两 相 和 五 相 ： 两 相 步 进 角 一 般 为 1.8 度 而 五 相 步 进 角 一 般 为 0.72 度 。 这 种步 进 电 机 的 应 用
37、 最 为 广 泛 。步 进 电 机 的 一 些 特 点 ：（ 1） 一 般 步 进 电 机 的 精 度 为 步 进 角 的 3-5%， 且 不 累 积 。（ 2） 步 进 电 机 外 表 允 许 的 最 高 温 度 。（ 3） 步 进 电 机 的 力 矩 会 随 转 速 的 升 高 而 下 降 。（ 4） 步 进 电 机 低 速 时 可 以 正 常 运 转 ,但 若 高 于 一 定 速 度 就 无 法 启 动 ,并 伴 有 啸叫 声 。步 进 电 动 机 以 其 显 著 的 特 点 ， 在 数 字 化 制 造 时 代 发 挥 着 重 大 的 用 途 。 伴 随 着 不同 的 数 字 化 技 术
38、 的 发 展 以 及 步 进 电 机 本 身 技 术 的 提 高 ， 步 进 电 机 将 会 在 更 多 的 领 域得 到 应 用 。 步进电机的选用计算方法。步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的转矩特性能满足机械负载并有
39、一定的余量保证其运行可靠。转在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在转矩特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩大的电机，负载力矩大。选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。5 移动机器人的视觉算法26系统通过图像传感器获取图像
40、并传入计算机，由计算机完成图像处理任务。本文所介绍的设计为简易机器人添加视觉模块，并研究了相关算法和策略，实现了自主路径跟踪。为了使系统真正做到稳定快速，在图像预处理、路径识别和路径跟踪等各个环节都充分考虑到算法的实时性与鲁棒性。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巡线移动。5.1 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
41、,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 。13CCD 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象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，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，每个象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
42、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，需外加电压让每个象素中的电荷移动，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 图像的预处理5.2.1
43、 彩色图像灰度化27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。 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)
44、=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 其效果图如图：图5-1 原图 图5-2 灰度图5.2.2 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 。 15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，
