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附錄
外文資料
Typically, an image-processing application consists of five steps. First, an image must be acquired. A digitized representation of the image is necessary for further processing. This is denoted with a two-dimensional function I（x， y） that is described with an array. X marks a column and y a row of the array. The domain for x and y depends on the maximal resolution of the image. If the image has size n m, whereby n represents the number of rows and m the number of columns, then it
holds for x that 0 x
0時，移動機器人前進。當L<0時，移動機器人后退。此時，移動機器人做直線運動。這時左、右輪子的運動速度相同、轉(zhuǎn)向相同
圖2-3 機器人直線運動示意圖
(4) 當距離L改變時，我們判斷L的大小，當L>0時，移動機器人前進轉(zhuǎn)彎。當L<0時，移動機器人后退轉(zhuǎn)彎。之后我們判斷，移動機器人的轉(zhuǎn)動角度a，當a不為0時，則移動機器人轉(zhuǎn)彎。當a>0時，移動機器人右轉(zhuǎn)彎。 a<0時，移動機器人左轉(zhuǎn)彎。
當機器人前進左轉(zhuǎn)時，左輪正轉(zhuǎn)，右輪反轉(zhuǎn)。當機器人前進右轉(zhuǎn)時，左輪反轉(zhuǎn)，右輪正轉(zhuǎn)。機器人后退右轉(zhuǎn)時，左輪正轉(zhuǎn)，右輪反轉(zhuǎn)。機器人后退左轉(zhuǎn)時，左輪反轉(zhuǎn)，右輪正轉(zhuǎn)。
2.4 視覺移動機器人最終模型
經(jīng)過以上方案的確定，本次設(shè)計的機器人最終3D模型如圖所示：
圖 2-4 機器人云臺
圖2-5 機器人3D模型
圖2-6 機器人3D模型
3 視覺移動機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 電動機的確定
從機器人是實際運動出發(fā)考慮，機器人的速度不能太快，否則會造成控制部分來不及處理和發(fā)送信號，電機不能及時做出反應(yīng)，從而使機器人在行進的過程中無法做出相應(yīng)的動作。因此，機器人的移動速度暫定為V=0.3M/S.
因此機器人在行進過程中遇到障礙物時需要用機械手搬運障礙物，所以機器人的最大載重量為40KG。
所以機器人電機克服摩擦力的功率
F磨= umg =0.2*40*9.8=78.4N
通過網(wǎng)上查找,電機的效率大約為80％,所以機器人電機克服摩擦力的功率
P=F·V
=78.4*0.377/0.8W
=36.946W
機器人的兩輪是獨立驅(qū)動，所以每個電機克服摩擦的功率是18.473W，另外考慮到啟動加速、上下坡和其他自然因素，因此每個直流無刷電機的功率定位32W。進過理論和實踐證實30W的直流無算電機可以驅(qū)動總載重為35KG的機器人。經(jīng)過計算分析，確定電機參數(shù)如下：
表3-1 電機數(shù)據(jù)
參數(shù)名稱
參數(shù)數(shù)值
輸出功率
40W
額定電壓
24V
額定電流
0.3A
轉(zhuǎn)速
300轉(zhuǎn)
轉(zhuǎn)矩
0.46N*M
3.2 減速箱的確定
3.2.1 減速箱齒輪的確定
本文設(shè)計的機器人車輪半徑為0.1m，速度約為0.6 m/s。機器人電機輸出轉(zhuǎn)速為300n/m，車輪的轉(zhuǎn)速為120n/m。所以總傳動比i總為：
i總=300n/m：120n/m=2.5
本文采用兩級圓柱齒輪減速器進行減速，綜合考慮，本文決定用分流式（結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但由于齒輪相對于軸承對稱布置，與展開式相比載荷沿齒寬分布均勻，軸承受載較均勻。中間軸危險截面上的轉(zhuǎn)矩只相當于軸所傳遞轉(zhuǎn)矩的一半。適用于變載荷的場合。高速級一般用斜齒，低速級可用直齒或人字齒）。
減速箱輸出扭矩為:
T = 9550×W/n×i×η （3-1）
= 9550×0.04KW/300n/m×2.5×92%
= 2.93 N*M
通過查找資料,確定減速箱第一級模數(shù)m=1.5,傳動比ii=2.5,小齒輪齒數(shù)20,大齒輪齒數(shù)50.
表3-2 齒輪相關(guān)數(shù)據(jù)
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
計算公式
小齒輪
大齒輪
齒寬
b
dΨ
18
15
齒距
p
p=π m
4.725
7.725
齒頂高
ha
ha=m
1.5
1.5
齒根高
hf
hf=1.25m
1.875
1.875
齒高
h
h=2.25m
3.375
3.375
分度圓直徑
d
d=mz
30
75
齒頂圓直徑
da
da=m(z+2)
33
78
齒根圓直徑
df
df=m(z-2.5)
27
72
中心距
a
a=0.5m(z1+z2)
52.5
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。按彎扭合成強度條件初步計算軸的各段直徑，軸計算載面的直徑為
（3-2）
式中 —軸計算載面上的彎矩，N·mm;
—軸計算載面上的轉(zhuǎn)矩，N·mm;
—將轉(zhuǎn)矩折合成當量彎矩的折算系數(shù)，若扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力按脈動循環(huán)變化時，；
—軸材料的許多彎曲應(yīng)力，MPa。
當所在計算載面軸段開有鍵槽時，由上式算得的直徑應(yīng)增大3%～5%（開一個鍵槽）或7%～10%（開兩個鍵槽），然后圓整為標準直徑.
通過如果減速器輸入軸通過聯(lián)軸器與電動機軸相聯(lián)接，則外伸段軸徑與電動機軸徑不得相差很大，否則難以選擇合適的聯(lián)軸器，也就是說，減速器輸入軸軸端直徑和電動機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；
—電動機軸直徑，mm。
減速器傳動中心距為已知，可取減速器從動軸危險截面直徑
???
式中 —減速器從動軸危險截面直徑，mm；
—該級傳動的中心距，mm。
綜合實際情況，最后選擇軸1最小軸徑6mm，軸2最小軸徑10mm。
3.2.3 減速箱軸承的確定
將運轉(zhuǎn)的軸與軸座之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，從而減少摩擦損失的一種精密的機械元件，叫滾動軸承（rolling bearing）。
滾動軸承一般由內(nèi)圈、外圈、滾動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；滾動體是借助于保持架均勻的將滾動體分布在內(nèi)圈和外圈之間，其形狀大小和數(shù)量直接影響著滾動軸承的使用性能和壽命；保持架能使?jié)L動體均勻分布，防止?jié)L動體脫落，引導(dǎo)滾動體旋轉(zhuǎn)起潤滑作用。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。當滾動軸承受純軸向載荷時，一般選用推力軸承；當滾動軸承受純徑向載荷時，一般選用深溝球軸承或短圓柱滾子軸承；當滾動軸承受純徑向載荷的同時，還有不大的軸向載荷時，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；當軸向載荷較大時，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尤為適宜。
根據(jù)機器人的要求及經(jīng)濟實惠的原則，我們決定選擇深溝球軸承，進一步通過《機械設(shè)計手冊》確定所選軸承：
表3-3 619/9和16003號深溝球軸承相關(guān)數(shù)據(jù)
基本額定荷載
極限轉(zhuǎn)速
重量
代號
D
B
安裝尺寸
Cr
Cor
脂
油
da
da
ra
2.48
1.08
2700
3400
0.092
619/9
20
6
11.4
18.2
0.3
6.0
3.3
18000
22000
0.028
16003
35
8
19.4
32.6
0.3
部分符號含義如下圖：
圖 3-2
3.2.4 減速箱其它結(jié)構(gòu)的確定
1、鍵聯(lián)接的作用：
鍵聯(lián)接裝配中，鍵（一般用45號鋼制成）是用來聯(lián)接軸上零件并對它們起周向固定作用，以達到傳遞扭矩的一種機械零件。
2、鍵聯(lián)接的分類：
常用鍵連接分為平鍵、半圓鍵和斜鍵3類。
①平鍵：側(cè)面是工作面，與鍵槽側(cè)面貼合構(gòu)成松聯(lián)接，靠鍵與鍵槽間的壓力傳遞扭矩。平鍵包括普通平鍵、薄型平鍵、導(dǎo)向平鍵和滑鍵 3種。普通平鍵用于帶轂零件無需在軸上移動的靜聯(lián)接；導(dǎo)鍵固定在軸上,而轂可以沿著鍵移動;滑鍵固定在轂上，而隨轂一同沿著軸上鍵槽移動，導(dǎo)向平鍵和滑鍵都構(gòu)成動聯(lián)接。綜合考慮，本設(shè)計選用的是普通平鍵聯(lián)接。
②半圓鍵：與平鍵類似，但它能繞其幾何中心擺動，以適應(yīng)帶轂零件上鍵槽的斜度。
③斜鍵：用以構(gòu)成緊聯(lián)接，主要有楔鍵和切向鍵兩種。楔鍵的一個底面有1:100的斜度,借以楔緊在軸、轂之間構(gòu)成聯(lián)接。它主要靠摩擦傳遞扭矩和軸向力，因楔緊會引起帶轂零件的偏心，其應(yīng)用不如平鍵普遍。
3、鍵聯(lián)接的裝配工藝要點
（1）裝配前應(yīng)檢查鍵的直線度、鍵槽對軸心線的對稱度和平行度。
?。?）普通平鍵的兩側(cè)面與軸鍵槽的配合一般有間隙。重載荷、沖擊、雙向使用時，須有過盈。鍵兩端圓弧應(yīng)無干涉。鍵端與軸槽應(yīng)留有零點一零mm的間隙。
（3）普通平鍵的底面與鍵槽底面應(yīng)貼實。
（4）半圓鍵的半徑應(yīng)稍小于軸槽半徑，其他要求與一般平鍵相同。
圖3-3
4 視覺移動機器人控制系統(tǒng)設(shè)計
本文研究的雙輪驅(qū)動式移動機器人是由一個圓形移動平臺和兩個獨立驅(qū)動的驅(qū)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(qū)動輪的中間，該種機構(gòu)組成簡單，而且旋轉(zhuǎn)半徑可從0到無限大，任意設(shè)定。當旋轉(zhuǎn)半徑為0時，由于能繞本體中心旋轉(zhuǎn)，所以有利于在狹窄場所改變方向，因此針對雙輪驅(qū)動式移動機器人運動特點，設(shè)計出機器人的控制方法，通過控制兩個驅(qū)動輪的驅(qū)動力矩，可以實現(xiàn)控制移動機器人沿給定的軌跡運動。
4.1 運動學(xué)模型
研究的雙輪驅(qū)動式移動機器人的幾何模型如圖4.l所示。主要參數(shù)如下：
F一移動平臺上的關(guān)鍵點；G一移動平臺的質(zhì)心；b一兩個驅(qū)動輪之間的距離；r一驅(qū)動輪的半徑；l一點G與點F之間的距離；φ 一平臺的轉(zhuǎn)角；θ 一左驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)角；θ一右驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)角。
圖4.1 雙輪驅(qū)動式移動機器人幾何模型
移動平臺質(zhì)心的速度為 v，它垂直于平臺的輪軸，因此它在兩個坐標軸上的分量分別為：
和 (4-1)
消去 得如下關(guān)系式：
(4-2)
點F與點G有如下位置關(guān)系：
(4-3)
(4-4)
對(3)和(4)求導(dǎo)可得如下速度關(guān)系：
(4-5)
(4-6)
F點的速度關(guān)系可以表示為：
(4-7)
平臺質(zhì)心的速度與驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為：
和 (4-8)
可以得到矩陣表達式：
(4-9)
因為
其中
所以
（4-10）
J定義為雙輪驅(qū)動式移動機器人的矩陣(4-10)，反映雙輪驅(qū)動式移動機器人關(guān)鍵點的速度與驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，同時也反映雙輪驅(qū)動式移動機器人關(guān)鍵點的作用力與驅(qū)動輪的驅(qū)動力之間的關(guān)系。
4.2 電子元件選型
4.2.1 開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器 LM7805
LM7805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)部過流、熱過載和輸出晶體管安全區(qū)保護功能，電路安全可靠。
雖然穩(wěn)壓器按國定的穩(wěn)壓設(shè)計，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。
4.2.2 步進電機驅(qū)動芯片 L298
L298是ST公司生產(chǎn)的一款高電壓、大電流，小功率電機驅(qū)動芯片。該芯片內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器、線圈等電感性負載;采用標準TTL邏輯電平信號控制;具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作:有一個邏輯電源輸入端，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)動電壓Vs可達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)動電流可達3A，正常工作電流為2A，總驅(qū)動電流可達4A;
(4)響應(yīng)速度快
(5)提供過溫保護，工作溫度范圍可達-25℃～130℃正常工作溫度為13℃～35℃。溫度過高或溫度過低時，芯片均會停止工作，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4-1所示。
圖4-1 LM298典型應(yīng)用
4.2.3 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(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(jié)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(gòu)。
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(diào)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(diào)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(nèi)容掉電也不會丟失。
（10）A/D轉(zhuǎn)換器模塊：具有8個輸入通道和10位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用來將外部的各種模擬物理量變換為便于單片機內(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(diào)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(qū)動可控硅、續(xù)電器等；脈寬調(diào)制輸出功能用來產(chǎn)生周期和脈沖可調(diào)的周期性方波信號，以驅(qū)動可驅(qū)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，用來與具有SPI和IC串行端口的外接器件或者其他單片機進行通信。
（14）并行從動端口PSP模塊：可以用來與其他具有開放總線的單片機、數(shù)字信號處理器或微處理器的并行數(shù)據(jù)連接，進行高速的數(shù)據(jù)傳輸和交換。
4.2.4 步進電機
步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。
步進電機分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度；反應(yīng)式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為0.72度。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛。
步進電機的一些特點：
（1）一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。
（2）步進電機外表允許的最高溫度。
（3）步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。
（4）步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。
步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高，步進電機將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。步進電機的選用計算方法。
步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進一個步距角增量。
步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進一個步距角增量。電機總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。
選擇步進電機時，首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。而在選用功率步進電機時，首先要計算機械系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩，電機的轉(zhuǎn)矩特性能滿足機械負載并有一定的余量保證其運行可靠。轉(zhuǎn)在實際工作過程中，各種頻率下的負載力矩必須在轉(zhuǎn)矩特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩大的電機，負載力矩大。
選擇步進電機時，應(yīng)使步距角和機械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機床所需的脈沖當量。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過步進電機的細分驅(qū)動來完成。但細分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機的固有特性所決定。
選擇功率步進電機時，應(yīng)當估算機械負載的負載慣量和機床要求的啟動頻率，使之與步進電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機床快速移動的需要。
5 移動機器人的視覺算法
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(wù)。本文所介紹的設(shè)計為簡易機器人添加視覺模塊，并研究了相關(guān)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(yù)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(shè)計中，機器人視覺導(dǎo)航中的圖像處理技術(shù)包括：視頻圖像的采集、圖像的預(yù)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(shù)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(dǎo)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(yīng)，然后把模擬的響應(yīng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，