【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）基于視覺的移動機(jī)器人設(shè)計與分析摘 要 移動機(jī)器人是機(jī)器人的一個重要分支，被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、國防及其民用設(shè)施上。隨著機(jī)器人技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，如何讓多個機(jī)器人相互協(xié)調(diào)、配合來共同的研究和實驗?zāi)Ｐ?，足球機(jī)器人系統(tǒng)是一個多學(xué)科交叉的前沿領(lǐng)域，它涉及到機(jī)器人學(xué)、智能控制技術(shù)、通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、圖像處理和人工智能等方向，正在成為國內(nèi)外許多大學(xué)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(guān)注。本次設(shè)計的研究內(nèi)容就是基于視覺導(dǎo)航的履帶式移動機(jī)器人，以足球機(jī)器人為研究模型，其核心內(nèi)容是應(yīng)用單片機(jī)控制直流電機(jī)實現(xiàn)機(jī)器人的智能控制，采用視覺傳感器解決移動機(jī)器人的定位問題，實現(xiàn)機(jī)器人在給定環(huán)境中的“完全自主” 。能使機(jī)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(jī)，使單片機(jī)按照預(yù)定的工作模式控制小車的運動控制。內(nèi)容包括：：機(jī)器人采用兩輪獨立驅(qū)動的履帶結(jié)構(gòu)，動力源采用直流無刷電機(jī)，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(jī)器人的轉(zhuǎn)向，選用增量式光電編碼器進(jìn)行對機(jī)器人速度的檢測，實現(xiàn)機(jī)器人的定位。：控制部分采用AT89C51型號單片機(jī)進(jìn)行接受命令和產(chǎn)生驅(qū)動信號，電機(jī)的驅(qū)動部分采用L293D控制芯片，芯片利用接受到的單片機(jī)發(fā)出的信號來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。3. 傳感器部分：利用視覺傳感器收集圖像，送至上位機(jī)進(jìn)行圖像處理。關(guān)鍵詞： 移動機(jī)器人 單片機(jī) 運動控制 視覺傳感器 圖像處理IIAbstractMobile robot is an important branch of robotics and will be widely applied in both military field and civil area. 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 multirobot cooperative systems MRCS. As a research model of MRCS, soccer robot is an interdisciplinary area that involves the knowledge of robotics, intelligence control, wireless munication, puter science, sensor technology, image processing, artificial intelligence, and so on. It has bee a public experimental platform for universities all over the world to municate with each other. It has gained considerable attention in recent years. Originally inferior design simple ness 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 self39。s own in interior hit the target plicated environment pleteness. And can 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 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: the robot driven by two independent track structures, the power source using brushless DC motor, gear reducer and gear belt 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 driving 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 upperputer for image processing. Key words：mobile robot， motion control， single chip， vision sensor ， image processing目 錄摘 要 IAbstract II1移動機(jī)器人 1 1 1 2 2 3 32視覺移動機(jī)器人方案的確定 5 5 5 5 6 6 6 7： 7 7 8 83視覺移動機(jī)器人方案的確定 10 10 10 10 圓錐圓柱減速器的設(shè)計 11 11 12 12 16 19 19 20 214 視覺移動機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計 22 22 PIC16F877 22 245移動機(jī)器人的圖像處理技術(shù) 26 26 26 26 27 29結(jié) 論 30致 謝 31參考文獻(xiàn) 32附 錄 33 1移動機(jī)器人機(jī)器人是一種自動化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機(jī)器。移動機(jī)器人技術(shù)一直是人類長期科學(xué)研究的熱點。它的歷史可以追溯到20世紀(jì)六十年代。1962年，美國Unimation公司的第一臺機(jī)器人Unimate。在美國通用汽車公司(GM)投入使用，標(biāo)志著第一代機(jī)器人的誕生。1968年，美國斯坦福研究所公布了他們研發(fā)成功的機(jī)器人Shakey，該機(jī)器人能夠根據(jù)人的指令通過視覺傳感器發(fā)現(xiàn)并抓取積木,標(biāo)志著第一臺智能機(jī)器人的誕生，同時也揭開了移動機(jī)器人研究的序幕?，F(xiàn)在，國際上對機(jī)器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般說來，人們都可以接受的說法是：機(jī)器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會給機(jī)器人下的定義：“機(jī)器人是一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)?！睓C(jī)器人能夠利用各種傳感器采集機(jī)器人所在環(huán)境的特征，通過各種環(huán)境特征可以自動地規(guī)劃自己的行動路徑，實現(xiàn)尋跡、避障等智能行為。早期的機(jī)器人主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，例如利用機(jī)器人搬運工件、更換刀具、焊接工件、噴射油漆以及實現(xiàn)零件的裝配等工作。但是到了90 年代，隨著機(jī)械技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人活動領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，機(jī)器人的應(yīng)用從制造業(yè)領(lǐng)域向非制造業(yè)領(lǐng)域不斷發(fā)展，原先只是在工業(yè)中才使用的自主式機(jī)器人也開始進(jìn)入到人們的日常生活中來，因此在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域都能看到移動機(jī)器人的身影，美國麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、英國愛丁堡大學(xué)等都陸續(xù)成立了機(jī)器人實驗室，由此機(jī)器人技術(shù)得到了長久的發(fā)展。本文設(shè)計的機(jī)器人實際上就是一種利用視覺傳感器自動移動的機(jī)器裝置，由視覺傳感器采集圖像，送至上位機(jī)分析，實現(xiàn)路徑識別，采用單片機(jī)控制直流無刷電機(jī)實現(xiàn)對小車速度的控制，達(dá)到運動要求。對智能機(jī)器人的研究有著廣泛的現(xiàn)實意義，概括地說可以有三點：1. 智能機(jī)器人技術(shù)是一門綜合性很強(qiáng)的技術(shù)。對移動機(jī)器人的設(shè)計包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器、運動學(xué)方程、控制系統(tǒng)、路徑規(guī)劃以及各種算法的分析與設(shè)計。因此移動機(jī)器人的研究涉及到的學(xué)科包括：機(jī)械加工技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、電子技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)、圖像處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)等等，所以移動機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展使得各門科學(xué)技術(shù)都得到了長遠(yuǎn)的進(jìn)步與發(fā)展，是科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的有力途徑和工具。2. 智能機(jī)器人有著廣泛的應(yīng)用前景，可以說它幾乎滲透到了人類社會所有的領(lǐng)域?？梢灶A(yù)見在未來的人類社會里，移動機(jī)器人將會出現(xiàn)在我們生活中的每一個角落，成為時代發(fā)展的主流。隨著人們生活水平的提高，人類對機(jī)器人的功能也提出了更高的要求，越來越多的移動機(jī)器人已經(jīng)走入了我們的生活，在家里，服務(wù)型的室內(nèi)機(jī)器人可以從事清潔衛(wèi)生、園藝、垃圾處理、家庭護(hù)理與服務(wù)等作業(yè)；在醫(yī)院，移動機(jī)器人可以從事手術(shù)、化驗、助殘、導(dǎo)盲、運輸、康復(fù)及病人護(hù)理等作業(yè)；在商場和旅游中，導(dǎo)購機(jī)器人、導(dǎo)游機(jī)器人和表演機(jī)器人都使得人類生活變得豐富多彩。因此移動機(jī)器人已經(jīng)成為未來社會非常有潛力的產(chǎn)業(yè)，誰可以掌握室內(nèi)移動機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，誰就可以引領(lǐng)世界的潮流。3. 機(jī)器人的發(fā)展是一個國家高科技水平和工業(yè)自動化程度的重要體現(xiàn)。它實現(xiàn)了工業(yè)的完全自動化，從機(jī)械加工到零件的裝配，甚至連工藝的設(shè)計都由工業(yè)機(jī)器人完成。機(jī)器人帶動了工業(yè)技術(shù)的革新，社會的發(fā)展以及其他領(lǐng)域的革命。當(dāng)今社會，機(jī)器人正代替人發(fā)揮著日益重要的作用，不斷地改變著人類的生活方式，因此完全可以說機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展帶動了整個人類社會的發(fā)展。綜上所述，我國對移動機(jī)器人的研究面臨著很大的挑戰(zhàn)，必須加大對機(jī)器人的開發(fā)與應(yīng)用才能走在時代的前列。自機(jī)器人問世以來，人們就很難對機(jī)器人下一個準(zhǔn)確的定義，歐美國家認(rèn)為機(jī)器人應(yīng)該是“由計算機(jī)控制的通過編程具有可以變更的多功能的自動機(jī)械”；日本學(xué)者認(rèn)為“機(jī)器人就是任何高級的自動機(jī)械”；我國科學(xué)家對機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機(jī)器?！蹦壳皣H上對機(jī)器人的概念已經(jīng)漸趨一致，聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會于1979年給機(jī)器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)。”概括說來，機(jī)器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。智能機(jī)器人的研究可以追溯到20世紀(jì)60年代，在1966至1972年間,美國斯坦福研究院的和Charles等人研制的機(jī)器人，是歷史上第一個由計算機(jī)控制的自主式智能移動機(jī)器人。它由遠(yuǎn)程大型計算機(jī)控制，帶有視覺傳感器和觸覺傳感器，在室內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境中可以完成從一個地點移動到另一個地點，以及檢測障礙物并移動障礙物到指定地點的任務(wù)。它的出現(xiàn)標(biāo)志著智能機(jī)器人研究的正式開始。1970年前蘇聯(lián)月球17號探測器把世界第一個無人駕駛的月球車送去月球，考察了8萬平方米的月面。后來的月球車行駛37公里，向地球發(fā)回88幅月面全景圖。在同一時代，美國噴氣推進(jìn)實驗室也研制了月球車(Lunar rover),應(yīng)用于行星探測的研究。采用了攝像機(jī)，激光測距儀以及觸覺傳感器。機(jī)器人能夠把環(huán)境區(qū)分為可通行、不可通行以及未知等類型區(qū)域。1973年到1979年，斯坦福大學(xué)人工智能實驗室研制了CART移動機(jī)器人，CART可以自主地在辦公室環(huán)境運行。CART每移動1米，就停下來通過攝像機(jī)的圖片對環(huán)境進(jìn)行分析，規(guī)劃下一步的運行路徑。由于當(dāng)時計算機(jī)性能的限制，CART每一次規(guī)劃都需要耗時約15分鐘。CMU Rover由卡耐基梅隆大學(xué)機(jī)器人學(xué)研究所在1981年開始研制，它具有12個微處理器來處理實時任務(wù)，一個大型的遠(yuǎn)程計算機(jī)通過遙控方式來進(jìn)行復(fù)雜規(guī)劃與環(huán)境分析，并通過聲納傳感器與視覺傳感器來探測環(huán)境中的障礙。由于計算機(jī)的運行速度、傳感器感知能力的限制，這些移動機(jī)器人的實時控制性能不佳。每