【正文】 容就是基于 視覺(jué)導(dǎo)航的履帶式移動(dòng)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) ]2[ 控制直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能控制，采用視覺(jué)傳感器解決移動(dòng)機(jī)器人的定位問(wèn)題，實(shí)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(guò)自身傳感器測(cè)量周?chē)h(huán)境數(shù)據(jù)，逐漸估計(jì)自身位置和運(yùn)動(dòng)狀況，并把信號(hào)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(chē)的運(yùn)動(dòng)控制。 運(yùn)動(dòng)方式的選擇 .................................... 5 電源的論證與選擇 .................................. 5 傳動(dòng)方式的選擇 .................................... 6 傳感器的選擇 ..................................... 6 最終方案： ....................................... 7 視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 .............................................................. 7 控制系統(tǒng)的選擇 ......................................... 7 控制器的軟件設(shè)計(jì) ....................................... 8 3 視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人方案的確定 .......................................................................... 10 電動(dòng)機(jī)的確定 ................................................................................................ 10 電動(dòng)機(jī)功率的選擇 ...................................... 10 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇 ...................................... 10 圓錐圓柱減速器的設(shè)計(jì) ................................................................................11 傳動(dòng)方案的選擇 ........................................ 11 傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 .................................... 12 圓錐齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 ......................................................... 12 圓柱齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 ......................................................... 16 數(shù)據(jù)整理 ..................................................................................... 19 軸的設(shè)計(jì) ..................................................................................... 19 減速箱軸承的確定 ...................................... 20 聯(lián)軸器的選擇 .......................................... 21 4 視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) .................................................................... 22 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 機(jī)器人電子元件的選型 ................................................................................ 22 單片機(jī) PIC16F877 ...................................... 22 直流無(wú)刷電機(jī) .......................................... 24 5 移動(dòng)機(jī)器人的圖像處理技術(shù) .......................................................................... 26 圖像的采集 .................................................................................................... 26 圖像的預(yù)處理 ................................................................................................ 26 彩色圖像灰度化 ........................................ 26 灰度圖像的平滑處理 .................................... 27 顏色模型轉(zhuǎn)換 .......................................... 29 結(jié) 論 ................................................................................................................... 30 致 謝 ................................................................................................................... 31 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................... 32 附 錄 ................................................................................................................... 33 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 1 1 移動(dòng)機(jī)器人 移動(dòng)機(jī)器人的研究歷史 機(jī)器人 ]1[ 是一種自動(dòng)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(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器。聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)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(lái)搬運(yùn)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(dòng)作的專(zhuān)門(mén)系統(tǒng)。 2. 智能機(jī)器人有著廣泛的應(yīng)用前景，可以說(shuō)它幾乎滲透到了人類(lèi)社會(huì)所有的領(lǐng)域。綜上所述，我國(guó)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究面臨著很大的挑戰(zhàn)，必須加大對(duì)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用才能走在時(shí)代的前列。后來(lái)的月球車(chē)行駛 37公里，向地球發(fā)回 88 幅月面全景圖。 由于計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度、傳感器感知能力的限制，這些移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制性能不佳。在危險(xiǎn)環(huán)境下作業(yè)移動(dòng)機(jī)器人、基于復(fù)合結(jié)構(gòu)的非結(jié)構(gòu)環(huán)境應(yīng)用的移動(dòng)機(jī)器人、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 4 高機(jī)動(dòng)性越障機(jī)器人、多足仿生機(jī)器人、仿人形機(jī)器人等研究項(xiàng)目取得了眾多的成果。 這一系列的成就推動(dòng)了我國(guó)移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，縮短了與國(guó)外先進(jìn)水平的差距，而且在某些領(lǐng)域也取得了國(guó)際領(lǐng)先的成果，己經(jīng)成為我國(guó)機(jī)器人應(yīng)用的一個(gè)突出領(lǐng)域。優(yōu)點(diǎn)是在直道行駛速度較快、 方向和速度相互獨(dú)立。動(dòng)力電池組具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力及穩(wěn)定的電壓輸出性能，經(jīng)測(cè)試在用此種供電方式下，單片機(jī)和傳感器工作穩(wěn)定，本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 6 直流電機(jī)工作良好，且電池體積較小、可以充電、能夠重復(fù)利用等，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求。按齒輪軸線的相對(duì)位置分平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)、相交軸圓錐齒輪傳動(dòng)和交錯(cuò)軸螺旋齒輪傳動(dòng)。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著 反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。 PLC 實(shí)質(zhì)是一種專(zhuān)用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同， 由 CPU、儲(chǔ)存器、電源構(gòu)成。它的體積小、質(zhì)量輕、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)提供了便利條件 ，同時(shí)單片機(jī)的成本本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 8 比 PLC 略微低廉，綜合考慮本次設(shè)計(jì)選擇單片機(jī)控制。當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人需要做出某種動(dòng)作時(shí)，車(chē)載機(jī)只須將期 望動(dòng)作翻譯為一個(gè)電機(jī)指令序列，發(fā)布給運(yùn)動(dòng)控制器，運(yùn)動(dòng)控制器就可以按部就班地控制機(jī)器人予以完成。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 10 3 視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人方案的確定 電動(dòng)機(jī)的確定 從機(jī)器人是實(shí)際運(yùn)動(dòng)出發(fā)考慮，機(jī)器人的速度不能太快，否則會(huì)造成控制部分來(lái)不及處理和 發(fā)送信號(hào)，電機(jī)不能及時(shí)做出反應(yīng)，機(jī)器人在行進(jìn)的過(guò)程中不能實(shí)現(xiàn)避障功能，碰撞到障礙物而損壞的情況。 一般選用同步轉(zhuǎn)速為 1500r/min 或 1000r/min 的電動(dòng)機(jī)。 1．選定齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù) （ 1） 按傳動(dòng)方案，選用直齒圓錐齒輪傳動(dòng)，齒形制 JB11060,齒形角020?? ，齒頂高系數(shù)好 h*a =1，頂隙系數(shù) c *? ，不變位。/100min。 大端分度圓直徑： mmd 141 ? mmd 412 ? 節(jié)錐頂距 mmudR 2 ??? 節(jié)圓錐角 ?? ?? 大端齒頂圓直徑 151?ad ?ad 齒數(shù) 231?z ， 692?z 模數(shù) m= 齒圓柱齒輪 精度 8 級(jí)，小齒輪材料為 40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為 280HBS,大齒輪材料 45 鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為 240HBS,兩者材料硬度相差 40HBS。為此，可取減速器輸入軸軸端直徑： ma dd )( ?? mm (343) 式中 ad — 減速器輸入軸軸端直徑， mm； md — 電動(dòng)機(jī)軸直徑， mm。當(dāng)滾動(dòng)軸承受純軸向載荷時(shí)，一般選用推力軸承；當(dāng)滾動(dòng)軸承受純徑向載荷時(shí)，一般選用深溝球軸承或短圓柱滾子軸承；當(dāng)滾動(dòng)軸承受純徑向載荷的同時(shí)，還有不大的軸向載荷時(shí)，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(dāng)軸向載荷較大時(shí)，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(shí)尤為適宜 。由于中間滑塊的質(zhì)量較小，具有彈性，可應(yīng)用于較高的轉(zhuǎn)速。這類(lèi) 聯(lián)軸器目前應(yīng)用很廣，品種亦愈來(lái)愈多。 （ 3） 梅花形彈性聯(lián)軸器 這種聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)形式及工作原理與星形彈性聯(lián)軸器相似，但半聯(lián)軸器與軸配合的孔可做成圓 柱形或圓錐形，并以梅花形彈性件取代星形彈性件。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 23 存儲(chǔ)器按工作方式可分為、隨機(jī)存儲(chǔ)器（ RAM）和只讀存儲(chǔ)器（ ROM）。 （ 4）端口 RD 模塊：是一個(gè)具有 8 條引腳的輸入 /輸出可編程的端口。輸入捕捉功能可以用于測(cè)量信號(hào)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(fù)方波脈沖信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)可控硅、續(xù)電器等；脈寬調(diào)制輸出功能用來(lái)產(chǎn)生周期和脈沖可調(diào)的周期性方波信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)可驅(qū)動(dòng)可控硅、步進(jìn)電機(jī)等。 RB0～ RB7（ 33～ 40 引腳）： RB 是一個(gè)輸入 /輸出可 編程的雙向端口，作為輸入時(shí)內(nèi)部有可編程的弱上位電路。早在上世紀(jì)誕生電機(jī)的時(shí)候，產(chǎn)生的實(shí)用性電機(jī)就是無(wú)刷形式，即交流鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。無(wú)刷直流電機(jī)在重量和體積上要比有刷直流電機(jī)小的多，相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以減少 40％ —50％左右。本章從各個(gè)方面對(duì)這些圖像處理技術(shù)進(jìn)行了分析和比較，提出最優(yōu)的圖像處理方法，保證機(jī)器人在導(dǎo)航中能夠有效、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地為視覺(jué) 算法提供特征信息，并根據(jù)這些特征信息實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主移動(dòng)。 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(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，而其主要差異是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送的方式不同。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 25 這種電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，調(diào)速范圍廣，壽命長(zhǎng)，維護(hù)方便噪聲小，不存在因電刷而引起的一系列問(wèn)題，所以這種電動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用潛力。本世紀(jì)中葉誕生了晶體管，因而采用晶體管換向電路代替電刷與換向器的直流無(wú)刷電機(jī)就應(yīng)運(yùn)而生了。 RD0～ RD7（ 19～ 22， 27～ 30 引腳）： RD 是一個(gè)輸入 /輸出可編程的雙向端口。 （ 13）主同步串行端口 MSSP 模塊：具有 SPI 和 IC 兩種 工作模式，用來(lái)與具有 SPI 和 IC 串行端口的外