【導讀】隨著機器人技術和人工智能技術的發(fā)展，如何讓多個機器人相互協(xié)調、配合來共。學、智能控制技術、通信技術、計算機技術、傳感器技術、圖像處理和人工智能等方向，正在成為國內外許多大學研究、比賽和交流的公共實驗平臺。器解決移動機器人的定位問題，實現(xiàn)機器人在給定環(huán)境中的“完全自主”。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，逐漸估計自身位置和運動狀況，并把信號反饋到單片機，使單片機按照預定的工作模式控制小車的運動控制。編碼器進行對機器人速度的檢測，實現(xiàn)機器人的定位。Keywords：mobilerobot，motioncontrol，singlechip，visionsensor，

　　

【正文】 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。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 adl )( ?? 式中 ld— 減速器從動軸危險截面直徑， mm； a— 該級傳動的中心距， mm。 確定軸的最小直徑 選取軸的材料為 45 鋼，調質處理。根據表 153，取 A 105?O ,于是得 ???? 3311m i n1 1 5 0 00 3 8 O ???? 3322m i n2 5 0 00 3 5 0 5nPAd O ???? 3333m i n3 1 0 00 3 4 0 5nPAd O 取 61?d ， 102?d ， 143?d 。 減速箱軸承的確定 將運轉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） ]6[ 。 滾動軸承一般由內圈、外圈、滾動體和保持架四部分組成。 內圈的作用是與軸相配合并與軸一起旋轉；外圈作用是與軸承座相配合，起本科畢業(yè)設計說明書（論文） 21 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，引導滾動體旋轉起潤滑作用。 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、圓錐滾子軸承及調心球或調心滾子軸承；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 。 根據機器人的要求及經濟實惠的原則，本次設計選擇深溝球軸承和角接觸球軸承 聯(lián)軸器的選擇 無彈性元件的撓性聯(lián) 軸器 這類聯(lián)軸器因具有撓性，故可補償兩軸的相對位移。但因無彈性元件，故不能緩沖減振。常用的有以下幾種： （ 1）凸緣聯(lián)軸器 采用鉸制孔用螺栓聯(lián)接 ，并靠鉸制孔 (對應鉸制孔螺栓 ) 螺栓來對中 ,依靠螺栓的抗剪切能力傳遞扭矩。 （ 2） 十字滑塊聯(lián)軸器 十字滑塊聯(lián)軸器屬于撓性聯(lián)軸器；由兩個端面上開有凹型槽的半聯(lián)軸器和兩面帶有凸牙的中間盤組成。凸牙可在凹槽中滑動，可以補償安 裝及運轉時兩軸間的相對位移。一般運用于轉速 n小于 250r/min,軸的剛度較大，無劇烈沖擊處。 （ 3） 滑塊聯(lián)軸器 滑塊聯(lián)軸器是由兩個帶凹槽的半聯(lián)軸器和一個方形滑塊組成，滑塊材料通常為夾布鉸木制成。由于中間滑塊的質量較小，具有彈性，可應用于較高的轉速。結構簡單、緊湊、適用于小功率、高轉速而無劇烈沖擊處。 （ 4） 齒式聯(lián)軸器 齒形聯(lián)軸器由兩個帶有內齒及凸緣的外套和兩個帶有外齒的內套筒組成。依靠內外齒相嚙合傳遞扭矩。齒輪的齒廓曲線為漸開線，嚙合角為 20176。 這類聯(lián)軸器能傳遞很大的轉矩，并允許有較大的偏移量，安裝精度要求不高，常用于重型機械中。 有彈性元件的撓性聯(lián)軸器 這類聯(lián)軸器因裝有彈性元件，不僅可以補償兩軸間的相對位移，而且具有緩沖減振的能力。彈性元件所能儲蓄的能量越多，則聯(lián)軸器的緩沖能力愈強；彈性元件的彈性滯后性能與彈性變形時零件間的摩擦功愈大、則聯(lián)軸器的減振能力愈好。這類 聯(lián)軸器目前應用很廣，品種亦愈來愈多。常見的有以下幾類： 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 22 （ 1） 彈性套柱銷聯(lián)軸器 這種聯(lián)軸器的構造與凸緣聯(lián)軸器相似，只是用套有彈性套的柱銷代替了聯(lián)接螺栓。因為通過蛹狀常用耐油橡膠，以提高其彈性。半聯(lián)軸器與軸的配合孔可做成圓柱形或圓錐形。 （ 2） 輪胎聯(lián)軸器 輪胎聯(lián)軸器用橡膠或橡膠織物制成輪胎狀 的彈性元件，兩端用壓板及螺釘分別壓在兩個半聯(lián)軸器上。這種聯(lián)軸器富有彈性，具有良好的消振能力，能有效地降低動載荷和補償較大的軸向位移，而且絕緣性能好，運轉時無噪聲。缺點是徑向尺寸較大；當轉矩較大時，會因過大扭轉變形而產生附加軸向載荷。為了便于裝配，有時將輪胎開出徑向切口，但這時承載能力要顯著降低。 （ 3） 梅花形彈性聯(lián)軸器 這種聯(lián)軸器結構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。彈性件可根據使用要求選用不同硬度的聚氨酯橡膠、鑄型尼龍等材料制造。工作溫度范圍為 35～ +80176。 C，短時工作溫度可達 100176。 C，傳遞的公稱轉矩為 16～ 25000Nm。 在本次設計中，考慮到滿足使用要求，從經濟性上考慮，決定選用凸緣聯(lián)軸器。 4 視覺移動機器人控制系統(tǒng)設計 機器人電子元件的選型 單片機 PIC16F877 ]2[ 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。本科畢業(yè)設計說明書（論文） 23 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。 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 /脈寬調制 CCP 模塊配合實現(xiàn)捕捉和比較功能。 （ 9） EEPROM 數(shù)據存儲模塊：是 256 8 的電可擦寫的存儲器，儲存的內容掉電也不會丟失。 （ 10） A/D 轉換器模塊：具有 8 個輸入通道和 10 位分辨率的模數(shù)轉換器，用來將外部的各種模擬物理量變換為便于單片機內部處理的數(shù)字量。 （ 11）捕捉 /比較 /脈寬調制 CCP1 和 CCP2 模塊： PIC16F877 片內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寬度不同的正負方波脈沖信號，以驅動可控硅、續(xù)電器等；脈寬調制輸出功能用來產生周期和脈沖可調的周期性方波信號，以驅動可驅動可控硅、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)據連接，進行高速的數(shù)據傳輸和交換。 引腳的基本功能： 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 24 OSC1（ 13 引腳）：時鐘振蕩器輸入端，也是晶振連接端。 OSC2（ 14 引腳）：時鐘振蕩器輸出端，也是晶振連接端。 MCLR（ 1 引腳）：人工復位輸入端。 RA0～ RA5（ 27 引腳）： RA 是一個輸入 /輸出可編程的雙向 5 線端口。 RB0～ RB7（ 33～ 40 引腳）： RB 是一個輸入 /輸出可 編程的雙向端口，作為輸入時內部有可編程的弱上位電路。 RC0～ RC7（ 15～ 18， 23～ 26 引腳）： RC 是一個輸入 /輸出可編程的雙向端口。 RD0～ RD7（ 19～ 22， 27～ 30 引腳）： RD 是一個輸入 /輸出可編程的雙向端口。 RE0～ RE2（ 8～ 10 引腳）： RE 是一個輸入 /輸出可編程的雙向 3 線端口。 VSS（ 12， 31 引腳）：接地端。 VDD（ 11， 32 引腳）：正電源端。 直流無刷電機 無刷直流電機 ]3[ 由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產品。 無刷電機是指無電刷和換向器 (或集電環(huán) )的電機，又稱無換向器電機。早在上世紀誕生電機的時候，產生的實用性電機就是無刷形式，即交流鼠籠式異步電動機，這種電動機得到了廣泛的應用。但是，異步電動機有許多無法克服的缺陷，以致電機技術發(fā)展緩慢。本世紀中葉誕生了晶體管，因而采用晶體管換向電路代替電刷與換向器的直流無刷電機就應運而生了。這種新型無刷電機稱為電子換向式直流電機，它克服了第 一代無刷電機的缺陷。 無刷直流電機（ BLDCM）是在有刷直流電動機的基礎上發(fā)展來的，但它的驅動電流是不折不扣的交流；無刷直流電機又可以分為無刷速率電機和無刷 力矩電機 。一般地，無刷電機的驅動電流有兩種，一種是梯形波（一般是 “方波 ”），另一種是正弦波。有時候把前一種叫直流無刷電機，后一種叫交流 伺服電機 ，確切地講是交流伺服電動機的一種。 無刷直流電機為了減少轉動慣量，通常采用 “細長 ”的結構。無刷直流電機在重量和體積上要比有刷直流電機小的多，相應的轉動慣量可以減少 40％ —50％左右。由于永磁材料的加工問題，致使無刷直流電機一般的容量都在 100kW 以下。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 25 這種電動機的機械特性和調節(jié)特性的線性度好，調速范圍廣，壽命長，維護方便噪聲小，不存在因電刷而引起的一系列問題，所以這種電動機在控制系統(tǒng)中有很大的應用潛力。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 26 5 移動機器人的圖像處理技術 機器視覺 系統(tǒng) ]12[ 是智能機器人的重要標志，機器人視覺系統(tǒng)模仿了人的視覺感知能力，允許對環(huán)境做非接觸式的測量。增加了視覺系統(tǒng)的機器人，其自主和自適應能力可以大大提高。目前，機器視覺系統(tǒng)在圖像處理方面多采用封裝式圖像處理方法，把圖像傳感與處理分成獨立的兩個部分。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。 本設計中，機器人視覺導航中的圖像處理技術包括：視頻圖像的采集、圖像的預處理、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，并根據這些特征信息實現(xiàn)機器人的自主移動。 圖像的采集 所謂圖像采集 ]13[ 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生響應，然后把模擬的響應轉換為電信號，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)進行光電轉換，將圖像轉換為數(shù)字數(shù)據，而其主要差異是數(shù)字數(shù)據傳送的方式不同。 CCD 傳感器 中每一行中每一個象素的電荷數(shù)據都會依次傳送到下一個 像 素中，由最底端部分輸出，再經由傳感器邊緣的放大器進行放大輸出；而 在 CMOS傳感器中，每個象素都會鄰接一個放大器及 A/D 轉換電路，用類似內存電路的方式將數(shù)據輸出。 CMOS 傳感器的圖像采集方式為主動式，感光二極管所產生的電荷會直接由晶體管放大輸出，但 CCD 傳感器為被動式采集，需外加電壓讓每個象素中的電荷移動，而此外加電壓通常需要達到 1218V；因此， CCD 傳感器除了在電源管理電路設計上的難度更高之外 (需外加 power IC)，高驅動電壓更使其功耗遠高于CMOS 傳感器的水平。 CCD 傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優(yōu)于 CMOS 傳感器，而 CMOS傳感器則具有低成 本、