【導(dǎo)讀】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(gè)機(jī)器人相互協(xié)調(diào)、配合來共。學(xué)、智能控制技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)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(shí)驗(yàn)平臺。器解決移動機(jī)器人的定位問題，實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jù)，逐漸估計(jì)自身位置和運(yùn)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(yùn)動控制。編碼器進(jìn)行對機(jī)器人速度的檢測，實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jī)軸相聯(lián)接，則外伸段軸徑與電動機(jī)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(jī)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： ma dd )( ?? mm (343) 式中 ad — 減速器輸入軸軸端直徑， mm； md — 電動機(jī)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(xiǎn)截面直徑 adl )( ?? 式中 ld— 減速器從動軸危險(xiǎn)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(diào)質(zhì)處理。根據(jù)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(yùn)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(jī)械元件，叫滾動軸承（ rolling bearing） ]6[ 。 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，起本科畢業(yè)設(shè)計(jì)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(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。 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(dāng)滾動軸承受純軸向載荷時(shí)，一般選用推力軸承；當(dāng)滾動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 。 根據(jù)機(jī)器人的要求及經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的原則，本次設(shè)計(jì)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(bǔ)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(yīng)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(gè)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(bǔ)償安 裝及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)兩軸間的相對位移。一般運(yùn)用于轉(zhuǎn)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(gè)帶凹槽的半聯(lián)軸器和一個(gè)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(zhì)量較小，具有彈性，可應(yīng)用于較高的轉(zhuǎn)速。結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、適用于小功率、高轉(zhuǎn)速而無劇烈沖擊處。 （ 4） 齒式聯(lián)軸器 齒形聯(lián)軸器由兩個(gè)帶有內(nèi)齒及凸緣的外套和兩個(gè)帶有外齒的內(nèi)套筒組成。依靠內(nèi)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(zhuǎn)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(jī)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(bǔ)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(qiáng)；彈性元件的彈性滯后性能與彈性變形時(shí)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(yīng)用很廣，品種亦愈來愈多。常見的有以下幾類： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 22 （ 1） 彈性套柱銷聯(lián)軸器 這種聯(lián)軸器的構(gòu)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?yàn)橥ㄟ^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(gè)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(bǔ)償較大的軸向位移，而且絕緣性能好，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無噪聲。缺點(diǎn)是徑向尺寸較大；當(dāng)轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，會因過大扭轉(zhuǎn)變形而產(chǎn)生附加軸向載荷。為了便于裝配，有時(shí)將輪胎開出徑向切口，但這時(shí)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(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。彈性件可根據(jù)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(shí)工作溫度可達(dá) 100176。 C，傳遞的公稱轉(zhuǎn)矩為 16～ 25000Nm。 在本次設(shè)計(jì)中，考慮到滿足使用要求，從經(jīng)濟(jì)性上考慮，決定選用凸緣聯(lián)軸器。 4 視覺移動機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)器人電子元件的選型 單片機(jī) PIC16F877 ]2[ 單片機(jī)是將中央 處理器（ CPU）、隨機(jī)存儲器（ RAM）、只讀存儲器（ ROM）、定時(shí)器芯片和一些輸入輸出接口電路集成的一個(gè)芯片上的微控制器。 中央處理器是單片機(jī)的核心，它包括運(yùn)算器、控制器和寄存器 3 個(gè)主要部分。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 23 存儲器按工作方式可分為、隨機(jī)存儲器（ RAM）和只讀存儲器（ ROM）。 RAM可以隨機(jī)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(jī)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(jī)的 I/O 端口讀入單片機(jī)的。單片機(jī)計(jì)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(jī)構(gòu)。 PIC16F877 芯片上集成有： （ 1）端口 RA 模塊：是一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)具有 3 條引腳的輸入 /輸出可編程的端口。 （ 6）定時(shí)器 TMR0 模塊：是一個(gè) 8 位寬的可編程的定時(shí)器，也可作為計(jì)數(shù)器使用。 （ 7）定時(shí)器 TMR1 模塊：是一個(gè) 16 位寬的可編程的定時(shí)器，也可 作為計(jì)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(shí)現(xiàn)捕捉和比較功能。 （ 8）定時(shí)器 TMR2 模塊：是一個(gè) 8 位寬的可編程的定時(shí)器，也可作為計(jì)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(shí)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(gè)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(jī)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(gè)幾乎完全相同的 CCP 模塊，與 TMR1 和 TMR2 配合可以實(shí)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(fù)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(jìn)電機(jī)等。 （ 12）通用同步 /異步發(fā)生器 USART 模塊：用于實(shí)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(jī)進(jìn)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(jī)、數(shù)字信號處理器或微處理器的并行數(shù)據(jù)連接，進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)傳輸和交換。 引腳的基本功能： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 24 OSC1（ 13 引腳）：時(shí)鐘振蕩器輸入端，也是晶振連接端。 OSC2（ 14 引腳）：時(shí)鐘振蕩器輸出端，也是晶振連接端。 MCLR（ 1 引腳）：人工復(fù)位輸入端。 RA0～ RA5（ 27 引腳）： RA 是一個(gè)輸入 /輸出可編程的雙向 5 線端口。 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。 RC0～ RC7（ 15～ 18， 23～ 26 引腳）： RC 是一個(gè)輸入 /輸出可編程的雙向端口。 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。 RE0～ RE2（ 8～ 10 引腳）： RE 是一個(gè)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(jī) 無刷直流電機(jī) ]3[ 由電動機(jī)主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 無刷電機(jī)是指無電刷和換向器 (或集電環(huán) )的電機(jī)，又稱無換向器電機(jī)。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)就是無刷形式，即交流鼠籠式異步電動機(jī)，這種電動機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。但是，異步電動機(jī)有許多無法克服的缺陷，以致電機(jī)技術(shù)發(fā)展緩慢。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刷電機(jī)就應(yīng)運(yùn)而生了。這種新型無刷電機(jī)稱為電子換向式直流電機(jī)，它克服了第 一代無刷電機(jī)的缺陷。 無刷直流電機(jī)（ BLDCM）是在有刷直流電動機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展來的，但它的驅(qū)動電流是不折不扣的交流；無刷直流電機(jī)又可以分為無刷速率電機(jī)和無刷 力矩電機(jī) 。一般地，無刷電機(jī)的驅(qū)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(shí)候把前一種叫直流無刷電機(jī)，后一種叫交流 伺服電機(jī) ，確切地講是交流伺服電動機(jī)的一種。 無刷直流電機(jī)為了減少轉(zhuǎn)動慣量，通常采用 “細(xì)長 ”的結(jié)構(gòu)。無刷直流電機(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(jī)一般的容量都在 100kW 以下。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 25 這種電動機(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，維護(hù)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(jī)在控制系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用潛力。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 26 5 移動機(jī)器人的圖像處理技術(shù) 機(jī)器視覺 系統(tǒng) ]12[ 是智能機(jī)器人的重要標(biāo)志，機(jī)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(jī)器人，其自主和自適應(yīng)能力可以大大提高。目前，機(jī)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(dú)立的兩個(gè)部分。系統(tǒng)通過圖像傳感器獲取圖像并傳入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)完成圖像處理任務(wù)。 本設(shè)計(jì)中，機(jī)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(gè)方面對這些圖像處理技術(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 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。 圖像的采集 所謂圖像采集 ]13[ 是指機(jī)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(lì)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(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。 CCD 傳感器 中每一行中每一個(gè)象素的電荷數(shù)據(jù)都會依次傳送到下一個(gè) 像 素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進(jìn)行放大輸出；而 在 CMOS傳感器中，每個(gè)象素都會鄰接一個(gè)放大器及 A/D 轉(zhuǎn)換電路，用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。 CMOS 傳感器的圖像采集方式為主動式，感光二極管所產(chǎn)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(gè)象素中的電荷移動，而此外加電壓通常需要達(dá)到 1218V；因此， CCD 傳感器除了在電源管理電路設(shè)計(jì)上的難度更高之外 (需外加 power IC)，高驅(qū)動電壓更使其功耗遠(yuǎn)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、