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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，移動機器人前進轉彎。當L<0時，移動機器人后退轉彎。之后我們判斷，移動機器人的轉動角度a，當a不為0時，則移動機器人轉彎。當a>0時，移動機器人右轉彎。 a<0時，移動機器人左轉彎。
當機器人前進左轉時，左輪正轉，右輪反轉。當機器人前進右轉時，左輪反轉，右輪正轉。機器人后退右轉時，左輪正轉，右輪反轉。機器人后退左轉時，左輪反轉，右輪正轉。
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構設計
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，從而使機器人在行進的過程中無法做出相應的動作。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
轉速
300轉
轉矩
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。機器人電機輸出轉速為300n/m，車輪的轉速為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（結構復雜，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矩只相當于軸所傳遞轉矩的一半。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，軸的結構決定軸上零件的位置和有關尺寸。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;
—軸計算載面上的轉矩，N·mm;
—將轉矩折合成當量彎矩的折算系數(shù)，若扭轉剪應力按脈動循環(huán)變化時，；
—軸材料的許多彎曲應力，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。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。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(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《機械設計手冊》確定所選軸承：
表3-3 619/9和16003號深溝球軸承相關數(shù)據(jù)
基本額定荷載
極限轉速
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 減速箱其它結構的確定
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：側面是工作面，與鍵槽側面貼合構成松聯(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，導向平鍵和滑鍵都構成動聯(lián)接。綜合考慮，本設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，以適應帶轂零件上鍵槽的斜度。
③斜鍵：用以構成緊聯(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，其應用不如平鍵普遍。
3、鍵聯(lián)接的裝配工藝要點
?。?）裝配前應檢查鍵的直線度、鍵槽對軸心線的對稱度和平行度。
（2）普通平鍵的兩側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。鍵兩端圓弧應無干涉。鍵端與軸槽應留有零點一零mm的間隙。
?。?）普通平鍵的底面與鍵槽底面應貼實。
（4）半圓鍵的半徑應稍小于軸槽半徑，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)設計
本文研究的雙輪驅動式移動機器人是由一個圓形移動平臺和兩個獨立驅動的驅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動輪的中間，該種機構組成簡單，而且旋轉半徑可從0到無限大，任意設定。當旋轉半徑為0時，由于能繞本體中心旋轉，所以有利于在狹窄場所改變方向，因此針對雙輪驅動式移動機器人運動特點，設計出機器人的控制方法，通過控制兩個驅動輪的驅動力矩，可以實現(xiàn)控制移動機器人沿給定的軌跡運動。
4.1 運動學模型
研究的雙輪驅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一移動平臺上的關鍵點；G一移動平臺的質心；b一兩個驅動輪之間的距離；r一驅動輪的半徑；l一點G與點F之間的距離；φ 一平臺的轉角；θ 一左驅動輪的轉角；θ一右驅動輪的轉角。
圖4.1 雙輪驅動式移動機器人幾何模型
移動平臺質心的速度為 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 得如下關系式：
(4-2)
點F與點G有如下位置關系：
(4-3)
(4-4)
對(3)和(4)求導可得如下速度關系：
(4-5)
(4-6)
F點的速度關系可以表示為：
(4-7)
平臺質心的速度與驅動輪轉速的關系式為：
和 (4-8)
可以得到矩陣表達式：
(4-9)
因為
其中
所以
（4-10）
J定義為雙輪驅動式移動機器人的矩陣(4-10)，反映雙輪驅動式移動機器人關鍵點的速度與驅動輪的轉速之間的關系，同時也反映雙輪驅動式移動機器人關鍵點的作用力與驅動輪的驅動力之間的關系。
4.2 電子元件選型
4.2.1 開關電壓調節(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備中。其穩(wěn)壓器均有內部過流、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)壓設計，但外部接少量元件，即可做成可調穩(wěn)壓器或可調穩(wěn)流器使用。
4.2.2 步進電機驅動芯片 L298
L298是ST公司生產(chǎn)的一款高電壓、大電流，小功率電機驅動芯片。該芯片內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅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)峰值驅動電流可達3A，正常工作電流為2A，總驅動電流可達4A;
(4)響應速度快
(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典型應用如圖4-1所示。
圖4-1 LM298典型應用
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(jù)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(chǎn)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(chǎn)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(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化為角位移的執(zhí)行機構。通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（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動的速度和加速度，從而達到調速的目的。
步進電機分三種：永磁式（PM），反應式（VR）和混合式（HB）永磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度；反應式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，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速的升高而下降。
（4）步進電機低速時可以正常運轉,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)字化技術的發(fā)展以及步進電機本身技術的提高，步進電機將會在更多的領域得到應用。步進電機的選用計算方法。
步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉換成旋轉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)字輸入脈沖轉換成旋轉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軸步進一個步距角增量。電機總的回轉角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應的轉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)的負載轉矩，電機的轉矩特性能滿足機械負載并有一定的余量保證其運行可靠。轉在實際工作過程中，各種頻率下的負載力矩必須在轉矩特性曲線的范圍內。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程，二是可以通過步進電機的細分驅動來完成。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。本文所介紹的設計為簡易機器人添加視覺模塊，并研究了相關算法和策略，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(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，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，