基于视觉的移动机器人设计与分析_毕业设计说明书(编辑修改稿)

基于视觉的移动机器人设计与分析_毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

优缺点的比较： 方案 1 采用 可充电动力电池组。 动力电池组具有较强的电流驱动能力及稳定的电压输出性能，经测试在用此种供电方式下，单片机和传感器工作稳定，本科毕业设计说明书（论文） 6 直流电机工作良好，且电池体积较小、可以充电、能够重复利用等，能够满足系统的要求。 方案 2 采用 12V 蓄电池为直流电机供电，将 12V 电压降压、稳压后给单片机系统和其它芯片供电。 蓄电池具有较强的电流驱动能力以及 稳定的电压输出性能。 但是蓄电池的体积过于庞大，由于我们的车体在设计时空间有限，在小型电动车上使用极为不方便，因此我们放弃此方案。 经过比较，本次设计使用方案 1。 方案 1：带传动 ]6[ 方案 2：齿轮传动 优缺点的比较： 方案 1 带传动是利用张紧在带轮上的柔性带进行运动或动力传递的一种机械传动。 根据传动原理的不同，有靠带与带轮间的摩擦力传动的摩擦型带传动，也有靠带与带轮上的齿相互啮合传动的同步带传动带传动具有结构简单、传动平稳 ， 且其造价低廉、不需润 滑、维护容易等特点。 方案 2齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。 按齿轮轴线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴螺旋齿轮传动。 具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点。 方案一：使用红外传感器导航 任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。 红外线传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器，红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。 但是红外传感器在测距和探障过程中易受可见光的 影响，特别在一些光线较强以及环境温度基本一样的条件下，其性能下降迅速，此外，使用红外传感器还需预先设定好轨迹，不宜于移动机器人的自主移动。 方案二： 使用 超声波传感器 导航 使用超声波传感器导航 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。 超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。 超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。 超声波碰到杂质或分界面会产生显著 反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。 超声波传感器应用起来原理简单，也很方便，成本也很低。 但是目前的超声波传感器都有一些缺点，比如，本科毕业设计说明书（论文） 7 反射问题，噪音，交叉问题。 方案三 使用 视觉传感器 导航 视觉传感器具有从一整幅图像捕获光线的数以千计的像素的能力，它主要部件就是照相机或摄像机，在捕获图像之后，视觉传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较，以做出分析。 视觉传感器通常因其精确性、易用性、丰富功能及合理成本而成为最佳选择。 ： 基于视觉的移动机器人实用履带式结构，采用 可充电动力 电池组，使用直流无刷电机作为机器人的动力源，利用视觉传感器采集图像，通过单片机控制直流电机可以实现小车的前进，后退以及转向等功能。 视觉移动机器人控制系统设计方案 控制系统的选择 PLC ( Programmable logic Controller) ]7[ ，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。 它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字 或模拟式输入 /输出控制各种类型的机械或生产过程。 PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同， 由 CPU、储存器、电源构成。 单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器 /计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、 A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 PLC 和单片机虽然都是控制器，广泛的应用在控制系统中，但是它们依 然具有不同，他们的区别为： 大部分用在较大型的设备上。 因为其价格较高，一般都是附加值较高的自动控制系统才会考虑。 PLC 的特点： 可靠性高，抗干扰能力强 ； 硬件配套齐全，功能完善，适用性强 ； 易学易用，深受工程技术人员欢迎 ； 系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造 ； 体积小，重量轻，能耗低。 ]2[ 单片机又称单片微控制器 ,它不是完成某一个逻辑功能的芯片 ,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。 相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少 了 I/O 设备。 概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。 它的体积小、质量轻、为学习、应用和开发提供了便利条件 ，同时单片机的成本本科毕业设计说明书（论文） 8 比 PLC 略微低廉，综合考虑本次设计选择单片机控制。 单片机有 8 位， 16 位， 32位等，这里的位指单片机 CPU 每次处理能力 ,8 位是指单片机一次可以计算 8 位数据 ,16 位是指单片机一次可以计算 16 位数据 ,依次类推，在此次设计中用 8 位单片机完全可以完成对机器人的控制，另考虑经济等方面，本次设计选择 8位单片机 . 控制器的软件设计 ]9[ 在归纳了移动机器 人各种运动行为的基础上，我们总结了机器人的如下运动方式 : :两个电机启动。 2停止 :两个电机停止转动。 :两个电机同时在现有速度基础上增加一个数量级，实现加速。 :两个电机同时在现有速度基础上减小一个数量级，实现减速。 :改变一个电机的转向，完成转弯后作直线运动。 :两个电机以相同的速度和转向运动。 这些运动覆盖了差动轮式移动系统的所有基本动作，通过一系列电机控制的组合就可以灵活地控制机器人完成它所能够做到的任何动作。 当移动机器人需要做出某种动作时，车载机只须将期 望动作翻译为一个电机指令序列，发布给运动控制器，运动控制器就可以按部就班地控制机器人予以完成。 移动机器人的视觉系统设计方案 机器人的视觉系统 ]10[ 一般包括硬件与软件两个部分 ,前者是系统的基础 ,后者主要包括实现图像处理的基本算法以及一些实现人机交互的接口程序 . 基于计算机视觉的移动机器人导航实验系统的 硬件 部分由计算机、摄像头、 机器人地盘 组成。 软件分为 两 部分，即图像处理和机器人运动控制。 基于视觉导航的原始输入图像是连续的数字视频图像。 系统工作时，图像预处理模块首 先对原始的输入图像进行缩小、边缘检测、等预处理。 其次利用 计算机计算并 提取出对机器人有用的路径信息。 最后，运动控制模块根据识别的路径信息，调用直行或转弯功能模块使机器人做相应的移动。 本科毕业设计说明书（论文） 9 获 取 图 像特 征 抽 出 和分 割计 算 距 离 和角 度驱 动 机 器 人步 进 电 机 的 转向 和 速 度输 出 脉 冲摄 像 头 位 置和 伺 服 系 统图 像 处 理 单 元运 动 控 制 模 块 图 21 视觉系统流程图 在本次设计中，采用的是用摄像头实时的采集图像信息，经过上位机的内部处理，通过单片机控制电机来实现运动要求。 本科毕业设计说明书（论文） 10 3 视觉移动机器人方案的确定 电动机的确定 从机器人是实际运动出发考虑，机器人的速度不能太快，否则会造成控制部分来不及处理和 发送信号，电机不能及时做出反应，机器人在行进的过程中不能实现避障功能，碰撞到障碍物而损坏的情况。 因此，机器人的移动速度定为V=按工作要求和条件，选用直流无刷电机 ]3[ ，电压 12V. 电动机功率的选择 ]11[ 减速器输出轴的转速 n=100rpm,驱动轮直径 D=100mm, 60 1000nDv   =(31) 机器人的设计负重 为 30 公斤，动摩擦因数为 ， F=45N, T=，考虑到机器人会携带上位机等设备，所以取 T=3N/m， WKWTnP wW 5 5 010039 5 5 0  (32) 传动装置的总传动比： 54321 ****  a (33) （式中 54321 ,  分别为联轴器、滚动轴承、圆锥齿轮传动、圆柱齿 轮传动和驱动轮的效率。 ）取  ， ,9 8 5432   ，其中齿轮精度为 8级。 则： a 电动机所需功率： WKWPP aWd   (34) 所以取电动机功率为 40W。 电动机转速的选择 同一类型、功率相同的电动机有多种转速。 如果选用转速高的电动机，其尺寸和重量小、价格较低，但会使传动装置的总传动比、结构尺寸和重量增加。 选用转 速低的电动机则情况相反。 因此，应综合考虑电动机及传动装置的尺寸、重量、价格，分析比较，选出合适的电动机转速。 一般选用同步转速为 1500r/min 或 1000r/min 的电动机。 本次设计选用的电动机转速为 1500r/min，额定功率为 40W 根据设计要求电动机所需转矩和转速查手册 . 本科毕业设计说明书（论文） 11 表 电机参数 电动机型号 额定功率W 额定转速（ r/min） 总传动比 FBL60K03151RS 40 1500 15 图 31 电机外形尺寸 圆锥圆柱减速器的设计 机器通常由原动机、传动装 置、和工作机等三部分组成。 传动装置位于原动机和工作机之间，用来传递运动和动力，并可以改变转速、转矩的大小或运动形式，以适应工作机功能的要求。 传动装置 ]11[ 的设计对整台机器的性能、尺寸、重量和成本有很大的影响，因此应当合理的以定传动方案。 传动方案的选择 本次机器人设计中，采用的减速器结构如下图所示： 1电动机 2联轴器 3减速器 本科毕业设计说明书（论文） 12 图 32 传动方案示意图 减速器为展开式圆锥 —— 圆柱齿轮的二级传动，轴 承选用深沟球轴承，联轴器选用凸缘联轴器。 传动装置总传动比 i = 15 对于圆锥 圆柱齿轮减速器，为使大圆锥齿轮直径不致过大，高速级圆锥齿轮传动比可取 ii  ，且 i 1 3 ，此处 i 为减速器总传动比。 因此有 31i ， 52i ； 传动装置的运动和动力参数如下表： 表 设计参数 电动机轴 1 轴 2 轴 3 轴 工作轴 转速（ r/min） 1500 1500 500 100 100 功率 p（ w） 40 转矩 T （ N m ） 传动比 i 1 3 5 1 效率 1 传动零件的设计计算 圆锥齿轮传动 ]6[ 的设计计算 已知输入功率 Wpp m  联 (35) 小齿轮的转速 1n min/1500 rnm  ，大齿轮的转速 m in/500112 rinn 。 传动 比 i=3，有电动机驱动，工作寿命为 104 小时，平稳。 1．选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 （ 1） 按传动方案，选用直齿圆锥齿轮传动，齿形制 JB11060,齿形角020 ，齿顶高系数好 h*a =1，顶隙系数 c * ，不变位。 （ 2） 机器人为一般机器，速度不高，故选用 8级精度。 （ 3） 材料选择，小齿轮材料为 40Cr（调质），硬度为 280HBS,大齿轮材料为 45 钢（调质 ），硬度为 240HBS,两者材料硬度相差 40HBS。 （ 4） 选小齿轮的齿数 z 231 ，则大齿轮齿数为 69 2．按齿面接触疲劳强度设计 公式 32121 )(][ uKTZdRRFEt   (36) 本科毕业设计说明书（论文） 13 （ 1）确定公式内的各数值 1）查的材料弹性影响系数 MPaZE 。 2）按齿面的硬度查的小齿轮的接触疲劳强度极限 MPaH 6001lim  ，大齿轮的接触疲劳强度极限 MPaH 5502lim 。 3）计算应力循环次数 小齿轮： N 91 10**3 0 0*8*1*1 5 0 0*6060  hn jL (37) 大齿轮： 912 10* uNN (38) 4）查的接触疲劳寿命系数 HNK HNK 5)计算接触疲劳许用 应力 SK HHLH 1lim11][  =*600MPa=558MPa。