基于視覺的移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)與分析_畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 優(yōu)缺點(diǎn)的比較： 方案 1 采用 可充電動(dòng)力電池組。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)說明書（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，能夠滿足系統(tǒng)的要求。 方案 2 采用 12V 蓄電池為直流電機(jī)供電，將 12V 電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其它芯片供電。蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及 穩(wěn)定的電壓輸出性能。但是蓄電池的體積過于龐大，由于我們的車體在設(shè)計(jì)時(shí)空間有限，在小型電動(dòng)車上使用極為不方便，因此我們放棄此方案。 經(jīng)過比較，本次設(shè)計(jì)使用方案 1。 方案 1：帶傳動(dòng) ]6[ 方案 2：齒輪傳動(dòng) 優(yōu)缺點(diǎn)的比較： 方案 1 帶傳動(dòng)是利用張緊在帶輪上的柔性帶進(jìn)行運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力傳遞的一種機(jī)械傳動(dòng)。根據(jù)傳動(dòng)原理的不同，有靠帶與帶輪間的摩擦力傳動(dòng)的摩擦型帶傳動(dòng)，也有靠帶與帶輪上的齒相互嚙合傳動(dòng)的同步帶傳動(dòng)帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn) ， 且其造價(jià)低廉、不需潤(rùn) 滑、維護(hù)容易等特點(diǎn)。 方案 2齒輪傳動(dòng)是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)。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)。具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn) 。 方案一：使用紅外傳感器導(dǎo)航 任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對(duì)零度），都能輻射紅外線。紅外線傳感器是利用紅外線的物理性質(zhì)來進(jìn)行測(cè)量的傳感器，紅外線傳感器測(cè)量時(shí)不與被測(cè)物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。但是紅外傳感器在測(cè)距和探障過程中易受可見光的 影響，特別在一些光線較強(qiáng)以及環(huán)境溫度基本一樣的條件下，其性能下降迅速，此外，使用紅外傳感器還需預(yù)先設(shè)定好軌跡，不宜于移動(dòng)機(jī)器人的自主移動(dòng)。 方案二： 使用 超聲波傳感器 導(dǎo)航 使用超聲波傳感器導(dǎo)航 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。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)。超聲波傳感器應(yīng)用起來原理簡(jiǎn)單，也很方便，成本也很低。但是目前的超聲波傳感器都有一些缺點(diǎn)，比如，本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 7 反射問題，噪音，交叉問題。 方案三 使用 視覺傳感器 導(dǎo)航 視覺傳感器具有從一整幅圖像捕獲光線的數(shù)以千計(jì)的像素的能力，它主要部件就是照相機(jī)或攝像機(jī)，在捕獲圖像之后，視覺傳感器將其與內(nèi)存中存儲(chǔ)的基準(zhǔn)圖像進(jìn)行比較，以做出分析。視覺傳感器通常因其精確性、易用性、豐富功能及合理成本而成為最佳選擇。 ： 基于視覺的移動(dòng)機(jī)器人實(shí)用履帶式結(jié)構(gòu)，采用 可充電動(dòng)力 電池組，使用直流無刷電機(jī)作為機(jī)器人的動(dòng)力源，利用視覺傳感器采集圖像，通過單片機(jī)控制直流電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)，后退以及轉(zhuǎn)向等功能。 視覺移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 控制系統(tǒng)的選擇 PLC ( Programmable logic Controller) ]7[ ，可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字 或模擬式輸入 /輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 PLC 實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(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。 單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU 隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 PLC 和單片機(jī)雖然都是控制器，廣泛的應(yīng)用在控制系統(tǒng)中，但是它們依 然具有不同，他們的區(qū)別為： 大部分用在較大型的設(shè)備上。因?yàn)槠鋬r(jià)格較高，一般都是附加值較高的自動(dòng)控制系統(tǒng)才會(huì)考慮。 PLC 的特點(diǎn)： 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) ； 硬件配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) ； 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 ； 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量小，維護(hù)方便，容易改造 ； 體積小，重量輕，能耗低 。 ]2[ 單片機(jī)又稱單片微控制器 ,它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片 ,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少 了 I/O 設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(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)說明書（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。 單片機(jī)有 8 位， 16 位， 32位等，這里的位指單片機(jī) CPU 每次處理能力 ,8 位是指單片機(jī)一次可以計(jì)算 8 位數(shù)據(jù) ,16 位是指單片機(jī)一次可以計(jì)算 16 位數(shù)據(jù) ,依次類推，在此次設(shè)計(jì)中用 8 位單片機(jī)完全可以完成對(duì)機(jī)器人的控制，另考慮經(jīng)濟(jì)等方面，本次設(shè)計(jì)選擇 8位單片機(jī) . 控制器的軟件設(shè)計(jì) ]9[ 在歸納了移動(dòng)機(jī)器 人各種運(yùn)動(dòng)行為的基礎(chǔ)上，我們總結(jié)了機(jī)器人的如下運(yùn)動(dòng)方式 : :兩個(gè)電機(jī)啟動(dòng)。 2停止 :兩個(gè)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 :兩個(gè)電機(jī)同時(shí)在現(xiàn)有速度基礎(chǔ)上增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)加速。 :兩個(gè)電機(jī)同時(shí)在現(xiàn)有速度基礎(chǔ)上減小一個(gè)數(shù)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)減速。 :改變一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，完成轉(zhuǎn)彎后作直線運(yùn)動(dòng)。 :兩個(gè)電機(jī)以相同的速度和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。 這些運(yùn)動(dòng)覆蓋了差動(dòng)輪式移動(dòng)系統(tǒng)的所有基本動(dòng)作，通過一系列電機(jī)控制的組合就可以靈活地控制機(jī)器人完成它所能夠做到的任何動(dòng)作。當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人需要做出某種動(dòng)作時(shí)，車載機(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。 移動(dòng)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 機(jī)器人的視覺系統(tǒng) ]10[ 一般包括硬件與軟件兩個(gè)部分 ,前者是系統(tǒng)的基礎(chǔ) ,后者主要包括實(shí)現(xiàn)圖像處理的基本算法以及一些實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的接口程序 . 基于計(jì)算機(jī)視覺的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的 硬件 部分由計(jì)算機(jī)、攝像頭、 機(jī)器人地盤 組成。軟件分為 兩 部分，即圖像處理和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制。基于視覺導(dǎo)航的原始輸入圖像是連續(xù)的數(shù)字視頻圖像。系統(tǒng)工作時(shí)，圖像預(yù)處理模塊首 先對(duì)原始的輸入圖像進(jìn)行縮小、邊緣檢測(cè)、等預(yù)處理。其次利用 計(jì)算機(jī)計(jì)算并 提取出對(duì)機(jī)器人有用的路徑信息。最后，運(yùn)動(dòng)控制模塊根據(jù)識(shí)別的路徑信息，調(diào)用直行或轉(zhuǎn)彎功能模塊使機(jī)器人做相應(yīng)的移動(dòng)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 9 獲 取 圖 像特 征 抽 出 和分 割計(jì) 算 距 離 和角 度驅(qū) 動(dòng) 機(jī) 器 人步 進(jìn) 電 機(jī) 的 轉(zhuǎn)向 和 速 度輸 出 脈 沖攝 像 頭 位 置和 伺 服 系 統(tǒng)圖 像 處 理 單 元運(yùn) 動(dòng) 控 制 模 塊 圖 21 視覺系統(tǒng)流程圖 在本次設(shè)計(jì)中，采用的是用攝像頭實(shí)時(shí)的采集圖像信息，經(jīng)過上位機(jī)的內(nèi)部處理，通過單片機(jī)控制電機(jī)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)要求。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 10 3 視覺移動(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)的過程中不能實(shí)現(xiàn)避障功能，碰撞到障礙物而損壞的情況。因此，機(jī)器人的移動(dòng)速度定為V=按工作要求和條件，選用直流無刷電機(jī) ]3[ ，電壓 12V. 電動(dòng)機(jī)功率的選擇 ]11[ 減速器輸出軸的轉(zhuǎn)速 n=100rpm,驅(qū)動(dòng)輪直徑 D=100mm, 60 1000nDv ?? ? =(31) 機(jī)器人的設(shè)計(jì)負(fù)重 為 30 公斤，動(dòng)摩擦因數(shù)為 ， F=45N, T=，考慮到機(jī)器人會(huì)攜帶上位機(jī)等設(shè)備，所以取 T=3N/m， WKWTnP wW 5 5 010039 5 5 0 ???? (32) 傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比： 54321 **** ?????? ?a (33) （式中 54321 , ????? 分別為聯(lián)軸器、滾動(dòng)軸承、圓錐齒輪傳動(dòng)、圓柱齒 輪傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)輪的效率。）取 ?? ， ,9 8 5432 ???? ???? ，其中齒輪精度為 8級(jí)。則： ?a? 電動(dòng)機(jī)所需功率： WKWPP aWd ?? ? (34) 所以取電動(dòng)機(jī)功率為 40W。 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇 同一類型、功率相同的電動(dòng)機(jī)有多種轉(zhuǎn)速。如果選用轉(zhuǎn)速高的電動(dòng)機(jī)，其尺寸和重量小、價(jià)格較低，但會(huì)使傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比、結(jié)構(gòu)尺寸和重量增加。選用轉(zhuǎn) 速低的電動(dòng)機(jī)則情況相反。因此，應(yīng)綜合考慮電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)裝置的尺寸、重量、價(jià)格，分析比較，選出合適的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。 一般選用同步轉(zhuǎn)速為 1500r/min 或 1000r/min 的電動(dòng)機(jī)。 本次設(shè)計(jì)選用的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 1500r/min，額定功率為 40W 根據(jù)設(shè)計(jì)要求電動(dòng)機(jī)所需轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速查手冊(cè) . 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 11 表 電機(jī)參數(shù) 電動(dòng)機(jī)型號(hào) 額定功率W 額定轉(zhuǎn)速（ r/min） 總傳動(dòng)比 FBL60K03151RS 40 1500 15 圖 31 電機(jī)外形尺寸 圓錐圓柱減速器的設(shè)計(jì) 機(jī)器通常由原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝 置、和工作機(jī)等三部分組成。傳動(dòng)裝置位于原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)之間，用來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，并可以改變轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的大小或運(yùn)動(dòng)形式，以適應(yīng)工作機(jī)功能的要求。傳動(dòng)裝置 ]11[ 的設(shè)計(jì)對(duì)整臺(tái)機(jī)器的性能、尺寸、重量和成本有很大的影響，因此應(yīng)當(dāng)合理的以定傳動(dòng)方案。 傳動(dòng)方案的選擇 本次機(jī)器人設(shè)計(jì)中，采用的減速器結(jié)構(gòu)如下圖所示： 1電動(dòng)機(jī) 2聯(lián)軸器 3減速器 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 12 圖 32 傳動(dòng)方案示意圖 減速器為展開式圓錐 —— 圓柱齒輪的二級(jí)傳動(dòng)，軸 承選用深溝球軸承，聯(lián)軸器選用凸緣聯(lián)軸器。 傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比 i = 15 對(duì)于圓錐 圓柱齒輪減速器，為使大圓錐齒輪直徑不致過大，高速級(jí)圓錐齒輪傳動(dòng)比可取 ii ? ，且 i 1 3? ，此處 i 為減速器總傳動(dòng)比。因此有 31?i ， 52?i ； 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)如下表： 表 設(shè)計(jì)參數(shù) 電動(dòng)機(jī)軸 1 軸 2 軸 3 軸 工作軸 轉(zhuǎn)速（ r/min） 1500 1500 500 100 100 功率 p（ w） 40 轉(zhuǎn)矩 T （ N m? ） 傳動(dòng)比 i 1 3 5 1 效率 1 傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 圓錐齒輪傳動(dòng) ]6[ 的設(shè)計(jì)計(jì)算 已知輸入功率 Wpp m ?? 聯(lián)? (35) 小齒輪的轉(zhuǎn)速 ?1n min/1500 rnm ? ，大齒輪的轉(zhuǎn)速 m in/500112 rinn ?? 。傳動(dòng) 比 i=3，有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，工作壽命為 104 小時(shí)，平穩(wěn)。 1．選定齒輪類型、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。 （ 2） 機(jī)器人為一般機(jī)器，速度不高，故選用 8級(jí)精度。 （ 3） 材料選擇，小齒輪材料為 40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為 280HBS,大齒輪材料為 45 鋼（調(diào)質(zhì) ），硬度為 240HBS,兩者材料硬度相差 40HBS。 （ 4） 選小齒輪的齒數(shù) z 231? ，則大齒輪齒數(shù)為 69 2．按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 公式 32121 )(][ uKTZdRRFEt ??? ?????????? (36) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 13 （ 1）確定公式內(nèi)的各數(shù)值 1）查的材料彈性影響系數(shù) MPaZE ? 。 2）按齒面的硬度查的小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 MPaH 6001lim ?? ，大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 MPaH 5502lim ?? 。 3）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 小齒輪： N 91 10**3 0 0*8*1*1 5 0 0*6060 ??? hn jL (37) 大齒輪： 912 10*?? uNN (38) 4）查的接觸疲勞壽命系數(shù) ?HNK ?HNK 5)計(jì)算接觸疲勞許用 應(yīng)力 SK HHLH 1lim11][ ?? ?=*600MPa=558MPa