1、本科毕业设计说明书（论文）基于视觉的移动机器人设计与分析摘 要 移动机器人是机器人的一个重要分支，被广泛的应用于工业、国防及其民用设施上。随着机器人技术和人工智能技术的发展，如何让多个机器人相互协调、配合来共同的研究和实验模型，足球机器人系统是一个多学科交叉的前沿领域，它涉及到机器人学、智能控制技术、通信技术、计算机技术、传感器技术、图像处理和人工智能等方向，正在成为国内外许多大学研究、比赛和交流的公共实验平台。近年来人们对它的研究有了更大的关注。本次设计的研究内容就是基于视觉导航的履带式移动机器人，以足球机器人为研究模型，其核心内容是应用单片机控制直流电机实现机器人的智能控制，采用视觉传感器
2、解决移动机器人的定位问题，实现机器人在给定环境中的“完全自主” 。能使机器人在未知的环境下，通过自身传感器测量周围环境数据，逐渐估计自身位置和运动状况，并把信号反馈到单片机，使单片机按照预定的工作模式控制小车的运动控制。内容包括：1.机械结构设计：机器人采用两轮独立驱动的履带结构，动力源采用直流无刷电机，减速和传动装置采用齿轮传动，利用差速移动平台实现机器人的转向，选用增量式光电编码器进行对机器人速度的检测，实现机器人的定位。2.控制结构设计：控制部分采用AT89C51型号单片机进行接受命令和产生驱动信号，电机的驱动部分采用L293D控制芯片，芯片利用接受到的单片机发出的信号来控制电机的转速。
3、3. 传感器部分：利用视觉传感器收集图像，送至上位机进行图像处理。关键词： 移动机器人 单片机 运动控制 视觉传感器 图像处理IIAbstractMobile robot is an important branch of robotics and will be widely applied in both military field and civil area. With the development of robotics and artificial intelligence, scientists were often faced with issues on cooperat
4、ion and coordination among different robots in a workspace. This has led to the developments in multi-robot cooperative systems MRCS. As a research model of MRCS, soccer robot is an interdisciplinary area that involves the knowledge of robotics, intelligence control, wireless communication, computer
5、 science, sensor technology, image processing, artificial intelligence, and so on. It has become a public experimental platform for universities all over the world to communicate with each other. It has gained considerable attention in recent years. Originally inferior design simple ness is robotic,
6、 adopt the monolithic machine to be the handcart detecting and to control core; Adopt optesthesia sensor to resolve the interior localized intelligence robot problem , realizes a robot acting on selfs own in interior hit the target complicated environment completeness. And can make robotic under the
7、 unknown environment, gradually, estimate oneself location and move status by the fact that oneself sensor measures the environment data coupling back the signal arrives at the monolithic machine, makes the monolithic machine can look for trace according to giving stable black the guidance line arbi
8、trarily stable according to that the predetermined job pattern controls a handcart uses a handcart. Contents Include: 1. Design of mechanical structure: the robot driven by two independent track structures, the power source using brushless DC motor, gear reducer and gear belt transmission by using d
9、ifferential steering mobile robot platform, use incremental photoelectric encoder for speed detection of robots, robot positioning. 2. Design of control structure: control part of the model using AT89C51 microcontroller for receiving orders and generates drive signals，the driving part is L293D motor
10、 control chip, chip microcontroller using the received signals to control motor speed. 3. Sensor parts: the robot using vision sensors for collect images, and send the images to upper-computer for image processing. Key words：mobile robot， motion control， single chip， vision sensor ， image processing
11、目 录摘 要IAbstractII1移动机器人11.1移动机器人的研究历史11.2课题的现实意义11.3智能机器人的发展21.3.1智能机器人的定义21.3.2国外机器人的发展31.3.3国内机器人的发展32视觉移动机器人方案的确定52.1设计任务概述52.2视觉移动机器人机械结构设计方案52.2.1动力源的论证与选择52.2.2运动方式的选择62.2.3电源的论证与选择62.2.4传动方式的选择62.2.5传感器的选择72.2.6最终方案：72.3视觉移动机器人控制系统设计方案72.3.1控制系统的选择82.3.2控制器的软件设计83视觉移动机器人方案的确定103.1电动机的确定103.1.
12、1电动机功率的选择103.1.2电动机转速的选择103.2 圆锥圆柱减速器的设计113.2.1传动方案的选择113.2.2传动零件的设计计算123.2.2.1圆锥齿轮传动的设计计算123.2.2.2圆柱齿轮传动的设计计算163.2.2.3数据整理193.2.2.4轴的设计193.2.3减速箱轴承的确定203.2.4联轴器的选择214 视觉移动机器人控制系统设计224.1机器人电子元件的选型224.1.1单片机 PIC16F877224.1.2直流无刷电机245移动机器人的图像处理技术265.1图像的采集265.2图像的预处理265.2.1彩色图像灰度化265.2.2灰度图像的平滑处理275.2
13、.3颜色模型转换29结 论30致 谢31参考文献32附 录33 1移动机器人1.1移动机器人的研究历史机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。移动机器人技术一直是人类长期科学研究的热点。它的历史可以追溯到20世纪六十年代。1962年，美国Unimation公司的第一台机器人Unimate。在美国通用汽车公司(GM)投入使用，标志着第一代机器人的诞生。1968年，美国斯坦福研究所公布了他们研发成功的机器人Shakey，该机器人能够根据人的指令通过视觉传感器发现并抓取积木,标志着第一台智能
14、机器人的诞生，同时也揭开了移动机器人研究的序幕。现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接受的说法是：机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“机器人是一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”机器人能够利用各种传感器采集机器人所在环境的特征，通过各种环境特征可以自动地规划自己的行动路径，实现寻迹、避障等智能行为。早期的机器人主要应用于工业领域，例如利用机器人搬运工件、更换刀具、焊接工件、喷射油漆以及实现零件的装配等工作。但是到了
15、90 年代，随着机械技术、计算机技术、微电子技术、网络技术以及人工智能技术的快速发展，机器人活动领域的不断扩大，机器人的应用从制造业领域向非制造业领域不断发展，原先只是在工业中才使用的自主式机器人也开始进入到人们的日常生活中来，因此在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域都能看到移动机器人的身影，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等都陆续成立了机器人实验室，由此机器人技术得到了长久的发展。本文设计的机器人实际上就是一种利用视觉传感器自动移动的机器装置，由视觉传感器采集图像，送至上位机分析，实现路径识别，采用单片机控制直流无刷电机实现对小车速度的控制，达到运动要求。1.2课题的现实意义对智能机器人的研究有着广泛的现实意义，概括地说可以有三点：1. 智能机器人技术是一门综合性很强的技术。对移动机器人的设计包括机械结构、传感器、运动学方程、控制系统、路径规划以及各种算法的分析与设计。因此移动机器人的研究涉及到的学科包括：机械加工技术、传感器技术、信息处理技术、通信技术、自动控制技术、电子技术、机器视觉技术、图像处理技术、网络技术以及计算机技术等等，所以移动机器人技术的发展使得各门科学技术都得到了长远的进步与发展，是科学技术不断发展的有力途
