基于视觉移动机器人的设计与分析.docx

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基于视觉移动机器人的设计与分析

摘要

智能作为现代的新发明，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理，可应用于科学勘探等等的用途。

智能机器人就是其中的一个体现。

本次设计的简易机器人，采用单片机作为小车的检测和控制核心；采用视觉传感器解决室内智能机器人的定位问题，实现机器人在复杂室内环境中的“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使小车能按照任意给定的黑色引导线平稳地寻迹。

本次课题研究的内容是基于视觉移动机器人的设计与分析。

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带传动，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.传感器部分：

利用视觉传感器进行机器人的测距算法，视觉传感器位于机器人的传感器层

本设计结构简单，较容易实现，但具有高度的智能化、人性化，一定程度体现了智能。

关键词：

智能机器人单片机视觉传感器智能

Abstract

Intelligenceismodernnewinvention,isdevelopmentinthehereafterdirection,hisoperationbeingabletobeautomaticaccordingtothepatternsettingupinadvancewithinaenvironment,theusenotneedingartificialmanaging,butapplyingtothescienceexplorationandsoon.Theintelligencerobotitisoneamongthemtoembody.Originallyinferiordesignsimplenessisrobotic,adoptthemonolithicmachinetobethehandcartdetectingandtocontrolcore;Adoptoptesthesiasensortoresolvetheinteriorlocalizedintelligencerobotproblem,realizesarobot"actingonself'sownininteriorhitthetargetcomplicatedenvironmentcompleteness".Andcanmakeroboticunderunknownenvironment,gradually,estimateoneselflocationandmovestatusbythefactthatoneselfsensormeasurestheenvironmentdata,couplingbackthesignalarrivesatthemonolithicmachine,makesthemonolithicmachinecanlookfortraceaccordingtogivingstableblacktheguidancelinearbitrarilystableaccordingtothatthepredeterminedjobpatterncontrolsahandcartusesahandcart.

Thecontentoftheresearchisbasedonvisualdesignandanalysisofmobilerobot.Include:

1.Designofmechanicalstructure:

therobotdrivenbytwoindependenttrackstructure,thepowersourceusingbrushlessDCmotor,gearreducerandgearbelttransmissionbyusingdifferentialsteeringmobilerobotplatform,useincrementalphotoelectricencoderforspeeddetectionofrobots,robotpositioning.

2.Designofcontrolstructure:

controlpartofthemodelusingAT89C51microcontrollerforreceivingordersandgeneratedrivesignals,thedrivingpartisL293Dmotorcontrolchip,chipmicrocontrollerusingthereceivedsignalstocontrolmotorspeed.

3.Sensorparts:

therobotusingultrasonicsensorsfordistancemeasurementmethod,ultrasonicsensorsintherobot'ssensorlayer,usinganultrasonicdistancemeasuringringtoimprovetheaccuracyoftherobot.

Designstructureissimple,easiertocometrue,buthaveanaltitude'sintellectualized,personalize,certaindegreehasembodiedintelligence.

keyword:

IntelligentrobotMonolithicintegratedcircuitVisualsensorintelligence

1绪论

1.1课题研究背景以及现实意义

1.1.1课题的研究背景

移动机器人【1】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。

1968年，美国斯坦福研究所公布了他们研发成功的机器人Shakey（如图1-1），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。

图1-1shakey

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。

该课题正是在这种环境下提出的，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，由视觉传感器实现路径识别，通过对小车速度的控制，使小车能按照任意给定的黑色引导线平稳地寻迹。

1.1.2课题的现实意义

对智能机器人【2】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径和工具。

2.智能机器人有着广泛的应用前景，可以说它几乎渗透到了人类社会所有的领域。

可以预见在未来的人类社会里，移动机器人将会出现在我们生活中的每一个角落，成为时代发展的主流。

随着人们生活水平的提高，人类对机器人的功能也提出了更高的要求，越来越多的移动机器人已经走入了我们的生活，在家里，服务型的室内机器人可以从事清洁卫生、园艺、垃圾处理、家庭护理与服务等作业；在医院，移动机器人可以从事手术、化验、助残、导盲、运输、康复及病人护理等作业；在商场和旅游中，导购机器人、导游机器人和表演机器人都使得人类生活变得丰富多彩。

因此移动机器人已经成为未来社会非常有潜力的产业，谁可以掌握室内移动机器人的关键技术，谁就可以引领世界的潮流。

3.机器人的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要体现。

它实现了工业的完全自动化，从机械加工到零件的装配，甚至连工艺的设计都由工业机器人完成。

机器人带动了工业技术的革新，社会的发展以及其他领域的革命。

当今社会，机器人正代替人发挥着日益重要的作用，不断地改变着人类的生活方式，因此完全可以说机器人技术的发展带动了整个人类社会的发展。

综上所述，我国对移动机器人的研究面临着很大的挑战，必须加大对机器人的开发与应用才能走在时代的前列。

1.2智能机器人的发展

1.2.1智能机器人的定义

自机器人问世以来，人们就很难对机器人下一个准确的定义，欧美国家认为机器人应该是“由计算机控制的通过编程具有可以变更的多功能的自动机械；”日本学者认为“机器人就是任何高级的自动机械；”我国科学家对机器人的定义是：

“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能力，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。

”目前国际上对机器人的概念已经渐趋一致，联合国标准化组织采纳了美国机器人协会于1979年给机器人下的定义：

“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。

”概括说来，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。

1.2.2国外机器人的发展

智能机器人的研究可以追溯到20世纪60年代【2】，在1966至1972年间,美国斯坦福研究院的和Charles等人研制的机器人，身高1.5米，是历史上第一个由计算机控制的自主式智能移动机器人。

它由远程大型计算机控制，带有视觉传感器和触觉传感器，在室内的复杂环境中可以完成从一个地点移动到另一个地点，以及检测障碍物并移动障碍物到指定地点的任务。

它的出现标志着智能机器人研究的正式开始。

1970年前苏联月球17号探测器把世界第一个无人驾驶的月球车送去月球，月球车行驶0.5公里，考察了8万平方米的月面。

后来的月球车行驶37公里，向地球发回88幅月面全景图。

在同一时代，美国喷气推进实验室也研制了月球车（图1-2）,应用于行星探测的研究。

采用了摄像机，激光测距仪以及触觉传感器。

机器人能够把环境区分为可通行、不可通行以及未知等类型区域。

图1-2月球车

1973年到1979年，斯坦福大学人工智能实验室研制了CART移动机器人，CART可以自主地在办公室环境运行。

CART每移动1米，就停下来通过摄像机的图片对环境进行分析，规划下一步的运行路径。

由于当时计算机性能的限制，CART每一次规划都需要耗时约15分钟。

CMURover由卡耐基梅隆大学机器人学研究所在1981年开始研制，它具有12个微处理器来处理实时任务，一个大型的远程计算机通过遥控方式来进行复杂规划与环境分析，并通过声纳传感器与视觉传感器来探测环境中的障碍。

由于计算机的运行速度、传感器感知能力的限制，这些移动机器人的实时控制性能不佳。

每自主前进一步都需要停下来花费大量的时间进行计算，因此在实际应用中通常采取遥控的方式。

进入20世纪90年代，随着计算机技术的飞速发展，机器人的感知、决策能力也获得了长足的进步。

到了1994年，卡耐基梅隆大学机器人学研究所开发了DanteII，这是一个8足的移动机器人。

在1994年4月，该机器人通过卫星通讯与Internet相连，通过网络由NASA的研究组、卡耐基梅隆大学以及阿拉斯加火山观测所的科研人员控制Dante进行阿拉斯加火山口观测，并收集了火山口喷出的气体样本。

1.2.3国内机器人的发展

国内有关移动机器人研究的起步较晚，“八五”期间研制了ATB-1，即军用智能机器人平台【3】，由浙江大学、国防科技大学、清华大学、北京理工

大学、南京理工大学联合研制。

“九五”期间又研制了军用“智能机器人平台2号”，道路自主驾驶的最高速度为74Km/h。

在国家“十五”863计划中，展开了一系列的有关智能机器人方面的研究。

在危险环境下作业移动机器人、基于复合结构的非结构环境应用的移动机器人、高机动性越障机器人、多足仿生机器人、仿人形机器人等研究项目取得了众多的成果。

国防科技大学、哈尔滨工业大学、清华大学、中国科技大学、中科院自动化研究所、沈阳自动化研究所等正在开展有关月球探测自主机器人的相关研究。

在863专项支持下，清华大学开发了多功能室外智能移动机器人实验平台、上海交通大学研制了移动机构试验平台以及Frontier-ITM等。

211AMCTB采用了关节轮式移动结构，具有较强的越障能力。

Frontier-ITM自主移动机器人作为中国大学的参赛队首次参加了Robocop中型组比赛。

CASIA-1是中科院自动化所研制的集多种传感器、视觉、语音识别与会话功能于一体的智能移动机器人。

沈阳自动化所研制的自行输送小车已投入生产现场，此外还研制了“多功能排险防暴机器人”和“蛇形机器人”。

2003年国防科技大学贺汉根教授主持研制的无人驾驶车采用了四层递阶控制体系结构以及机器学习等智能控制算法，在高速公路上达到了130Km/h的稳定时速，最高时速170Km/h，而且具备了自主超车功能，这些技术指标均处于世界领先的地位。

这一系列的成就推动了我国移动机器人技术的发展，缩短了与国外先进水平的差距，而且在某些领域也取得了国际领先的成果，己经成为我国机器人应用的一个突出领域。

2设计任务以及方案的讨论

2.1设计任务概述

设计一个智能机器人，使该机器人能通过视觉传感器实现路径识别，并能对小车的速度进行控制，使小车能按照任意给定的黑色引导线平稳地寻迹。

图2-1

2.2视觉移动机器人机械结构设计方案

智能车系统以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科；主要由路径识别、角度控制及车速控制等功能模块组成。

一般而言，智能车系统要求小车在白色的场地上，通过控制小车的转向角和车速，使小车能自动地沿着一条任意给定的黑色带状引导线行驶。

2.2.1动力源的论证与选择

方案1：

步进电机【4】

方案2：

直流电机

方案3：

交流电机

优缺点比较：

方案1步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距脚。

这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。

使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

方案2交流电机分为同步电机与异步电机。

异步电动机按照定子相数的不同分为单项异步电动机、两相异步电动机和三相异步电动机。

三相异步电动机结构简单，运行可靠，成本低廉等优点，广泛应用于工农业生产中。

同步电动机的主要运行方式有三种，可以作为发电机，电动机，和补偿机。

同步电动机主要用来发电。

作为电动机使用时可以调节功率因数，在不需要调速的情况下可以提高运行效率。

作为补偿机器时，改变励磁电流可以改善电网功率因数，调节电网电压。

然而交流电机必须携带电源线，这对于机器人来说不太方便并且由于机器人在行驶过程中需要对速度进行调整，而交流电机无法实现速度的变换。

方案3直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便，小车机内部装有减速齿轮组，所以并不需要考虑调速功能，很方便的就可以实现通过单片机对直流减速电机前进、后退、停止等操作。

最终方案：

综上所述，本次设计选用直流电机。

2.2.2运动方式的选择

方案1：

常用的汽车结构——四轮机构

方案2：

履带式结构【5】

优缺点的比较：

方案1四轮结构是一个马达作为动力，通过变速箱驱动后轮；另一个马达转动导向轮来决定行驶方向。

优点是在直道行驶速度较快、方向和速度相互独立。

缺点为转弯半径大、驱动轮易打滑、导向轮方向不易精确控制。

方案2履带结构是两个电机分别驱动两条履带。

优点是可以在原地转动；在不平的路面上性能稳定，牵引力大。

缺点为速度慢、速度和方向不能单独控制摩擦力很大；能量损耗大，机械结构复杂。

最终方案：

履带结构能适应更为复杂的环境，本设计使用履带式结构。

2.2.3电源的论证与选择

方案1：

采用7.2V可充电动力电池组。

方案2：

采用12V蓄电池为直流电机供电。

优缺点的比较：

方案1采用7.2V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，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，因此放弃此方案。

最终方案：

综上所述，本设计使用7.2V可充电动力电池组。

2.2.4传动方式的选择

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（皮带传动）的结构简单,适用于两轴中心距较大的传动场合;且传动平稳无噪声,能缓冲、吸振;过载时带将会在带轮上打滑,可防止薄弱零部件损坏,起到安全保护作用;但是不能保证精确的传动比

方案2齿轮传动能保证瞬时传动比恒定,平稳性较高,传递运动准确可靠;传递的功率和速度范围较大且结构紧凑、工作可靠,可实现较大的传动比;传动效率高,使用寿命长;但是齿轮的制造、安装要求较高。

最终方案：

综上所述，本设计使用方案2。

2.2.5最终方案：

经过讨论，本文决定自制智能机器人，该智能机器人使用履带式结构，用采用7.2V可充电动力电池组，使用直流电机作为机器人的动力源，两个直流电机分别控制两条履带轮，通过控制直流电机可以实现小车的前进，后退以及转向等功能。

2.3视觉移动机器人控制系统设计方案

2.3.1控制系统的选择

机器人的控制系统是智能机器人的关键，相当于人类的大脑，而现在比较流行的控制器主要有PLC【7】和单片机【8】。

PLC和单片机都可以作为机器人的控制系统。

PLC（ProgrammablelogicController），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：

1.PLC控制，普遍的应用各种中大型生产设备的自动控制。

具体包括矿山，炼钢，机床，生产加工等等，应用广泛。

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.单片机控制，目前单片机渗透到我们生活的各个领域，仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。

单片机的特点：

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，同时单片机的成本比PLC略微低廉，综合考虑本文决定选择单片机控制。

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，因此本文决定选择8位单片机.

2.3.2控制器的软件设计

在归纳了移动机器人各种运动行为的基础上，本文总结了机器人的如下运动方式:

1.启动:

两个电机启动。

2停止:

两个电机停止转动。

3.加速:

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。

4.减速:

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。

5.转弯:

改变一个电机的转向，完成转弯后作直线运动。

6.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。

2.4移动机器人的视觉系统设计方案

视觉是人类了解外部世界的重要手段【10】，在人们的日常生活中，有大量的信息都是来自于眼睛。

同样,视觉系统也是机器人系统的重要组成部分之一。

对于移动机器人来说，利用视觉系统获取机器人的外部信息，使机器人可以自主地规划它的行进路线，安全到达目的地并完成指定的工作任务是机器人导航研究的重要课题,它对机器人的发展具有重要