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1、摘 要机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先设定的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类的工作，例如1.生产业，例如利用电焊机器人、分配机器人、装配机器人、喷漆机器人等工业机器人进行机械生产等。2.物流方面，例如利用移动机器人进行货物的卸载及搬运等。3.危险的工作，例如利用军事机器人在战场上进行扫雷，利用航天机器人进行宇宙探索，利用工业机器人进行长时间的水下作业、利用科研机器人在火山等不利于人直接到达的区域采集标本等。本文设计的视觉移动机器人主要内容包括：底盘结构设计、底盘的控制系统以及视觉算法。1.底盘结构设计：
2、机器人采用独立驱动的两轮式结构，动力源采用步进电机，减速装置采用齿轮减速，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对机器人速度进行检测，实现机器人的自主定位。2.底盘控制系统：应用PIC16F877单片机接受视觉传感器的视觉信号，做出决策然后产生驱动信号，控制步进电动机。步进电机的驱动电路采用两个电机驱动芯片L298，实现步进电机的控制，完成机器人转向、加速等功能。3.视觉传感部分及视觉算法：以视觉传感器做为机器人的感知系统，利用机器人的摄像头拍摄目标图像，通过图像处理技术提取机器人所在环境的环境特征，实现机器人对环境信息的采集。关键词：移动机器人，运动控制，底层控制，PIC16
3、F877，步进电机AbstractRobot (Robot) is automatic implementation of the robotic device. It can accept human command, they can run pre-set programs can also be formulated in accordance with the principles of artificial intelligence program action. Its mission is to assist or replace human work, such as1. P
4、roduction industry, such as use of arc welding robots, welding robots, distribution, robots, painting robots, industrial robots, mechanical production.2. Logistics, such as using mobile robots for unloading and handling of goods,3. Dangerous work, such as the use of military robots for demining in t
5、he field, using space robot space exploration, utilization of industrial robots for a long time underwater, using scientific robots in the volcano, which are not conducive to directly reach Regional collected specimens.This mobile robot visual design include the following: chassis structural design,
6、 chassis control systems and vision algorithms.1. Chassis Design: the robot driven by two independent structure, the power source by a stepping motor, gear reduction device with the use of differential steering mobile robot platform, use incremental photoelectric encoder of the machine one speed tes
7、t, the autonomous robot localization.2. Chassis control system: application of vision sensors PIC16F877 microcontroller to accept visual signals to make decisions and generate drive signals to control the stepper motor. Stepper motor drive circuit uses two motor driver chip L298, stepper motor contr
8、ol to achieve complete robot steering, acceleration and other functions.3. Visual and visual sensing part of the algorithm: as a robot with vision sensor perception system, using the robot camera shooting target image, image processing technique to extract the robot through the environment where the
9、 environmental characteristics, information on the environment the robot collection.Key words: mobile robot, motion control, the underlying control, PIC16F877, stepper motor目录摘 要IAbstractII前言11基于视觉的移动机器人21.1移动机器人的研究历史21.2移动机器人的研究意义31.3移动机器人研究的国内外现状52视觉移动机器人方案的确定82.1视觉移动机器人机械结构设计方案82.2视觉移动机器人控制系统设计方案
10、102.3视觉移动机器人视觉系统设计方案112.4视觉移动机器人最终模型133视觉移动机器人机械结构设计153.1电动机的确定153.2减速箱的确定154视觉移动机器人控制系统设计214.1运动学模型214.2电子元件选型235移动机器人的视觉算法265.1图像的采集265.2图像的预处理26结论30致谢31参考文献32附录333838前言随着现代科技日新月异的发展，许多行业的工作有时不适合人类直接动手操作，移动机器人也便应运而生。移动机器人的导航方式分许多种，目前，随着视觉传感器价格的不断下降，计算机处理速度的不断提高，图像处理理论的不断完善，信息量丰富的视觉移动移动机器人已经成为移动机器人
11、领域的研究热点，并在国内外许多领域得到了应用。本设计正是研究的视觉移动机器人，此次设计中机器人通过摄像头摄取判断目标物的的图像从而判断其位，内部视觉处理设备再根据机器人的距离与角度进行计算，最终确定机器人的前进、倒退、拐弯等动作。此方法控制的机器人灵活性强，操作准确，不受温度、天气环境等外部条件的影响，长期以来被广泛的应用到移动机器人的导航研究中，例如多次在机器人竞赛中夺冠的足球机器人就是运用的此方法的简单应用，目前足球机器人比赛已经发展成为一项国际性的大型比赛。因此，视觉移动机器人机器人的研究具有重要意义。1 基于视觉的移动机器人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
12、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。机器人的历史可以追溯到20世纪六十年代。1962年，美国Unimation公司的第一台工业机器人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，也就是工业机器人的诞生，而本课题设计的移动机器人与工业机器人有着很大的区别，移动机器人更加强调了机器人具有的移动能力，从而面临比固定式机器人更为复杂的不确定性环境，也增加了智能系统的设计复杂程度。移动机器人是一种集环境感知，路径规划，行为控制等多项功能于一体的高智能化机械系统，能够连续、实时地实现自主控制。其
13、中环境感知是指机器人所使用的各种传感器，它相当于机器人的感觉器官，目前机器人应用比较多的传感器有：超声波传感器、红外传感器、视觉传感器、激光测距传感器、味觉传感器等等。由于现代科技的发展使视觉传感器的成本越来越低，易用性也越来越强，视觉传感器机器人的应用也因此越来越广阔。对视觉机器人的研究从机器人研究初期就开始了，例如：168年到1972年间，美国斯坦福国际研究所(Stanford Research Institute, SRI)研制的移动机器人Shaky就是一台视觉机器人,Shaky具备一定人工智能，能够自主进行感知、环境建模、行为规划并执行任务(如寻找木箱并将其推到指定目的位置)。不过当时
14、计算机的体积庞大，运算速度缓慢，导致Shaky往往需要数小时的时间来分析采集的视觉图像并规划行动路径。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幅月面视觉全景图。在同一时代，美国喷气推进实验室也研制了月球车(Lunar rover),应用于行星探测的研究。采用了视觉传感器，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。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
15、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。1981年，卡耐基梅隆大学机器人学研究所开始研制机器人CMU Rover，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。它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以及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。本课题正是在这样的背景环境中提出。1.2 移动机器人的研究意义随着计算机技术的发展，机器人的研究也在日新月异，许多机器人已经成为某些行业不可缺少的一部分，对移动机器人的研究涉及到的学科理论与技术也越来越广泛，其中图像处理技术、计算机编程技术、传感器技术、自动控制技术以及机械加工技术都是机器人研究的必备技术。目前，移动机器人有着广泛的应用前景。根据其应用范围，移动机器人可以分为如下几类：办公机器人：Jijo-2：这是一款办公自动化机器人，在办公室起到移动信息库的作用。该机器人在日语
