基于视觉移动机器人的设计与分析 - 图文(5)

（12）通用同步/异步发生器USART模块：用于实现二线式串行通信，可以定义为两种工作方式，即全双工异步方式和半双工同步方式。

（13）主同步串行端口MSSP模块：具有SPI和IC两种工作模式，用来与具有SPI和IC串行端口的外接器件或者其他单片机进行通信。

（14）并行从动端口PSP模块：可以用来与其他具有开放总线的单片机、数字信号处理器或微处理器的并行数据连接，进行高速的数据传输和交换。

4.2 步进电机

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行元件，由于步进电机具有控制方便、体积小等特点，所以在数控系统、自动生产线、自动化仪表、绘图机和计算机外围设备中得到广泛应用。微电子学的迅速发展和微型计算机的普及与应用，为步进电动机的应用开辟了广阔前景，使得以往用硬件电路构成的庞大复杂的控制器得以用软件实现，既降低了硬件成本又提高了控制的灵活性，可靠性及多功能性。市场上有很多现成的步进电机控制机构，但价格都偏高。应用SGS公司推出的L297和L298两芯片可方便的组成步进电机驱动器，并结合AT89C52单片机进行控制，即可以实现用相对便宜的价格组成一个性能不错的步进电机驱动电路。

由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专用设备-步进电机控制驱动器控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几十千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列。环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输人端，以驱动步进电机的转动。环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计的方法实现环分器要求的功能，通常称软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称为硬环形分配器。功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大.以达到驱动步进电机目的。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：

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两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛

步进电机特点：

1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 2．步进电机外表允许的最高温度。

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

4.3步进电机驱动芯片L298

L298是ST公司生产的一款高电压、大电流，小功率电机驱动芯片。该芯片内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等电感性负载;采用标准TTL逻辑电平信号控制;具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作:有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作:可以外接检测电阻，将变化量反馈抬控制电路。

其具有以下电气特性：

(1)电源驱动电压Vs可达5V～46V，逻辑支持电压VSS为4.5V～7V; (2)输入高电压VIH为2.3～VSS，输入低电压为O～1.5V;

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(3)峰值驱动电流可达3A，正常工作电流为2A，总驱动电流可达4A; (4)响应速度快

(5)提供过温保护，工作温度范围可达-25℃～130℃正常工作温度为13℃～35℃。温度过高或温度过低时，芯片均会停止工作，防止其损坏。

(6)L289采用的是15脚的Mluitwatt15封装。 LM298典型应用如图3-1所示。

控制器LM298图4-1 LM298典型应用

步进电机

4.4开关电压调节器LM7805

LM7805【14】是三端固定稳压器。有5V，6V，9V，12V，15V，18V和24V七

种不同的固定输出电压，广泛用于各种电子设备中。其稳压器均有内部过流、热过载和输出晶体管安全区保护功能，电路安全可靠。

虽然稳压器按国定的稳压设计，但外部接少量元件，即可做成可调稳压器或可调稳流器使用。

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5 移动机器人的视觉算法

5.1图像的采集

【15】

所谓图像采集是指机器人视觉系统获取数字视频图像的过程,目前用于获

取图像的视觉传感器主要有ccd和cmos两种，它们都是通过接受外界的激励而产生响应，然后把模拟的响应转换为电信号，从而获取客观世界的图像。

CCD与CMOS传感器是被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。

CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个像素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个像素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。

CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，而此外加电压通常需要达到12~18V；因此，CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外(需外加 power IC)，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。

CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。。由于在本次设计中道路信息比较简单，只有黑白两种颜色，因此选用了一款市场上非常常见的型号为203CA的CMOS摄像头。

5.2图像的预处理

5.2.1彩色图像灰度化

机器人可以直接从视觉设备中采集数字图像，但是多数图像都是彩色图像。虽然这种彩色图像包含着大量的有用信息，但是在实现图像的边缘直线提取时，需要处理的彩色图像不仅存储量大，而且由于在处理的过程中需要计算三个不同的分量，所以处理速度相当缓慢。因此，在实际的应用当中，常把彩色图像转化为灰度图像，也就是所谓的彩色图像灰度化。

彩色图像灰度化实际上是将三通道的图像信息处理成为单通道图像的数据处理过程。在灰度图像中，每个像素点只需要一个字节就可以存放一个灰度值，

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灰度值的范围为0到255，灰度级数为256级，所以存储量和计算量都不是很大。 彩色图像转化为灰度图像的公式如下所示：

f(x,y)=0.30×R+0.59×G+0.11×B

其中：RGB表示彩色图像的三个不同分量,f(x,y)为得到的灰度图像的灰度值。 其效果图如下图5-1,5-2。

图5-1 原图

图5-2 灰度图

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