基于慧魚組件的通訊排障機器人設(shè)計—控制部分設(shè)計【輪式機器人總體設(shè)計】

基于慧魚組件的通訊排障機器人設(shè)計—控制部分設(shè)計【輪式機器人總體設(shè)計】,輪式機器人總體設(shè)計,基于慧魚組件的通訊排障機器人設(shè)計—控制部分設(shè)計【輪式機器人總體設(shè)計】,基于,組件,通訊,通信,機器人,設(shè)計,控制,節(jié)制,部分,部份,輪式,總體,整體 第 27 頁 共 27 頁 1 引言 機器人是21世紀技術(shù)前沿課題，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，機器人在社會各領(lǐng)域的作用越來越大。對機器人的研究已成為熱門課題。尋跡機器人是一種被廣泛研究的機器人，而且國內(nèi)外都有許多重要的比賽。它是在給定的區(qū)域內(nèi)延著軌跡完成對各個目標點的訪同。其主要指標是速度和順利完成任務(wù)的能力。尋跡機器人涉及到傳感器技術(shù)，單片機控制、信號處理、電機驅(qū)動、人工智能、驅(qū)動電源的設(shè)計等諸多領(lǐng)域。本文描述的通訊排障機器人利用紅外傳感器感知外界信號、光電編碼器和編程控制來尋線行走。 從機器人技術(shù)的發(fā)展水平來看，機器人主要經(jīng)歷了簡單的可編程機器人，低級智能機器人和高級智能機器人三代。 機器人有幾個方面是我們有必要去發(fā)展的理由:一個是機器人干人不愿意干的事，比如說從事，有毒的、有害的、高溫的或危險的，把人從這樣的危險的環(huán)境中解放出來，同時機器人可以干不好干的活，比方說在汽車生產(chǎn)線上我們看到工人天天拿著一百多公斤的焊鉗，一天焊幾千個點，就重復(fù)性的勞動，一方面他很累，但是產(chǎn)品的質(zhì)量仍然很低；另一方面機器人干人干不了的活，這也是非常重要的機器人發(fā)展的一個理由，比方說人們對太空的認識，人上不去的時候，叫機器人上天，上月球，以及到海洋，進入到人體的小機器人，以及在微觀環(huán)境下，對原子分子進行搬遷的機器人，都是人們不可達的工作。 機器人有三個發(fā)展階段，一種是第一代機器人，那么也叫示教再現(xiàn)型機器人，它是通過一個計算機，來控制一個多自由度的一個機械，通過示教存儲程序和信息，工作時把信息讀取出來，然后發(fā)出指令，這樣的話機器人可以重復(fù)的根據(jù)人當時示教的結(jié)果，再現(xiàn)出這種動作，比方說汽車的點焊機器人，它只要把這個點焊的過程示教完以后，它總是重復(fù)這樣一種工作，它對于外界的環(huán)境沒有感知，這個力操作力的大小，這個工件存在不存在，焊的好與壞，它并不知道，那么實際上這種從第一代機器人，也就存在它這種缺陷，因此，在20世紀70年代后期，人們開始研究第二代機器人，叫帶感覺的機器人，這種帶感覺的機器人是類似人在某種功能的感覺，比如說力覺、觸覺、滑覺、視覺、聽覺和人進行相類比，有了各種各樣的感覺，比方說在機器人抓一個物體的時候，它實際上力的大小能感覺出來，它能夠通過視覺，能夠去感受和識別它的形狀、大小、顏色。? 　　那么第三代機器人，也是我們機器人學中一個理想的所追求的最高級的階段，叫智能機器人，那么只要告訴它做什么，不用告訴它怎么去做，它就能完成運動，感知思維和人機通訊的這種功能和機能，那么這個目前的發(fā)展還是相對的只是在局部有這種智能的概念和含義，但真正完整意義的這種智能機器人實際上并沒有存在，而只是隨著我們不斷的科學技術(shù)的發(fā)展，智能的概念越來越豐富，它內(nèi)涵越來越寬。 救災(zāi)機器人可以利用自身的優(yōu)點，能迅速找到遇險者的位置，降低事故危害性，提高救災(zāi)效率具有重大意義，但光有這些還不夠，災(zāi)難往往發(fā)生在黑夜里，沒有燈光，四處漆黑一片，伸手不見五指，只聽見到處都是遇難者發(fā)出的哭叫聲，營救人員無法正確做出判斷，無法到達指定的地點營救被困人員；再者，發(fā)生的地點許多通訊設(shè)施受到破壞甚至倒塌，以至于沒有通訊信號，使得受災(zāi)情況無法及時反饋，給指揮帶來很大困難。因此，將具有通訊排障于一身的機器人用于災(zāi)難環(huán)境下輔助“搜索和營救”（SAR）幸存者，是機器人學中的一個新興而富有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。 在國內(nèi)，機器人的研究剛剛起步，但進展很快。中科院沈陽自動化所在2002年研制了一種蛇形機器人，由16個單自由度關(guān)節(jié)模塊和蛇頭、蛇尾組成，在監(jiān)控系統(tǒng)的無線控制下可實現(xiàn)蜿蜒前進、后退、側(cè)移、翻滾等多種動作，并能通過安裝在蛇頭上的微型攝像頭將現(xiàn)場圖像傳回監(jiān)控系統(tǒng)。國防科技大學在2001年也研制了一種蛇形機器人。中國礦業(yè)大學在“211工程”的支持下，已開始研制煤礦救災(zāi)機器人。 在國外，機器人發(fā)展迅速，技術(shù)日益成熟，并進入實用化階段，日本、美國、英國等已開始裝備使用。在災(zāi)難現(xiàn)場中，機器人應(yīng)能迅速找到幸存者的位置。日本大阪大學研制出蛇形機器人，能在高低不平的模擬廢墟上前進，其頂端帶有一部小型監(jiān)視器，身體部位安裝傳感器，可以在地震后的廢墟里尋找幸存者。美國iRobot公司研制了PackBot系列機器人，能適應(yīng)崎嶇不平的地形環(huán)境和爬樓梯，主要執(zhí)行偵察任務(wù)、尋找幸存者、勘探化學品泄漏等任務(wù)。 InuKtun公司研制了機器人MicroVGTV ，機身可變位，采用電纜控制，含有直視的彩色攝像頭，并帶有微型話筒和揚聲器，可用于與壓在廢墟中的幸存者通話，適用于在小的孔洞和空間中執(zhí)行任務(wù)。 在自動行走機器人的應(yīng)用中，希望機器人能夠自動按照地面上的某種白色指示線到達某一標志物上并使機器人停止完成相應(yīng)動作。若采用步進電機驅(qū)動可以滿足以上要求。但由于地面的各種閃素，比如地面較光滑等，導(dǎo)致機器人在運動過程中出現(xiàn)打滑或丟步，機器人在運動中一旦出現(xiàn)這些現(xiàn)象，就不能準確檢測到標志物。本文介紹了一種采用光電檢測尋線系統(tǒng)和直流電機驅(qū)動相結(jié)合的機器人控制系統(tǒng)，可以使機器人非常準確、自動地到達理想的位置并完成相應(yīng)的動作。 輪式機器人地形適應(yīng)能力強，動載荷小，設(shè)計緊湊，其缺點是重量輕，能耗小。本次設(shè)計擬選擇輪式移動機構(gòu)。輪式機器人的一個特殊的特征是非完整系統(tǒng)，非完整的含義是，定義系統(tǒng)姿態(tài)的廣義坐標的最小數(shù)M，大于其獨立的廣義速度數(shù)N，也就是M＞N。相對于其他移動機構(gòu)，其越野機動性能好，爬坡、越障、跨溝能力強，輪式的牽引性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力。相對于步行式行走機構(gòu)：技術(shù)成熟；控制簡單。 1.1 機器人設(shè)計背景 根據(jù)《第四屆全國大學生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽主題與內(nèi)容的通知》精神，經(jīng)全國大學生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽組委會批準，第四屆全國大學生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽慧魚組2010階段競賽，將于2010年4月在北京舉行。第四屆全國大學生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽慧魚組競賽的主題為“珍愛生命，奉獻社會”。內(nèi)容為“在突發(fā)災(zāi)難中，用于救援、破障、逃生、避難的機械產(chǎn)品的設(shè)計與制作”。其中“用于救援、破障的機械產(chǎn)品”指在火災(zāi)、水災(zāi)、地震、礦難等災(zāi)害發(fā)生時，為搶救人民生命和財產(chǎn)，所使用的機械；“用于逃生、避難的機械產(chǎn)品”，指立足防范于未然，在突發(fā)災(zāi)害發(fā)生時保護自我和他人的生命和財產(chǎn)安全的機械，也包括在災(zāi)難和緊急情況發(fā)生時，房屋建筑、車船等運輸工具以及其他一些公共場合中可以緊急逃生、避難功能的門、窗、鎖的創(chuàng)新設(shè)計。 全國大學生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽的目的在于引導(dǎo)高等學校在教學中注重培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新設(shè)計意識、綜合設(shè)計能力與團隊協(xié)作精神；加強學生動手能力的培養(yǎng)和工程實踐的訓練，提高學生針對實際需求通過創(chuàng)新思維,進行機械設(shè)計和工藝制作等實際工作能力；吸引、鼓勵廣大學生踴躍參加課外科技活動，為優(yōu)秀人才脫穎而出創(chuàng)造條件。 2 機器人輪式機器人總體設(shè)計 本文設(shè)計的通訊排障機器人控制系統(tǒng)由微控制器、驅(qū)動單元、通訊模塊、人機交互模塊等組成。微控制器主要處理各個傳感器的信息，完成移動機器人控制算法的運算和決策，控制排障機器人兩輪的控制；驅(qū)動單元實現(xiàn)排障機器人兩輪驅(qū)動功能；傳感器模塊檢測排障機器人和障礙物的距離及周圍環(huán)境的信息；通訊單元實現(xiàn)排障機器人各模塊之間和與上位機的通信，實時傳輸作業(yè)現(xiàn)場的圖像。本機器人的整體排障控制框圖如圖2.1所示。 圖2.1 排障控制圖 2.1 驅(qū)動單元 本系統(tǒng)設(shè)計的通訊排障機器人由4個輪子構(gòu)成，左側(cè)第一個輪子和右側(cè)第二個輪子為驅(qū)動輪，其余為從動輪，驅(qū)動輪控制機器人的前后、左右運動。機器人排障部分由獨立的電機驅(qū)動，可以獨立完成排除障礙功能。升降臺由兩個直流電機驅(qū)動，本系統(tǒng)采用DG—M4系列電動機構(gòu)組成機器人的驅(qū)動功能，此電動機構(gòu)由永磁無刷直流電機和變速箱組成，其內(nèi)部自帶有位置傳感器，檢測電機的運動情況，實時的傳輸?shù)娇刂破鲉卧?，實現(xiàn)控制單元的實時控制。 2.2 傳感器模塊 紅外傳感器的測量原理是將發(fā)射信號經(jīng)調(diào)制后送紅外管發(fā)射，光敏管接收調(diào)制的紅外信號。用紅外發(fā)射管和接收管自己制作光電對管尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電平。這樣自己制作組裝的尋跡傳感器基本能夠滿足要求，但是工作不夠穩(wěn)定，且容易受外界光線的影響，因此對試驗的環(huán)境要求較高。但光的反射受到多種因素的影響，如反射表面的形狀、顏色、光潔度，日光、日光燈照射等不確定因素。如果直接用發(fā)射和接收管進行測盤將因為干擾產(chǎn)生錯誤信號，采用對反射光強進行測量的方法可以提高系統(tǒng)的可靠性和準確性。 由于外部場景都是三維的，因此希望機器人的外部傳感器能提供有關(guān)外部場景的三維立體信息。一般移動機器人上都配備多種傳感器，其中觸動式傳感器和紅外光電傳感器最為常見。紅外光電傳感器可以看做是機器人的眼睛，把信息傳送給控制系統(tǒng)它們之間相結(jié)合提供了對障礙物完整的信息，使機器人能夠有實時性好、精確度高的排障功能。 在本機器人的左右各安裝一個觸控式傳感器，這樣既有效地防止了紅外光電傳感器檢測的盲區(qū)，也在一定程度上排除了各個傳感器之間的互相干擾，使機器人得到周圍環(huán)境的準確信息。 2.3 通信和人機交互模塊 整個系統(tǒng)內(nèi)部模塊之間，我們用串口實現(xiàn)它們之間的通信，讓控制器集中決策管理，實現(xiàn)各個部分的協(xié)調(diào)運行；而在機器人獨立作業(yè)時，操作者在上位機通過無線傳輸遠程遙控機器人，實時地控制系統(tǒng)的運行，越過或排除障礙，合理處理現(xiàn)場作業(yè)。 2.4 機器人前爪簡述 前爪是連接在車體上，且在車身的最前面。它的作用是當遇到一些較小的障礙物時能夠推開這些相對較小的障礙物，當遇到相對較大的障礙物的時，障礙物會觸動安置在機械爪子上的4個不同位置的接觸開關(guān)，從而啟動機械爪子，機械爪子會張開推開障礙物，達到清理道路功能，為后續(xù)救災(zāi)運輸部隊提供通暢的道路。因而它具有獨立的自由度，要求機械臂能夠在平面內(nèi)沿著軸線作旋轉(zhuǎn)運動，如圖2.2所示。 圖2.2 機械臂沿軸旋轉(zhuǎn) 圖2.3（a）所示的機械臂配置為機械推板結(jié)構(gòu)，圖2.3（b）所示的為絲杠、旋塊、連扳結(jié)構(gòu)，圖2.3（c）所示的為驅(qū)動裝置，圖2.3（d）所示的為開關(guān)式傳感器。 （a） （b） （c） （d） 圖2.3 2.5 機器人升降臺簡述 車身上有一個多功能升降臺，平臺是一個太陽能板，當太陽光充足的時候可以吸收太陽的能量在轉(zhuǎn)換成電能，（當電能過多時候，還能存起來）為機器人的提供能量，機器人本身有電池作為能量。當機器人在運動的時候這個多功能平臺可以用來放置救災(zāi)物資、藥品、救災(zāi)工具甚至救災(zāi)人員。當?shù)竭_目的地后，多功能平臺可以高高豎起來，然后隱藏在多功能平臺下面有兩根柱子也會升起來。兩根柱子分別有2個獨立的功能，一個是雷達，一個是大功率照明燈。如圖2.4所示。 圖2.4 升降臺簡圖 3 控制程序設(shè)計思路和程序過程圖 我們設(shè)計的通訊排障機器人是以德國慧魚公司生產(chǎn)的機電產(chǎn)品模型為對象進行裝配，我們的機器人分結(jié)構(gòu)和軟件兩部分。結(jié)構(gòu)賦予其軀體，軟件賦予其靈魂。本文主要講述了利用慧魚軟件，使機器人按照設(shè)計者預(yù)定的路線軌跡行走。 軟件部分主要分主程序和子程序兩個部分，分別由尋軌跡、前爪、上部分、直走、后退、向左、向右七個子程序構(gòu)成一個主程序。 3.1 設(shè)計思路 由于我們的機械的很多動作需要多塊接口板聯(lián)動，而以往的一些方法只是每塊接口板單獨控制某個動作的進行，互相交換信息的途徑很少，而且很慢。所以我們要求設(shè)計一種兩接口板直接能夠?qū)崿F(xiàn)信息快速直聯(lián)的通信方法。 3.2 設(shè)計過程 既然慧魚模型的輸入端兩端的電壓差是9V，輸出端的電壓差也是9V。如果直連輸入端的電路會因電流過大而燒毀。所以我們設(shè)計了一根專門用來傳輸信息的連接線，中間加入了一個限流電阻。保證不因電流過大而燒毀電路。 3.3 信息的傳遞方式 如果僅僅是一對輸出端和輸入端只能傳遞一種信息那么這種改進依然不能滿足我們的需求。要實現(xiàn)一個輸入接口輸入多種信息，就需要一種新的方法。我們選擇的方式是用脈沖來傳遞信息。 經(jīng)過反復(fù)實驗，慧魚模型能夠?qū)崿F(xiàn)的脈沖的具體參數(shù)如下（表3.1） 表3.1脈沖數(shù)據(jù)表 最小脈沖間隔 0.01S 脈沖信息數(shù)據(jù)丟失率 ≤0.5% (并且數(shù)據(jù)丟失率與時間間隔成反比。間隔越長丟失率越低) 通過反復(fù)試驗我們選擇了這種方法。原因是這種互聯(lián)方法高效、相對可靠。 3.4 慧魚軟件簡介 1964年，慧魚創(chuàng)意組合模型（fischertechnik）誕生于德國，是技術(shù)含量很高的工程技術(shù)類智趣拼裝模型，是展示科學原理和技術(shù)過程的理想教具，也是體現(xiàn)世界最先進教育理念的學具，為創(chuàng)新教育和創(chuàng)新實驗提供了最佳的載體。 慧魚創(chuàng)意組合模型的主要部件采用優(yōu)質(zhì)尼龍塑膠制造，尺寸精確，不易磨損，可以保證反復(fù)拆裝的同時不影響模型結(jié)合的精確度；構(gòu)件的工業(yè)燕尾槽專利設(shè)計使六面都可拼接，獨特的設(shè)計可實現(xiàn)隨心所欲的組合和擴充。 慧魚創(chuàng)意組合模型主要有組合包、培訓模型、工業(yè)模型三大系列，涵蓋了機械、電子、控制、氣動、汽車技術(shù)、能源技術(shù)和機器人技術(shù)等領(lǐng)域和高新學科，利用工業(yè)標準的基本構(gòu)件（機械元件/電氣元件/氣動元件），輔以傳感器、控制器、執(zhí)行器和軟件的配合，運用設(shè)計構(gòu)思和實驗分析，可以實現(xiàn)任何技術(shù)過程的還原，更可以實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和大型機械設(shè)備操作的模擬，從而為實驗教學、科研創(chuàng)新和生產(chǎn)流水線可行性論證提供了可能，世界知名的德國西門子、德國寶馬、美國IBM等一大批著名公司都采用慧魚模型來論證生產(chǎn)流水線。 這里的每一個元器件代表的不同的意思。詳見表3.2 表3.2元器件 元器件 圖例 功能 說明 MI 提供動力 獨自控制車子正反行走 M2 提供動力 獨自控制車子正反行走 M3 頂起推鏟 當遇到障礙物時，推動推鏟 M01 驅(qū)動升降臺 通過齒輪帶動蝸桿，使升降臺上下移動 M02 翻動升降臺 通過齒輪軸轉(zhuǎn)動，帶動繩索使升降臺翻轉(zhuǎn)90° M03 推動信號臺 通過蝸桿轉(zhuǎn)動使信號臺升至高空 M04 提供光源 在黑暗的夜里為遇難者和營救者指明道路 I7 判斷車體轉(zhuǎn)向 探測到軌跡之后，向M1，M2發(fā)出指令 I8 探測到軌跡之后，向M1，M2發(fā)出指令 按鍵開關(guān)式（接觸式）傳感器是數(shù)字傳感器的一種。數(shù)據(jù)僅能設(shè)定為兩個不同的值，分別用0和1來表示。傳感器顯示“0”，表示在接觸點沒有電流通過；“1”則意味著有電流通過?；埕~模型中的接觸傳感器是一個三向開關(guān)式的。因此，就有三個端點。紅色按鈕按下，1和3端點接通，同時常閉狀態(tài)下的1和2端點之間的連接斷開。這樣起始位置我們就可以任意選擇：常閉狀態(tài)（端點1、2接通），常開狀態(tài)（端點1、3接通）（圖3.1） 圖3.1 接觸式傳感器原理圖 我們可以將不同的傳感器和執(zhí)行裝置連接到ROBO接口板上。ROBO接口除了有八個數(shù)字輸入端，還有幾個模擬量輸入端。舉例說明，對應(yīng)輸入AX和AY的電阻值（0-5.5千歐）可以轉(zhuǎn)換成0-1024之間的數(shù)字量。該接口板最重要的作用在于輸入量的邏輯連接。 一旦連接正確建立了，我們就可以通過接口板測試窗口來測試接口板和與它相連的模型。如前所提及的，測試窗口顯示了接口板的各種輸入和輸出： 數(shù)字量輸入 I1—I8 I1—I8 是接口板的數(shù)字量輸入。這里可以接各種傳感器。數(shù)字量輸入只有兩種狀態(tài)0和1，或者Y和N。開關(guān)(迷你按鍵開關(guān)),光電傳感器或者干簧管(磁性傳感)可以作為數(shù)字量輸入來連接。 你可以將一個迷你傳感器接到接口板上，比如I1，來檢查這些端口的功能(用開關(guān)上的觸點1 和 3 )。一按下開關(guān)，I1的的顯示接出現(xiàn)一個檢查標志。如果你連了開關(guān)的另一種方式（觸點1 和 2），當你按下開關(guān)的時候檢查標志就消失了。 馬達輸出 M1—M4 M1 – M4是接口板的輸出。這里可以連接所謂的執(zhí)行器，可以是馬達、電磁鐵或者燈。這四路馬達輸出可以改變方向和8級調(diào)速。速度可以用滑塊控制，旁邊也有數(shù)字作為速度顯示。如果你要測試輸出，可以將一個馬達接到輸出端，比如M1。 燈輸出 O1—O8 每個馬達輸出也可以用作一對單個的輸出。這些輸出不僅可以用作燈的控制，也可以用作單向馬達的控制(比如傳送帶馬達)。如果你要測試其中一個輸出，可以將一個燈接到輸出，比如O1?？梢詫舻牧硪粋€接到接口板的接地插孔（^）。 模擬量輸入 AX–AY 模擬量輸入 AX 和 AY測量所連接傳感器的阻抗。這里可以連接用來測溫的 NTC 電阻，電位計，光敏電阻或者光敏晶體管。 模擬量輸入 A1–A2 這兩個可以測量0–10V電壓輸入。 距離傳感器 D1–D2 只有特殊的距離傳感器可以接到距離傳感器輸入端D1和D2。數(shù)字信號和模擬信號對D1和D2都有效。 擴展板 EM1–EM3 這里可以連接擴展接口板 (ROBO 接口板最多可以接三塊貨號為93294的I/O擴展板，但智能接口板最多只能接一塊貨號為16554的擴展板)?？梢杂命c擊窗口上部標簽的方法在不同的擴展接口板之間切換。ROBO I/O擴展板和ROBO接口板相連，而且兩臺設(shè)備都上電之后，ROBO I/O擴展板上的綠色LED“Ext.mode”應(yīng)該會閃動。此時，擴展板已經(jīng)由接口板識別并準備運行。 為了實現(xiàn)自動控制的功能，我們編寫了以下簡單的控制程序。 向右轉(zhuǎn)：這個是一個簡單的讓機器人向右轉(zhuǎn)彎的子程序。這個是給機器人一個M1馬達反轉(zhuǎn)，M2馬達正轉(zhuǎn)的指令。這樣就使機器人向右拐彎了。（如圖3.2） 向左轉(zhuǎn)：這個是一個簡單的讓機器人向左轉(zhuǎn)彎的子程序。這個是給機器人一個M1馬達正轉(zhuǎn)，M2馬達反轉(zhuǎn)的指令。這樣就使機器人向左拐彎了。（如圖3.3） 倒退：這個是一個簡單的讓機器人向直行的子程序。這個是給機器人一個M1馬達正轉(zhuǎn)，M2馬達正轉(zhuǎn)的指令。這樣就使機器人向前行走了。（如圖3.4） 直行：這個是一個簡單的讓機器人向直行的子程序。這個是給機器人一個M1馬達正轉(zhuǎn)，M2馬達正轉(zhuǎn)的指令。這樣就使機器人向前行走了。（如圖3.5） 圖3.2 右轉(zhuǎn)程序圖 圖3.3 左轉(zhuǎn)程序圖 圖3.4 倒退程序圖 圖3.5 直行程序圖 4 機器人軟件系統(tǒng) 我們的機器人從總體上分三個部分，即尋跡功能、排障功能、升降功能。機器人主要被用在地震災(zāi)難以及雪災(zāi)地區(qū)，要求機器人按照指定的軌跡線路行走，一旦失去軌跡，機器人會自動發(fā)出尋找軌跡的指令，直到發(fā)現(xiàn)軌跡，機器人會自動鎖定軌跡并會繼續(xù)沿著軌跡行走，直到到達目的地，機器人會發(fā)出指令使尋線系統(tǒng)停止，緊接著機器人會發(fā)出升降指令，繼而升降臺啟動，當升降臺到達頂端時，會觸動限位開關(guān)，啟動雷達通訊設(shè)施和大功率照明燈。這是我們所設(shè)計機器人的一整套流程概述，下面就各軟件功能的實現(xiàn)進行詳細分析。 4.1 光電檢測尋線系統(tǒng) 尋線系統(tǒng)即機器人的“眼睛”，在機器人的尋跡行走中起著非常重要的作用，為機器人行走過程中定位的準確性提供了保障。每一套尋線系統(tǒng)由比較電路板和光發(fā)射接收板兩大部分組成。比較電路板主要是將光發(fā)射接收板輸入的模擬信號經(jīng)比較器比較后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸入到單片機中。光發(fā)射接收板主要功能是完成光的發(fā)射、接收和將光信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。每一塊光發(fā)射接收板就是機器人的一個檢測點，一 般情況每個機器人需安裝多個檢測點，以保證機器人在運動過程中有較大的偏向檢測能力和糾錯能力。 這里的尋跡是指機器人輪式機器人在白色地板上沿著黑線行走，通常采用的方法是紅外探測法。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點，在輪式機器人行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在輪式機器人上的接收管接收;如果遇到黑線則紅外光被吸收，輪式機器人上的接收管接收不到紅外光。單片機就是否收到反射回 來的紅外光為依據(jù)來確定黑線的位置和輪式機器人的行走路線。紅外探測器探測距 離有限，一般最大不應(yīng)超過3cm。 尋跡是機器人的一種簡單視覺，在機器人的運動中起著非常重要的作用，為機器人運動過程中位置的準確性提供了保障。因此需要對場所進行適當?shù)馗脑觳拍軌蜻M行 使用。比較簡單的方法是在平整的地面上粘貼尋跡線和定位點，讓機器人能夠自動 地按照地面上的尋跡線的指示到達目的地。 為了機器人能在任意區(qū)域內(nèi)沿尋跡線行走，自動排開障礙，能停在指定地點。本控制系統(tǒng)采用紅外光電傳感器檢測路面尋跡線，使用傳感器檢測障礙物，光電碼盤測 距，用光電傳感器或者微動開關(guān)檢測、判斷機器人是否到位，應(yīng)用動態(tài)控制電動機 的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)速。利用有限狀態(tài)機和硬件描述語言設(shè)計機器人控制器，實現(xiàn)機器 人前進、后退、轉(zhuǎn)彎、繞障、停止的精確控制。 為實現(xiàn)智能行走，我們利用了光敏傳感器（如圖4.1）。用光對地面進行照射，由于黑線和地面對光反射程度不同，光敏傳感器可以感應(yīng)黑線所反射的光，而感應(yīng)不到地面（白色）反射光，這樣就可以依黑線對傳感器進行觸發(fā)，通過兩個光敏傳感器交替觸發(fā)，設(shè)置與之對應(yīng)的程序和轉(zhuǎn)彎機構(gòu)對車體進行控制，從而完成前進、轉(zhuǎn)彎等動作。 圖4.1 光敏傳感器 在程序中光敏傳感器的符號如圖4.2，它是有兩個傳感器組成，分別控制著左右兩邊，在實驗中，我們?yōu)榱四M現(xiàn)場的環(huán)境，把白色的桌子當作路面，在桌子上貼了一條黑色的帶子，帶子寬4厘米，作為機器人尋線的軌跡。 圖4.2 傳感器程序圖 根據(jù)最初的想法，只要機器人沿著設(shè)定的軌跡行走就可以了?？墒呛髞砦覀冊谠囼炛邪l(fā)現(xiàn)這樣還不夠，我們不能保證機器人在行走的過程中不出錯，萬一在行走過程中，偏離了或者直接跑出了軌跡，那么機器人該如何做出判斷。所以我們考慮到要用到子程序，所以我在程序中新建一個程序，再新建一個名為尋軌跡的子程序（圖4.3），這樣做有別于其它子程序。 圖4.3 尋軌跡子程序 機器人應(yīng)該緩慢旋轉(zhuǎn)至少360度。如果機器人找到軌跡，就停下來。否則機器人將反方向旋轉(zhuǎn)360度，直到找到軌跡為止。根據(jù)現(xiàn)在的要求編制圖4.4程序： 圖4.4 尋軌跡程序圖 圖中光敏傳感器“0”表示尋到軌跡，“1”表示沒有尋到軌跡。機器人首先會沿著左邊掃描，其次是右邊掃描。只要其中一個傳感器尋到軌跡，它就會立刻退出“尋軌跡”程序。 為了使機器人能夠精確地旋轉(zhuǎn)360度，我在后面加了一個脈沖計數(shù)器，如圖4.5。 當機器人成功地尋找到軌跡，它就會沿著軌跡駛?cè)?。根?jù)這個思想，我們初步建立了如圖4.6的程序。 在程序里我們加了直走的程序（圖4.7），我們不難發(fā)現(xiàn)在尋軌跡子程序中，我們設(shè)定的是一旦傳感器找到軌跡就退出該程序，此時我們的機器人與軌跡可能是斜著的或者是垂直的，所以此時退出尋軌跡程序時不正確的，我們要保證機器人與軌跡在同一條直線上，我們在此基礎(chǔ)上完善了一下主程序（圖4.8）。 圖中I7為右邊的光敏傳感器，I8為左邊的光敏傳感器。當左邊偏離軌跡，即I8 圖4.5 尋軌跡程序圖 失去軌跡，便馬上發(fā)出指令，左邊的馬達M1正轉(zhuǎn)，右邊的馬達M2反轉(zhuǎn)，這樣一來就使得整個車身回到軌跡上來。當右邊偏離軌跡也是一樣，這時左邊的馬達M1反轉(zhuǎn)，右邊的馬達M2正轉(zhuǎn)，同樣使車身回到軌跡上。最后形成循環(huán)，讓車一直沿著軌跡走。 圖4.6 主程序 圖4.7 直走子程序 圖4.8 主程序 同樣，當遇到彎處，光敏傳感器會發(fā)出與出軌同樣的指令，使馬達M1、M2作出相應(yīng)的動作。 當I7、I8同時跑出軌跡是，程序給出的指令是返回“尋軌跡”指令中，這樣做完全可以達到我們的目的，可是這樣一來，我們發(fā)現(xiàn)，這樣所花去的時間很多，我們應(yīng)該盡可能的減少在過程中所花去的時間，盡可能早的到達目的地，所以，我們在I7、I8同時出軌時，給馬達發(fā)出一個向后的指令，這樣一來，就使車身后退，讓光敏傳感器重回軌跡中，車身只需稍加調(diào)整就可繼續(xù)行走，為了安全起見，我們將最后的指令接回到“尋軌跡”指令中，如圖4.9。 4.2 前爪排障系統(tǒng) 前面我們解決了尋軌跡的問題，我們也說過，我們的機器人是用在災(zāi)難現(xiàn)場的，路上難免有一些障礙物，比如石頭、樹木、以及毀壞的建筑，當出現(xiàn)這些“攔路虎”的時候我們的機器人要能夠把它解決掉。所以我們在車身最前面安裝了一對推鉗（圖4.10）。 圖4.9 主程序 設(shè)計前爪的目的主要是在行走過程中遇到障礙物時能將它推開，所以在程序中應(yīng)該放在尋軌跡的下面，即圖4.11. 然而在前爪子程序中，要注意的事是要先將兩個驅(qū)動馬達制動（圖4.12）。 圖4.10 前爪效果圖 圖4.11 主程序 圖4.12 前爪子程序 接著我們給了它0.5秒鐘的等待。圖4.13。 圖4.13 前爪子程序 緊接著我們就要使前爪驅(qū)動馬達M3啟動，帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，使前面的兩個推板往外推，直到碰到觸動式傳感器I2，馬達M3將發(fā)轉(zhuǎn)，經(jīng)過反復(fù)試驗，我們得出馬達發(fā)轉(zhuǎn)回來需要8秒左右的時間。當時間一到，馬達M3將停止。如圖4.14。 圖4.14 前爪子程序 可是這樣還是不行，當執(zhí)行完前爪程序后，主程序就停止了，也就是說前爪程序只執(zhí)行了一次，當再遇到障礙物時，機器人就不作任何反應(yīng)了，這不是我們所要求的，我們是想讓它一碰到傳感器就能夠打開，所以我們把程序稍加改動了一下，如圖4.15。 圖4.15 主程序 4.3 升降系統(tǒng) 我們的機器人已經(jīng)可以在路面上行走以及排除道路上的障礙物，可我們的機器人不可能一直沿著軌跡走，必須要有個終點，那么到了終點后機器人要怎樣才能知道，并給出相應(yīng)的回應(yīng)。我們?yōu)榱耸箼C器人明白，在機器人的前臂上安裝了一個感光傳感器（圖4.16）。 圖4.16 感光傳感器效果圖 由于條件有限，我們就拿光作為信號，如圖4.17。當感光傳感器感應(yīng)到光源，升降臺就會開始緩慢升起，當碰到限位開關(guān)，馬達就會啟動,直到平臺升至最高點，接著打開大功率照明燈照明。如圖4.18。 圖4.17 光信號 圖4.18 平臺升頂圖 考慮到災(zāi)區(qū)通訊的困難，和與外界聯(lián)系不到，我們就設(shè)計了一個雷達接收器，采用移動技術(shù)（相當于把移動的信號站背在身上），當移動或聯(lián)通的手機信號發(fā)不出信號時候，當靠近我們的通訊排障機器人時候，讓人們手機恢復(fù)信號，或者給衛(wèi)星電話提供更強的信號，保持通訊的正常。第一時間了解到受困人員的位置和受災(zāi)情況。及時的通訊能保證外界和內(nèi)部的信息匯總，給大家一個彼此知道的感覺，也能讓被救人員安心。程序如圖4.19。 圖4.19 升降臺子程序 當沒有電力供應(yīng)時：利用太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池（組）組成。還需要配置逆變器。輸出電源為交流220V或110V，還能給大家提供電源。各部分的作用為： （一）太陽能電池板：太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。太陽能電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個系統(tǒng)的質(zhì)量和成本； （二）太陽能控制器：太陽能控制器的作用是控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補償?shù)墓δ堋Ｆ渌郊庸δ苋绻饪亻_關(guān)、時控開關(guān)都應(yīng)當是控制器的可選項； （三）蓄電池：一般為鉛酸電池，小微型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。 （四）逆變器：在很多場合，都需要提供220VAC、110VAC的交流電源。由于太陽能的直接輸出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。為能向220VAC的電器提供電能，需要將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。在某些場合，需要使用多種電壓的負載時，也要用到DC-DC逆變器，如將24VDC的電能轉(zhuǎn)換成5VDC的電能（注意，不是簡單的降壓）。 知道了這些太陽能供電系統(tǒng)的用處，可以用在一般雪災(zāi)，地震，海嘯等大災(zāi)過去后，電纜的斷裂，電塔的塌陷，或者一些大規(guī)模停電的時候，我們設(shè)計的機器人就能利用頂上的太陽能板，利用大自然的資源充電，給一些急需電源的設(shè)備提供電源。比如醫(yī)療器械，通訊設(shè)備的后續(xù)充電等。 5 總體調(diào)試 5.1 軟件的安裝 機器人驅(qū)動光盤配件，執(zhí)行里面的安裝程序，將機器人的特定軟件安裝到自己的計算機里面。在安裝的過程中，只要根據(jù)安裝界面所提供的提示信息來安裝軟件就可以了。安裝完成后，關(guān)閉對話框。然后就可以運行該程序把機器人和電腦來連接起來，給我們的機器人一點人類的思想?？梢越o機器人導(dǎo)入自己所編寫的程序，把自己的想法給機器人，讓它按照你自己的意愿來做事。 5.2 連接 先安裝好電池，再用數(shù)據(jù)線將機器人和電腦相連接，打開機器人的電源開關(guān)，讓電腦和機器人之間能正常地通信。 在第一次使用機器人的時候，要求我們來安裝一下驅(qū)動程序，在驅(qū)動光盤中，運行相應(yīng)的程序就可以安裝驅(qū)動。 5.3 調(diào)試 完成前面兩個步驟，接下來就是檢測機器人。我們可以利用軟件給我們的機器人灌入一些思想，給它空白的大腦填充一點記憶。接著再進行相應(yīng)的操作，機器人就可以執(zhí)行相應(yīng)的程序來完成相應(yīng)的動作。如果我們連接的完全正確，機器人就會執(zhí)行里面的程序，它所展示的動作就會和我們設(shè)計的一樣。 如果機器人展示的動作不是這個動作，那說明一定某個地方出現(xiàn)錯誤，需要我們來重新的檢查一下連接情況，還有電機的安裝順序，以及后面主控板上面連線的連接情況。來確保以后動作的正常運行。 結(jié)束語 兩年前，我懷著對大學一如往昔的深愛、向往與期待重新踏入校園。兩年后，“文以治國、工以立國、商以富國”的信念，讓我必須滿懷使命、挺起胸膛的說：“我們，以及我們正在把握和即將把握的企業(yè)，理應(yīng)成為中國經(jīng)濟崛起的脊梁?！? 兩年充實的生活告訴我，民族需要掌握先進理念、具有國際視野、熟悉具體環(huán)境的實戰(zhàn)先鋒；也告訴我，只有不斷經(jīng)歷考驗、挫折、甚至失敗，才能逼近我們最終的理想。生于斯時，長于斯境，唯有以雙倍的努力、十倍的耐心、百倍的豪情和千倍的執(zhí)著來完成原賦的使命。 在此，首先要對我的恩師，致以最深的感謝。在我懵懂時，她用振聾發(fā)聵的棒喝讓我警醒；在我迷失時，她用循循善誘的教誨抹去我心頭的塵埃；在我痛苦時，她的精神力量讓我在心底始終擁有支撐。生有吾父，教有吾師，幸甚。 在論文的寫作過程中，大姐懷著她那偉大的母性，無比耐心、無私無求的給予我持續(xù)的幫助，沒有她，論文無法順利完成。 也要感謝師兄，他同五年前一樣的真誠與寬厚，在最后時刻對文章的指導(dǎo)，起到了決定性的作用。 還有我的同窗、朋友們，老李、老趙,是他們用最真摯的情感和最實際的援助，幫我渡過了一處處的難關(guān)。 最后要感謝的是我的父母，他們期待的目光、未來的責任和時時可以尋求的慰藉，是我不斷進取的力量源泉。 即將結(jié)束再次學習的生活，相信等待我的是一片充滿機遇、風險與快樂的土地；也相信我和同仁們的事業(yè)必將如涅磐之鳳、浴火之凰！  致 謝 本論文的研究工作和撰寫過程中自始至終得到了我的兩位指導(dǎo)老師李連波和劉艷的悉心關(guān)懷和指導(dǎo)。老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，深厚扎實的專業(yè)知識以及謙遜的學者風范，使我在幾年的學習期間不僅在專業(yè)學習上受益匪淺，更學會了如何做人。借此機 會，衷心地感謝老師們多年來對我的教導(dǎo)。在實驗過程中，有實驗室的蔣勇老師、武培軍老師以及其他工作人員給予了我大量的無私幫助，在此向您們表示衷心的感謝。 感謝我的同學李菁、杜韋奉、胡源等在論文的撰寫過程中給予了大量幫助。感謝我的舍友在生活上給予的關(guān)心和支持。感謝我的父母在整個學習期間給我的無私關(guān)懷。感謝在校期間給我授課的各位老師，是你們使我的知識得到更新，視野得到拓展。最后向所有關(guān)心和支持過我的老師、同學、朋友表示衷心的感謝!  參 考 文 獻 [1] 安杰利斯，宋偉剛. 機器人機械系統(tǒng)原理[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2004. 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