小型輪式移動機器人結構設計與運動控制研究畢業設計說明書(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 安 裝攝像機、安全激光測距儀、夜視裝置和 GPS 全球定位系統等設備，通過無線電或者光纜操縱，完成偵察和監視敵情、情報搜集、目標搜索和自主巡邏等任務。除軍事偵察外，智能移動機器人還常被用來完成掃除路邊炸彈、尋找地雷和銷毀地雷等危險任務。 （ 2） 探測危險，航天航空 本科畢業設計說明書（論文） 第 17 頁 共 43 頁 在考古、工程檢測和災后救援等方面，移動機器人由于其良好的越障性能，也發揮著巨大的作用。在國外，智能移動機器人己經被用來探測金字塔內王后室的秘密通道 [17]。在工程建設領域，可對水庫堤壩、海岸護岸堤、江河大壩進行質量和安全性檢測，還可應用在碼頭、橋墩等被撞后的受損 程度探測評估。在制造領域，可用于工業管道中的機械損傷、裂紋等缺陷的探尋，對輸油和輸氣管線的泄露和破損點的查找和定位等 [18]。民用方面，可以探測泄露物質，可以進行地鐵滅火，以及在強烈地震發生后到廢墟中尋找被埋人員等。 從上個世紀 60年代后期，人類就開始了對宇宙外星球的探測。到目前為止，人類研究的星球主要是月球和火星。由于外星球上空氣、輻射、溫度和重力等條件的影響，人類很難直接進行探測和研究。為此，通過移動機器人采集星球樣本進行研究己經成為研究外星球的重要手段。 (3)智能導航，快速運輸 在現代化的大型商場 、醫院等公共場所。智能機器人可以充當導游、售貨員、保安等多種職業。不僅可以為行人帶路、介紹周圍環境，還可以有效的維護公共場所里治安。在大型碼頭、貨場和倉庫，已經開始利用這種智能移動機器 (AGV)作為主要的運輸工具。通過預先編好的程序和規劃的路徑，它們可以自己在指定位置充電，并且長時間的高效率的不間斷工作。大大提高了運輸量。 智能移動機器人根據不同的需要，可采取不同的移動機構。但總體目標都是向著高度的機動性、良好的穩定性以及簡單的可控性發展。 移動機器人技術在經過幾十年的發展過程之后，己經取得很大進展 ，并且成為新興且快速成長的行業。隨著機器人技術的發展和人類活動領域的不斷擴大，移動機器人的應用領域不斷地拓寬，從制造領域向非制造領域發展，如海洋開發、宇宙探測、采掘、建筑、醫療、農林業、服務、娛樂等行業都提出自動化和機器人化的要求。人們期望機器人能在許多人類不能及的區域來代替人類完成更復雜的任務。因此，研究與開發一個集環境感知、動態決策與規劃、行為控制與執行等多種功能于一體的移動機器人的綜合控制系統，勢在必行。傳統機器人控制系統結構源自基于認知的人工智能模型，在這種模型中，智能任務由運行于符號模型之上的推理 過程來實現，它強調帶有環境模型或地圖的中央規劃器是其智能不可缺少的組成部份，而且該模型必須是準確的、一致的。該模型遵循從感知到動作的串行功能分解控制路線，系統的可靠性、魯棒性和反應性差。 本科畢業設計說明書（論文） 第 18 頁 共 43 頁 反應式控制系統將機器人行為的感知、規劃、任務執行等過程封裝成一個行為模塊，某一時刻，只有一種行為控制機器人。反應式控制系統能使機器人快速地對時變的、非人為構造的環境進行反應。反應式控制系統的局限性是機器人通常不能保存周圍信息，沒有記憶功能，沒有內部的環境描述，沒有實時學習 /規劃能力。基于行為控制方法是反應式系統的擴展，它介 于純粹的反應式和極端的慎思型之間。在基于行為控制方法中，控制系統的分解是以面向任務的 (TaskOriented）方式進行的，機器人把所要完成的任務分 成 基本的簡單的行為單元，各單元彼此協調工作。每個單元都有自己的感知器和執行器，構成感知一執行動作行為。機器人根據行為的優先級并結合本身的任務綜合作出反應。其優點在于每個行為的功能較簡單，可以通過簡單的傳感器及其快速信息處理過程獲得良好的運行效果。因此，行為控制是進行機器人底層控制的最佳選擇。 1． 5 論文研究的主要內容 本文對輪式機器人的結構設計和運動控制技 術進行了研究。這一機器人的行駛機構為四輪式結構。即各車輪與車架直接相連，使其具有行走功能。本機構配備大直徑輪軸，使其能適應室外、草地、沙地等行走環境。同時配備自主驅動控制，能實現無半徑轉向跨越障礙、躲避障礙等功能。 （ 1） 移動機器人的結構設計。此內容包括機器人主要結構形式和外形尺寸的確定。 （ 2） 移動機器人的模塊化設計。移動機器人是一個集環境感知、動態決策與規劃、行 為控制與執行等多種功能于一體的綜合系統。是一種具有一定智能、在一定范圍內移動且能完成各種規定任務的機器人。與普通機器人的主要區別是移動機器人一般安裝在可移動 的平臺載體上。可在較大地域范圍內活動。在設計移動機器人 時應遵循以下機構設計原則 [19]： ，便于平時的試驗、調試和修理。 、功能元件等預留安裝位置，以備將來功能改進與擴展。 ，各個功能模塊之間相互獨立裝配 .互不干擾。 （ 3） 移動機器人的運動控制分析。要順利躲避障礙，機器人必須具備自主靈活的轉向性能。因此，機器人的轉向性能是其地面適應能力的一個關鍵方面。 本科畢業設計說明書（論文） 第 19 頁 共 43 頁 2 輪式機器人的運動控制 2． 1 移動機器人控制系統設計 本次設計的論述移 動機器人為以 STC12C5408AD 為控制核心的后驅四輪機器人。如圖 5所示，在車身最前部分是信號采集模塊，負責對工作環境中的線標志的讀取，前輪萬向輪來作支撐轉向，后輪是機器人前進的主要動力，用直流電機驅動，當機器人拐彎時采用差速機構進行驅動 [20]。 圖 5 輪式移動機器人 原理 單片機 [21]系統通過信號采集模塊，對路面標記的信號進行讀取，并把模擬量轉換為數字信號輸入到單片機，單片機通過己經寫入的程序對讀取到的信號進行判斷，進而通過電機驅動模塊和車體轉向控制模塊來決定機器人的運動狀態。電 機驅動模塊采用直流電機對機器人進行驅動，并調節電機轉速來實現機器人轉向。 元器件的選擇 本次設計主要實現信號采集與分析、直流電機控制兩大功能，而單片機系統為機器人最終運動狀態的決定者，因此單片機的選擇很大程度上決定了移動機器人的性能。信號的采集一般需要有 AD 轉換接口，本次設計中選擇了國產的 STC12C5408AD，是新一代增強型 8051 單片機，速度快，集成度高，電壓范圍寬 ()，指令系統和 MCS51系列完全兼容。其內部還有 8kB Flash程序存儲器， 512Byte RAM,2kB EZ PROM ,8通道 10 位 ADC、 4 路 PWM 以及硬件看門狗 (WDT)等資源，并具有 ISP 本科畢業設計說明書（論文） 第 20 頁 共 43 頁 功能，用戶在自己的目標系統上，經串口和 PC連接，就可直接由 PC 對其進行 ISP下載編程，時間僅幾秒鐘。 在集成整個控制系統之前，還要考慮電源問題。運行過程中電機消耗的電量要比控制系統消耗的多，而且在運行過程中機器人的加速、減速、拐彎等動作會導致電壓的不穩定，故實行控制系統電源和電機驅動電源的分離，對單片機系統設計了一個獨立的以 MAX639 為核心的供電系統，確保單片機得到 5V的電源。 移動機器人平臺總體結構 移動機器人應具有如下功能： 1． 進行靜態全局路徑規劃，并控制機器人實現全局導航，完成指定任務； 2． 當環境中出現障礙物時，機器人識別障礙并采用相應的避障策略實現避障； 3． 主動視覺系統可以完成目標搜索和跟蹤功能；同時可用于輔助全局導航和移動機器人將要到達指定目標時的精確定位。 鑒于以上的研究目標，提出如下總體設計要求： 1. 機器人動作靈活，控制方便； 2. 采用模塊化設計 3. 應具有較豐富的環境感知能力，以便對機器人的行為控制進行更全面的研究； 4. 在保證功能實現的前提下，盡量減少系統硬件的成本； 5. 便于功能擴展、軟硬件調試、及系統維護。 基于上述設計要求研發的移動機器人總體結構，由下至上分為五層 :主要分為用戶層、決策控制層、傳感 /底層決策層、運動執行層。各層與各層之間通訊都有標準的物理層與協議層，因此各層都具有很強的擴展性。 移動機器人硬件系統 系統硬件由移動機器人平臺和無線通信系統組成，采用上下位二級分布式控制系統結構。采用基于模塊化并行通信的多微處理器分布式控制系統體系結構設計實現，完成對移動機器人的行為動作控制；主要完成的移動機器人全局導航控制功能和基于主動視覺的移動機器 人導航控制等功能；通過無線通信系統和上位機進行信息交互。 移動機器人平臺為典型的四輪式機器人， 前兩輪為萬向輪，兩后輪單獨驅動，后輪 安裝了左右輪直流電機及其電機控制器，這個移動機器人平臺可以爬坡和越障，為實現三維空間的導航提供了平臺。 系統硬件組成可分為以下三個大模塊 :電源及驅動模塊、傳感器模塊、控制計算 本科畢業設計說明書（論文） 第 21 頁 共 43 頁 機模塊，而按功能類別分，該機器人又可分為用戶層、傳感 /控制子系統、智能和決策子系統、運動控制層如圖 6所示。 本科畢業設計說明書（論文） 第 22 頁 共 43 頁 圖 6 移動機器人平臺系統硬件組成 本科畢業設計說明書（論文） 第 23 頁 共 43 頁 移動機器人電源及驅動模塊 此處省略 NNNNNNNNNNNN 字。如需要完整說明書和 設計 圖紙等 .請聯系 扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套機械畢業設計下載！該論文已經通過答辯 移動機器人傳感系統 移動機器人的傳感系統負責獲取機器人內部狀態和外部工作環境的信息，是移動機器人感知、決策和動作三大要素之一。傳感系統的硬件組成單元是傳感器，其功能是為機器人提供諸如視覺、力覺、觸覺等對外部環境的感知能力，同時還可以感知機器人本身的工作狀態和位置。 外部傳感器有 :傳感器模塊上配備 24 路超聲測距傳感器 (聲納 )及光電開關 (避碰用 )、兩自由度攝像云臺、全景視覺攝像機、接觸和接近傳感器等，并提供 8 個預留的標準接口。結構如圖 10 所示。傳感器主板如圖 11所示，其中 12 點方向的超聲波傳感器及紅外傳感器接口號為 24，順時針方向為 5??。 圖 10 傳感系統結構 本科畢業設計說明書（論文） 第 24 頁 共 43 頁 圖 11 傳感器主板絲印圖 傳感器主板電源由兩針接口 POWER 輸入之后分成兩路，一路經過可恢復保險管與 TVS 管 (用于反接與過壓保護 )為傳感器系統提供 24 電源，另一路直接為 PC 提供電源。其中 LEDO1 與 LED02 分別是傳感器系統與 PC 系統電源指示燈。 圖 12 電源輸入以及簡單保護電路 2． 2 移動機器人運動控制研究 本科畢業設計說明書（論文） 第 25 頁 共 43 頁 移動機器人通常利用輪子、腿或其他機械裝置在應用環境中來回移動。 本文討論的為四輪式結構。前面兩個輪為隨動輪，僅起到支承車體而無導向作用，后面兩輪為驅動輪，用兩臺電機分別驅動，通過調節后輪的轉速來控制車體運行的速度和轉動角速度。 車體結構與運動學分析 圖 13 為可移動機器人車體結構簡圖。小車兩后輪為驅動輪分別由兩臺電機驅動，每臺電機與后輪各構成一個速度閉環，為恒速輸出，在工作載荷內，調節兩電機的輸入電壓即可調節兩后輪的轉速。小車兩 前輪為隨動輪，僅起到支承車體的作用而無導向作用。 圖 13 車體結構圖 圖 14 車體運動路徑 圖 14為車體運動路徑示意圖。車體運動起始點 O 為坐標原點，經時間 t 后車體運動到點 A 處 .其中， Ex(t)和 Ey(t)為小車在 X 方向上和 Y方向上的位移； θ(t)和。 ω(t)為小車的角位移和角速度。為小車兩后輪中點處的移動速度。因此可推得如下關系式： Ex（ t） =?to dttv )(cos? (1) Ey（ t） =?to dttv )(sin? (2) θ(t)=?to dtt)(? (3) 在小誤差范圍內可以認為 : cosθ(t)=1 （ 4） sinθ(t)=θ(t) （ 5） 控制小車的兩電機電壓保證小車兩后輪中點處的速度為常 量 ， 即 v=v0，則式（ 1），（ 2） 本科畢業設計說明書（論文） 第 26 頁 共 43 頁 和（ 3）可表示如下：