浩然队竞速技术报告

2015中国工程机器人大赛暨国际公开赛（RoboWork）竞速机器人技术报告参赛学校：山东大学队伍名称：浩然一队参赛队员：成旺荣傅洪裕赵豪带队教师：王立志（13589084205）二〇一六年五月关于技术报告使用授权的说明本人完全了解2015中国工程机器人大赛暨国际公开赛（RoboWork）关于保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人和比赛组委会共同所有，比赛组委会可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛机器人的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。参赛队员签名：带队教师签名：日期：中国工程机器人大赛技术报告第1页中文引言竞速机器人即智能移动机器人是当前机器人领域研究的前沿，交叉和综合，是未来智能汽车发展的趋势。我们针对比赛用竞速机器人，基于IAP15F2K60S2单片机开发与实现，采用红外传感器识别赛道中央黑色的引导线，自动控制机器人，从而实现快速、稳定的寻线行驶。为尽可能的提高竞速机器人在快速行驶过程中的稳定性，通过计算机编程，工程设计，动手制作与技术构建，结合日常观察等方法发现我们的问题与不足，并不断地去寻求最完美的解决方案,发展自己的创造力，最终完成了竞速机器人的制作并在竞速机器人的结构及动作调试、控制、驱动等方面最终形成了很好的解决方案并实现了仿人机器人在赛道上的快速稳定行走。我们通过制作U形支架连接舵机，构成机器人的双腿，通过小型舵机的旋转实现竞速仿人机器人手臂和头的自由度；通过串口调试反复观察机器人的动作并最终确定机器人行走的最佳动作；通过8V电池以及1117稳压5V给单片机和舵机供电；通过红外对管检测黑线实现仿人机器人的巡线行走。关键词：竞速仿人机器人；单片机；舵机；传感器ABSTRACTNowadays,Theintelligentmobilerobot,asracingrobotisattheforefrontofroboticsresearch.Crossandcomprehensive,isthetrendofthedevelopmentofthesmartcarinthefuture.Ourhumanoidrobotfortheracinggame,basedonIAP15F2K60S2MCUdevelopmentandimplementation,usinginfraredsensoridentificationcircuitofthecentralleadinglinesofblack,automaticallycontroltherobot,soastorealizetherapidandstableline.Forasmuchaspossible,improvingthestabilityofracingrobotdrivingfastinprocess,throughcomputerprogramming,engineeringdesign,constructandbuildingtechnology,combinedwiththedailyobservationandothermethodsfoundourproblemsanddeficiencies,andconstantlytoseekthemostperfectsolution,developourcreativity,eventuallycompletedhumanoidrobotproduction.Inthestructureandactionofracingrobotdebugging,controlanddriveeventuallyweformedthegoodsolutionandimplementsthehumanoidrobotstablewalkingquicklyonthetrack.Weproducedbyu-shapedbracketconnectionsteeringgear,whichmadeupourrobot'slegs;Therotationofthesmallsteeringgear中国工程机器人大赛技术报告第2页racinghumanoidrobotarmandheadofthedegreesoffreedom;Viaaserialportdebuggingrepeatedlyobservedtherobot'smovementandultimatelydeterminethebestactionoftherobot;By8vbatteryvoltage5vforsinglechipmicrocomputer1117andsteeringgearpowersupply;Byinfraredtubetestsfordetectingtheblacklinewalkingofhumanoidrobottowalk.Keyword:Racinghumanoidrobot;Singlechipmicrocomputer;Thesteeringgear;Thesensor中国工程机器人大赛技术报告第3页目录一、绪论1.中文引言...................................................12.关键词.....................................................13.英文引言...................................................14.关键词.....................................................2二、正文.....................................................41.机器人概述.................................................42.机器人发展历史.............................................43．系统整体设计..............................................94.硬件设计..................................................105.软件设计..................................................215.系统开发与调试............................................227.结论......................................................22三、参考文献...................................................22四、附录.......................................................24五、致谢.......................................................31中国工程机器人大赛技术报告第4页1.机器人概述构建人形机器人的目的是简单地设计一个可以完成人类复杂运动和能够真诚地帮助人类的机器人。尽管其目的简单,但是要完成这个任务相当困难。例如前本田工程师实现了他们梦想建立一个进的仿人机器人，花了超过18年的时间，在这段时间里他们不断的学习，探究和实验，也走了不少的弯路。行走过程分为两个主要部分即静态和动态步行。静态步行人形机器人包括完整的移动身体的齿轮的基地脚区域，与此同时其他脚抬起并前进。这种机器人是从运动学角度（轨迹，或位移控制）来设计和控制的，结果是有相当大的脚以一个缓慢的速度行走。一个静态步行双足足动物,如本田P3的人形机器人,“不移动很像人并且能量效率低下。它移动与nonpendular外观相似，本田2000机器人在行走时需要大约2kw功率，他需要的功率是同样大小人类的肌肉工作功率的20倍[1]。动态稳定性需要快速行走和多样的地形。在行走时重心不在支撑腿区域内时，机器人在下一个动态平衡区域时就会失衡。被动动态步行可增加到三分之一组不同类型的步行过程。无动力玩具士兵或企鹅早在一个世纪前就已经发明，它们可以沿着缓坡行走而没有任何电机的控制。通过对它们的腿和胳膊的长度和大众的仔细选择，这些玩具在行走时保持平衡而消耗很少的能量（来自重力）。这种模型以一种固定的方式行走,但他们的结构很简单。使用这个作为起点,可以添加更多的自由度,可以添加驱动和控制实现更加流畅的运动。研究的目的是趋向于设计简单且能够实现更多功能。为此，我们选择了一个静态步行具有能力从两足改变到四足模式运动，以下部分提供一段到目前为止人形机器人研究历程。最后，介绍了最终设计理念的选择过程，最终设计的详细解释和提出离了初步的步态定义。2.机器人发展史1920年，捷克作家卡雷尔·卡佩克发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》。卡佩克在剧本中把捷克语“Robota”写成了“Robot”，引起了大家的广泛关注，从此，“robot”以及相对应的中文“机器人”一词开始在全世界流行，这被当成了机器人一词的起源。机器人的祖先可以追溯到两千多年前。我们知道古人用滴漏计时的方法，其实这就是一种自动化设备——水钟。那时，人们将两个水壶一上一下放置，上面的水壶将水滴到下面的水壶里，下面的水壶里安放一个浮标，浮标上有表示时间的刻度。这样，浮标随着水位的升高二升起，人们就会在壶的外面看到那些表示中国工程机器人大赛技术报告第5页时间的刻度了。水量的稳定与否，制约着时间的准确。于是，人们就增加几个水壶，使他们形成了一个系统，一个自动化机器的内部都有着一套相互关联的设备。上个世纪60年代前后，随着微电子学和计算机技术的迅速发展，自动化技术也去取得了飞跃性的变化，开始出现了现在普遍意义上的机器人。1950年，美国作家艾萨克·阿西莫夫在他的科幻小说《I,Robot》中首次使用了“Robotics”即“机器人学”。阿西莫夫提出了“机器人三原则”：①机器人不应伤害人类，且在人类受到伤害时不可袖手旁观；②机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；③机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则，阿西莫夫也因此被称为“机器人学之父”。1954年，美国人GeorgeC.Devol提出了第一个工业机器人方案并在1956年获得美国专利。1959年，美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，取名“尤尼梅逊”，意为“万能自动”。尤尼梅逊的样子像一个坦克炮塔，炮塔上伸出一条大机械臂，大机械臂上又接着一条小机械臂，小机械臂再安装着一个操作器。这三部分都可以相对转动、伸缩、很像是人的手臂了。1968年，美国斯坦福研究所研制出世界上第一台智能型机器人。这个机器人可以在一次性接受由计算机输出的无线遥控指令后，自己找到目标物体并实施对该物体的某些动作。1969年，该研究所对机器人的智能进行测定。他们在房间中央放置了一个高台，在台上放一只箱子，同时在房间一个角落里放了一个斜面体。科学家命令机器人爬上高台并将箱子推到地上去。开始，这个机器人绕着台子转了20分钟，却无法登上去。后来，它发现了角落里的斜面体，于是它走过去，把斜面体推到平台前并沿着这个斜面体爬上了高台将箱子推了下去。这个测试表明，机器人已经具备了一定的发现、综合判断，决策等智能。“Shakey”是世界上第一个智能机器人，它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木，不过控制它的计算机有一个房间那么大1997年，日本本田公司研制出世界上第一台可以像人一样走步的步行机器人“P2”。这是机器人发展史上的一个里程碑。现在的机器人则已经可以跳舞、翻跟头。机器人的手也非常灵巧，他可以握住鸡蛋，也可以拿起一根针。而在电子生产线上的机械手，则快速、精确得远远超过人手。经过