基于慧鱼组件的通讯排障机器人设计―控制部分设计

本科毕业设计说明书（论文）第Ⅰ页共Ⅰ页目录1引言…………………………………………………………………………………11.1机器人设计背景…………………………………………………………………32机器人轮式机器人总体设计………………………………………………………32.1驱动单元…………………………………………………………………………42.2传感器模块………………………………………………………………………42.3通信和人机交互模块……………………………………………………………52.4机器人前爪简述…………………………………………………………………52.5机器人升降台简述………………………………………………………………63控制程序设计思路和程序过程图…………………………………………………73.1设计思路………………………………………………………………………73.2设计过程………………………………………………………………………73.3信息的传递方式…………………………………………………………………73.4慧鱼软件简介……………………………………………………………………84机器人软件系统…………………………………………………………………114.1光电检测寻线系统………………………………………………………………124.2前爪排障系统…………………………………………………………………174.3升降系统…………………………………………………………………………205总体调试…………………………………………………………………………225.1软件的安装………………………………………………………………………225.2连接……………………………………………………………………………235.3调试………………………………………………………………………………23结束语………………………………………………………………………………24致谢…………………………………………………………………………………25参考文献………………………………………………………………………………261引言机器人是21世纪技术前沿课题，随着科学技术的发展，机器人在社会各领域的作用越来越大。对机器人的研究已成为热门课题。寻迹机器人是一种被广泛研究的机器人，而且国内外都有许多重要的比赛。它是在给定的区域内延着轨迹完成对各个目本科毕业设计说明书（论文）第Ⅰ页共Ⅰ页标点的访同。其主要指标是速度和顺利完成任务的能力。寻迹机器人涉及到传感器技术，单片机控制、信号处理、电机驱动、人工智能、驱动电源的设计等诸多领域。本文描述的通讯排障机器人利用红外传感器感知外界信号、光电编码器和编程控制来寻线行走。从机器人技术的发展水平来看，机器人主要经历了简单的可编程机器人，低级智能机器人和高级智能机器人三代。机器人有几个方面是我们有必要去发展的理由:一个是机器人干人不愿意干的事，比如说从事，有毒的、有害的、高温的或危险的，把人从这样的危险的环境中解放出来，同时机器人可以干不好干的活，比方说在汽车生产线上我们看到工人天天拿着一百多公斤的焊钳，一天焊几千个点，就重复性的劳动，一方面他很累，但是产品的质量仍然很低；另一方面机器人干人干不了的活，这也是非常重要的机器人发展的一个理由，比方说人们对太空的认识，人上不去的时候，叫机器人上天，上月球，以及到海洋，进入到人体的小机器人，以及在微观环境下，对原子分子进行搬迁的机器人，都是人们不可达的工作。机器人有三个发展阶段，一种是第一代机器人，那么也叫示教再现型机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多自由度的一个机械，通过示教存储程序和信息，工作时把信息读取出来，然后发出指令，这样的话机器人可以重复的根据人当时示教的结果，再现出这种动作，比方说汽车的点焊机器人，它只要把这个点焊的过程示教完以后，它总是重复这样一种工作，它对于外界的环境没有感知，这个力操作力的大小，这个工件存在不存在，焊的好与坏，它并不知道，那么实际上这种从第一代机器人，也就存在它这种缺陷，因此，在20世纪70年代后期，人们开始研究第二代机器人，叫带感觉的机器人，这种带感觉的机器人是类似人在某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类比，有了各种各样的感觉，比方说在机器人抓一个物体的时候，它实际上力的大小能感觉出来，它能够通过视觉，能够去感受和识别它的形状、大小、颜色。那么第三代机器人，也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人，那么只要告诉它做什么，不用告诉它怎么去做，它就能完成运动，感知思维和人机通讯的这种功能和机能，那么这个目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能的概念和含义，但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在，而只是随着我们不断的科学技术的发展，智能的概念越来越丰富，它内涵越来越宽。本科毕业设计说明书（论文）第Ⅰ页共Ⅰ页救灾机器人可以利用自身的优点，能迅速找到遇险者的位置，降低事故危害性，提高救灾效率具有重大意义，但光有这些还不够，灾难往往发生在黑夜里，没有灯光，四处漆黑一片，伸手不见五指，只听见到处都是遇难者发出的哭叫声，营救人员无法正确做出判断，无法到达指定的地点营救被困人员；再者，发生的地点许多通讯设施受到破坏甚至倒塌，以至于没有通讯信号，使得受灾情况无法及时反馈，给指挥带来很大困难。因此，将具有通讯排障于一身的机器人用于灾难环境下辅助“搜索和营救”（SAR）幸存者，是机器人学中的一个新兴而富有挑战性的领域。在国内，机器人的研究刚刚起步，但进展很快。中科院沈阳自动化所在2002年研制了一种蛇形机器人，由16个单自由度关节模块和蛇头、蛇尾组成，在监控系统的无线控制下可实现蜿蜒前进、后退、侧移、翻滚等多种动作，并能通过安装在蛇头上的微型摄像头将现场图像传回监控系统。国防科技大学在2001年也研制了一种蛇形机器人。中国矿业大学在“211工程”的支持下，已开始研制煤矿救灾机器人。在国外，机器人发展迅速，技术日益成熟，并进入实用化阶段，日本、美国、英国等已开始装备使用。在灾难现场中，机器人应能迅速找到幸存者的位置。日本大阪大学研制出蛇形机器人，能在高低不平的模拟废墟上前进，其顶端带有一部小型监视器，身体部位安装传感器，可以在地震后的废墟里寻找幸存者。美国iRobot公司研制了PackBot系列机器人，能适应崎岖不平的地形环境和爬楼梯，主要执行侦察任务、寻找幸存者、勘探化学品泄漏等任务。InuKtun公司研制了机器人MicroVGTV，机身可变位，采用电缆控制，含有直视的彩色摄像头，并带有微型话筒和扬声器，可用于与压在废墟中的幸存者通话，适用于在小的孔洞和空间中执行任务。在自动行走机器人的应用中，希望机器人能够自动按照地面上的某种白色指示线到达某一标志物上并使机器人停止完成相应动作。若采用步进电机驱动可以满足以上要求。但由于地面的各种闪素，比如地面较光滑等，导致机器人在运动过程中出现打滑或丢步，机器人在运动中一旦出现这些现象，就不能准确检测到标志物。本文介绍了一种采用光电检测寻线系统和直流电机驱动相结合的机器人控制系统，可以使机器人非常准确、自动地到达理想的位置并完成相应的动作。轮式机器人地形适应能力强，动载荷小，设计紧凑，其缺点是重量轻，能耗小。本次设计拟选择轮式移动机构。轮式机器人的一个特殊的特征是非完整系统，非完整的含义是，定义系统姿态的广义坐标的最小数M，大于其独立的广义速度数N，也就是M＞N。相对于其他移动机构，其越野机动性能好，爬坡、越障、跨沟能力强，轮式本科毕业设计说明书（论文）第Ⅰ页共Ⅰ页的牵引性能好，有利于发挥较大的牵引力。相对于步行式行走机构：技术成熟；控制简单。1.1机器人设计背景根据《第四届全国大学生机械创新设计大赛主题与内容的通知》精神，经全国大学生机械创新设计大赛组委会批准，第四届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组2010阶段竞赛，将于2010年4月在北京举行。第四届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组竞赛的主题为“珍爱生命，奉献社会”。内容为“在突发灾难中，用于救援、破障、逃生、避难的机械产品的设计与制作”。其中“用于救援、破障的机械产品”指在火灾、水灾、地震、矿难等灾害发生时，为抢救人民生命和财产，所使用的机械；“用于逃生、避难的机械产品”，指立足防范于未然，在突发灾害发生时保护自我和他人的生命和财产安全的机械，也包括在灾难和紧急情况发生时，房屋建筑、车船等运输工具以及其他一些公共场合中可以紧急逃生、避难功能的门、窗、锁的创新设计。全国大学生机械创新设计大赛的目的在于引导高等学校在教学中注重培养大学生的创新设计意识、综合设计能力与团队协作精神；加强学生动手能力的培养和工程实践的训练，提高学生针对实际需求通过创新思维,进行机械设计和工艺制作等实际工作能力；吸引、鼓励广大学生踊跃参加课外科技活动，为优秀人才脱颖而出创造条件。2机器人轮式机器人总体设计本文设计的通讯排障机器人控制系统由微控制器、驱动单元、通讯模块、人机交互模块等组成。微控制器主要处理各个传感器的信息，完成移动机器人控制算法的运算和决策，控制排障机器人两轮的控制；驱动单元实现排障机器人两轮驱动功能；传感器模块检测排障机器人和障碍物的距离及周围环境的信息；通讯单元实现排障机器人各模块之间和与上位机的通信，实时传输作业现场的图像。本机器人的整体排障控制框图如图2.1所示。本科毕业设计说明书（论文）第Ⅰ页共Ⅰ页图2.1排障控制图2.1驱动单元本系统设计的通讯排障机器人由4个轮子构成，左侧第一个轮子和右侧第二个轮子为驱动轮，其余为从动轮，驱动轮控制机器人的前后、左右运动。机器人排障部分由独立的电机驱动，可以独立完成排除障碍功能。升降台由两个直流电机驱动，本系统采用DG—M4系列电动机构组成机器人的驱动功能，此电动机构由永磁无刷直流电机和变速箱组成，其内部自带有位置传感器，检测电机的运动情况，实时的传输到控制器单元中，实现控制单元的实时控制。2.2传感器模块红外传感器的测量原理是将发射信号经调制后送红外管发射，光敏管接收调制的红外信号。用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。红外发射管发出红本科毕业设计说明书（论文）第Ⅰ页共Ⅰ页外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，因此对试验的环境要求较高。但光的反射受到多种因素的影响，如反射表面的形状、颜色、光洁度，日光、日光灯照射等不确定因素。如果直接用发射和接收管进行测盘将因为干扰产生错误信号，采用对反射光强进行测量的方法可以提高系统的可靠性和准确性。由于外部场景都是三维的，因此希望机器人的外部传感器能提供有关外部场景的三维立体信息。一般移动机器人上都配备多种传感器，其中触动式传感器和红外光电传感器最为常见。红外光电传感器可以看做是机器人的眼睛，把信息传送给控制系统它们之间相结合提供了对障碍物完整的信息，使机器人能够有实时性好、精确度高的排障功能。在本机器人的左右各安装一个触控式传感器，这样既有效地防止了红外光电传感器检测的盲区，也在一定程度上排除了各个传感器之间的互相干扰，使机器人得到周围环境的准确信息。2.3通信和人机交互模块整个系统内部模块之间，我们用串口实现它们之间的通信，让控制器集中决策管理，实现各个部分的协调运行；而在机器人独立作业时，操作者在上位机通过无线传输远程遥控机器人，实时地控制系统的运行，越过或排除障碍，合理处理现场作业。2.4机器人前爪简述前爪是连接在车体上，且在车身的最前面。它的作用是当遇到一些较小的障碍物时能够推开这些相对较小的障碍物，当遇到相对较大的障碍物的时，障碍物会触动安置在机械爪子上的4个不同位置的接触开关，从而启动机械爪子，机械爪子会张开推开障碍物，达到清理道路功能，为后续救灾运输部队提供通畅的道路。因而它具有独立的自由度，要求机械臂能够在平面内沿着轴线作旋转运动，如图2.2所示。本科毕业设计说