全自主家用清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與路徑規(guī)劃

1、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文全自主家用清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與路徑規(guī)劃姓名：王磊申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：精密儀器及機(jī)械指導(dǎo)教師：楊杰20060501中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文摘要家用清潔機(jī)器人是當(dāng)今服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域一個(gè)熱門的研究方向。雖然已有很多樣機(jī)和產(chǎn)品產(chǎn)生，但它們?nèi)杂泻芏嗟膯栴}需解決：如動(dòng)態(tài)環(huán)境中的適應(yīng)性，它的覆蓋率和覆蓋效率及其成本等。吸塵器自主地在房間內(nèi)吸塵而不需主人太多的干預(yù)是一件非常有挑戰(zhàn)性的工作，它涉及了當(dāng)前多項(xiàng)人工智能技術(shù)，從理論和技術(shù)上講，全自主智能吸塵器比較具體地體現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具有較強(qiáng)的代表性從市場(chǎng)前景角度講，全自主吸塵器將大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)效率，適用于賓

2、館、酒店、圖書館、辦公場(chǎng)所和家庭。因此開發(fā)自主智能吸塵器既具有科研上的挑戰(zhàn)性又具有廣闊的市場(chǎng)前景。本文主要設(shè)計(jì)了一種全自主家用清潔機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)分析及路徑規(guī)劃。其中機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、路徑規(guī)劃全部由作者獨(dú)立完成。首先對(duì)本課題相關(guān)背景和理論做了近一步的研究，介紹了服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展和智能清潔機(jī)器人的現(xiàn)狀。然后按照模塊化的思想對(duì)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)分別做了說明，最后提出了一種在未知環(huán)境下機(jī)器人在線路徑規(guī)劃算法，適用于家用清潔機(jī)器人對(duì)室內(nèi)地面的智能化清掃。該算法充分考慮了家用機(jī)器人成本低，節(jié)能等特點(diǎn)，前期以”迂回推進(jìn)”的方式，進(jìn)行次方向不同的清掃。根據(jù)結(jié)果得出障礙物和環(huán)境信息，再利用邊緣跟蹤對(duì)障礙物及整

3、個(gè)環(huán)境邊緣進(jìn)行清掃，同時(shí)對(duì)所得信息進(jìn)行校正，最終實(shí)現(xiàn)全區(qū)域的覆蓋。整個(gè)過程路徑段簡(jiǎn)單，能源利用率高。通過課題的研究，形成了一套完整而實(shí)用的設(shè)計(jì)方法，為進(jìn)行同類研究提供了理論依據(jù)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文，。：，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文第一章緒論服務(wù)機(jī)器人概述：自第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問世以來(lái)，機(jī)器人有著突飛猛進(jìn)的發(fā)展。機(jī)器人在工業(yè)、國(guó)防和科學(xué)技術(shù)中日益廣泛的應(yīng)用，帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，也有力地推動(dòng)了有關(guān)學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。服務(wù)機(jī)器人是一個(gè)新的機(jī)器人研究領(lǐng)域。作為正在發(fā)展新研究領(lǐng)域，服務(wù)機(jī)器人有許多不同的定義，但它的最基本特征是提供服務(wù)。和工業(yè)機(jī)器人一樣，服務(wù)機(jī)器人基本上包括機(jī)器人的所有基本特

4、性。它往往和人結(jié)合于同一工作環(huán)境中，這隱含著許多工業(yè)機(jī)器人沒有的特性，如安全問題、人機(jī)交互性、在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的高度自治等。目前服務(wù)機(jī)器人成功應(yīng)用的領(lǐng)域有雕刻，消防，清洗，醫(yī)療，焊接等等。從長(zhǎng)期來(lái)看，服務(wù)機(jī)器人的英勇數(shù)量將會(huì)超過工業(yè)機(jī)器人。服務(wù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)問題機(jī)械系統(tǒng)是服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，是完成抓取對(duì)象實(shí)現(xiàn)所需運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部分。它與一般地機(jī)械系統(tǒng)相比，除要求較高的定位精度之外，還應(yīng)具有良好的動(dòng)態(tài)相應(yīng)特性。服務(wù)機(jī)器人可以是靜止或移動(dòng)的平臺(tái)。靜止平臺(tái)式服務(wù)機(jī)器人通常具有手臂結(jié)構(gòu)它們能用于加油、飛機(jī)清洗和輔助殘疾人。這種手臂結(jié)構(gòu)的服務(wù)機(jī)器人也許會(huì)有各種工業(yè)機(jī)器人的基本特點(diǎn)，也可能會(huì)

5、有移動(dòng)輪但它們不用于操縱機(jī)器人。通常的服務(wù)機(jī)器人是可移動(dòng)的，最典型的移動(dòng)機(jī)器人是輪式結(jié)構(gòu)，當(dāng)然也可能有其它方式移方式如步行爬行和飛行等，但它們僅僅用于不適合輪式機(jī)器人的環(huán)境中。服務(wù)機(jī)器人的適用環(huán)境工業(yè)機(jī)器人所處的環(huán)境為制造環(huán)境，即所謂的“結(jié)構(gòu)化”環(huán)境，其環(huán)境信息往往為己知。服務(wù)機(jī)器人處于非制造環(huán)境，即所謂的“非結(jié)構(gòu)化”環(huán)境，其環(huán)境信息往往是多義的、不完全的或不準(zhǔn)確的。服務(wù)機(jī)器人通常在非結(jié)構(gòu)化和比較復(fù)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文雜的環(huán)境中運(yùn)行也就是指辦公室、公共大樓、超市和家庭等。人和機(jī)器人通常共處在同一環(huán)境中并且環(huán)境會(huì)出現(xiàn)預(yù)料之外的改變，如家具位置的隨意擺放、人的隨意走動(dòng)等因而服務(wù)機(jī)器人必須能自我

6、管理和處理環(huán)境中的一切。機(jī)器人設(shè)計(jì)人員必須能安全地假設(shè)許多環(huán)境模型來(lái)彌補(bǔ)現(xiàn)存環(huán)境感知技術(shù)的缺點(diǎn)。服務(wù)機(jī)器人的典型任務(wù)服務(wù)機(jī)器人的最普通的任務(wù)是減輕人類的重復(fù)或危險(xiǎn)的勞動(dòng)如象運(yùn)輸、救援、檢查、探險(xiǎn)等。服務(wù)機(jī)器人運(yùn)用于運(yùn)輸，如發(fā)送郵件、實(shí)驗(yàn)品和藥品：運(yùn)用于救援，如機(jī)器人能實(shí)施問題點(diǎn)的勘察，發(fā)現(xiàn)入侵者和火災(zāi)報(bào)警：運(yùn)用于檢查，如橋梁裂縫檢查，核反應(yīng)堆射線檢測(cè)和化學(xué)泄漏檢測(cè)。這種類型機(jī)器人需考慮它的機(jī)械移動(dòng)裝置、能量存儲(chǔ)、導(dǎo)航和避障。服務(wù)機(jī)器人在完成某項(xiàng)任務(wù)，它必須裝備執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)等，設(shè)計(jì)人員必須考慮機(jī)器人怎樣探測(cè)和操縱目標(biāo)，怎樣執(zhí)行和控制系統(tǒng)的交互，需多少能量才能完成任務(wù)等，因而機(jī)器人很容易變得

7、復(fù)雜，這是這類機(jī)器人快速發(fā)展的主要原因。一個(gè)特別適宜服務(wù)機(jī)器人完成的工作是清潔任務(wù)，主要包括室內(nèi)地面的吸塵、公共建筑物內(nèi)的清掃和大建筑物外墻的清洗。智能吸塵器需較大的功率考慮到它能在床和椅子下移動(dòng)它形狀不能太大，合理的路徑規(guī)劃避障和能耗是智能吸塵器的主要技術(shù)問題。服務(wù)機(jī)器人的技術(shù)問題服務(wù)機(jī)器人需完成各種不同的服務(wù)工作，如何完成特定的任務(wù)往往是服務(wù)機(jī)器人的核心技術(shù)，也是決定服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。如割草機(jī)器人的核心技術(shù)是如何低能耗割草，地面清洗機(jī)器人的核心技術(shù)可能是發(fā)展新清洗技術(shù)，使機(jī)器人不必?cái)y帶巨大的水箱。服務(wù)機(jī)器人作為機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)分支，所有服務(wù)機(jī)器人或多或少要涉及以下的人工智能技術(shù)：

8、環(huán)境感知技術(shù)環(huán)境傳感器和信號(hào)處理方法控制系統(tǒng)基于模型基于行為等交互和合作的控制結(jié)構(gòu)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文復(fù)雜任務(wù)的實(shí)時(shí)規(guī)劃仿真技術(shù)和環(huán)境人機(jī)交互服務(wù)機(jī)器人的可靠性和安全性服務(wù)機(jī)器人作為機(jī)器人新的應(yīng)用領(lǐng)域，其使用目的是為了改善人們的生活質(zhì)量，服務(wù)對(duì)象大多是沒有使用經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)的人們，而且大多數(shù)服務(wù)機(jī)器人工作在與人共處的環(huán)境中，直接或間接作用于人，如何處理好人與機(jī)器人的相互關(guān)系顯得尤為重要。同時(shí)，服務(wù)機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械一機(jī)電一電子系統(tǒng)，硬件上由許多不同的普通元件組成，軟件上也不可能十全十美，向傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備一樣，不可避免的會(huì)給人們帶來(lái)危險(xiǎn)，這是用戶所不希望的。因此可以說服務(wù)機(jī)器人實(shí)用化和商

9、品化的關(guān)鍵之在于它的可靠性和安全性服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用目前，服務(wù)機(jī)器人越來(lái)越受到企業(yè)和商業(yè)界的重視，這主要是其所具有的廣大市場(chǎng)和巨大利潤(rùn)所致。服務(wù)機(jī)器人的出現(xiàn)主要由兩個(gè)原因：一是勞動(dòng)力成本的上升：另一個(gè)是人們想擺脫令人煩惱枯燥的工作，如清潔、家務(wù)勞動(dòng)、照料病人和建筑施工等等。另外，福利事業(yè)，特別是老年人人數(shù)比例的上升也為服務(wù)機(jī)器人創(chuàng)造了一個(gè)廣闊的市場(chǎng)。目前在歐美、日本等西方發(fā)達(dá)國(guó)家，服務(wù)機(jī)器人己廣泛應(yīng)用于五大領(lǐng)域（醫(yī)療福利服務(wù)、商場(chǎng)超市服務(wù)、餐廳旅館服務(wù)、維修清潔服務(wù)和家庭服務(wù)）。中國(guó)科學(xué)挫術(shù)大學(xué)幀土論文刪晾照量銣一敝安劃嗡門盯、，毫群。、“二“二馥：圖：月臣務(wù)機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展圖中展示了近年

10、來(lái)服務(wù)機(jī)器人在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展情況對(duì)比，其中清潔機(jī)器人在年的數(shù)量己經(jīng)達(dá)到了臺(tái)。主要應(yīng)用領(lǐng)域是家用吸塵機(jī)器人、公共建筑地板清潔機(jī)人，大型建筑物的擦窗機(jī)器人和外墻清潔機(jī)器人。本文主要研究的是吸塵機(jī)器人。國(guó)內(nèi)外自主吸塵機(jī)器人研究現(xiàn)狀自主吸塵機(jī)器人式自動(dòng)進(jìn)行房間地面清潔的家庭服務(wù)機(jī)器人，集機(jī)械學(xué)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、人工智能等諸多學(xué)科為一體。自主吸塵機(jī)器人作為智能移動(dòng)機(jī)器人實(shí)用化發(fā)展的先行者，其研究始于世紀(jì)年代，到目前為止，已經(jīng)產(chǎn)生了一些概念樣機(jī)和產(chǎn)品。吸塵機(jī)器人的發(fā)展，帶動(dòng)了家庭服務(wù)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展，也促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)、圖像和語(yǔ)音識(shí)別、傳感器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展

11、。全自主智能吸塵器作為服務(wù)機(jī)器人的典型，在許多國(guó)家已經(jīng)開始使用，工作環(huán)境主要為普通家庭環(huán)境，也可以用于工廠、展覽館、圖書館、車站、機(jī)場(chǎng)和辦公室等公共場(chǎng)所。環(huán)境的共同特征為有限的封閉空間，平整的地板以及走動(dòng)的人員，因此可以歸結(jié)為復(fù)雜多變、結(jié)構(gòu)化的動(dòng)態(tài)環(huán)境所以環(huán)境適應(yīng)性為對(duì)此類機(jī)器人的基本要求。自主吸塵機(jī)器人的基本任務(wù)式清掃地面。地面的材料差異很大，包括硬質(zhì)地中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文板（硬木、水泥、大理石等）軟質(zhì)地板（短毛、中毛、長(zhǎng)毛地毯等）。工作對(duì)象為地面垃圾，包括灰塵、紙屑以及其他一些小尺寸物體，而大尺寸物體不作為吸塵機(jī)器人的處理對(duì)象。考慮到安全因素，吸塵機(jī)器人必須對(duì)人、寵物、家庭物品等不構(gòu)成

12、任何危害，同時(shí)吸塵機(jī)器人還必須具備自我保護(hù)的能力。早在世紀(jì)年代公司就正式開始進(jìn)行自主吸塵機(jī)器人的研發(fā)工作?？偟膩?lái)看，自主吸塵機(jī)器人的研究還剛剛起步，在自主能力和工作效率方面還有待提高。下面對(duì)一些主要產(chǎn)品和樣機(jī)在自主能力、路徑規(guī)劃、環(huán)境適應(yīng)性、工作效率等方面進(jìn)行了介紹：在國(guó)外，”是瑞典家電廠商經(jīng)歷年之后推出的世界上第一臺(tái)具有完全自主能力的吸塵器，”啟動(dòng)后，先順著墻壁罷地板四周的灰塵及異物吸盡，同時(shí)對(duì)房間進(jìn)行學(xué)習(xí)，計(jì)算出清掃整個(gè)房間所需的時(shí)間：清掃時(shí)，主要采用隨機(jī)規(guī)劃模式，使用超聲波傳感器進(jìn)行障礙物檢測(cè)，探測(cè)到障礙物時(shí)自動(dòng)避開并重新選擇路線進(jìn)行清掃。電源不足時(shí)，”會(huì)自動(dòng)回到充電座自行充電。如果此時(shí)

13、房間還沒有清掃完畢，”還有記憶功能，充好電后自己回到原處繼續(xù)吸塵。用戶可以采用磁條來(lái)限制“”的行動(dòng)范圍，保護(hù)吸塵器不會(huì)進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，比如火爐、樓梯等?！啊钡氖褂每梢詼p輕用戶的地面清掃負(fù)擔(dān)?！币坏脑O(shè)計(jì)者博士創(chuàng)立公司經(jīng)過年研究共制作了種樣機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)完成的家用機(jī)器人?！币悦涝某蛢r(jià)格給市場(chǎng)以巨大的震撼。”提供三種清掃模式：（約）工作；（約）：作；（約以上）：工作。設(shè)定清掃模式以后，”以螺旋狀路線運(yùn)轉(zhuǎn)，以碰撞方式進(jìn)行障礙物檢測(cè)。一旦碰到障礙物，”就沿著障礙物前進(jìn)，經(jīng)過定距離以后“”會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)度并重復(fù)上述過程。如此交替重復(fù)，知道清掃結(jié)束并自動(dòng)停止。采用“虛擬墻”發(fā)射紅外線來(lái)產(chǎn)生一個(gè)虛擬的墻壁，可以限制

14、機(jī)器人的活動(dòng)范圍?！?，具有高度環(huán)境適應(yīng)性，可以游走于家具縫隙問，動(dòng)作靈活快捷。在除塵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，”獨(dú)具特色。出了真空吸口外，底部的旋轉(zhuǎn)滾刷以及側(cè)面的旋轉(zhuǎn)毛刷，都可以增強(qiáng)吸塵能力，彌補(bǔ)吸塵功率小的不足中國(guó)科學(xué)技術(shù)人學(xué)碩士論文圖卜：已經(jīng)商業(yè)化的全自主清潔機(jī)器人產(chǎn)品松下電器從年開始研究開發(fā)自主吸塵機(jī)器入，己經(jīng)投入了億日元的在國(guó)內(nèi)，年初，浙江大學(xué)機(jī)械電子研究所開始進(jìn)行智能吸塵機(jī)器入的公司合作研發(fā)，到年系統(tǒng)在自主能力和工作效率上有了顯著提高。首先進(jìn)開發(fā)費(fèi)用（不包括人工費(fèi)），并于年公布了樣機(jī)，樣機(jī)配有個(gè)位微控制器。個(gè)位微控制器。擁有個(gè)傳感器：避開障礙物的紅外線及超聲波測(cè)距傳感器及感壓傳感器：控制機(jī)器人方

15、向的方向陀螺；防止從臺(tái)階等高出滾下的落差傳感器：感知暖爐等熱源的熱傳感器：檢測(cè)自身所受外力大小的重量傳感器及防滑傳感器：據(jù)報(bào)道，機(jī)器人還具備檢測(cè)地面清潔程度的能力，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)吸塵功率和行進(jìn)速度。工作時(shí)，首先會(huì)沿房間四周走圈記憶房間形狀。然后，在避開障礙物的同時(shí)開始縱橫來(lái)回移動(dòng)，清潔工作完成后會(huì)自動(dòng)停止。據(jù)松下公司稱，該吸塵機(jī)器人清掃席半的日本式房間約需要分鐘，清掃房間地板的，研究。兩年后設(shè)計(jì)成功國(guó)內(nèi)第一個(gè)具有初步智能的自主吸塵機(jī)器人，和蘇州中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文行環(huán)境學(xué)習(xí)：利用超聲波測(cè)距信息，與墻保持一定距離行走，在清潔這些角落的同時(shí)獲得房間的尺寸信息，從而決定清掃時(shí)間：之后，利用隨

16、機(jī)局部遍歷規(guī)劃的策略產(chǎn)生高效的清潔路徑：清掃結(jié)束后，自行回到充電座，補(bǔ)充動(dòng)力。系統(tǒng)在，的實(shí)際家庭環(huán)境中，工作，可以達(dá)到以上的覆蓋率。更大房間的清掃試驗(yàn)在結(jié)果記錄和分析上有困難，還沒有數(shù)據(jù)。目前，系統(tǒng)還在進(jìn)一步的升級(jí)中。另外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)也進(jìn)行了自主吸塵機(jī)器人的研究并完成了研發(fā)工作，由海爾公司進(jìn)行產(chǎn)品化工作。檢下新江犬學(xué)“”“”樣機(jī)債格莢元美元萬(wàn)捌元囂最，。尺寸（）（船尖速度功警一嗡聲甘，感知功能碰掩傳躥器：翹刪碰撞竹皤囂：瞰薔多傘特祭體謹(jǐn)插傳感規(guī)儔哆囂；街止磚器船，趣聲蚯磁蓐商；跬囂；耋外爆腹波瀚距：害感澎似爆器防默應(yīng)；一梭挎！薛囂落；自動(dòng)嗣蛔充防跌辮：鬣檢咀測(cè)自動(dòng)倒婦寵電年推出佯年月日家璉

17、試蛙，華軍完成進(jìn)髕狀態(tài)帆；埠形成產(chǎn)鼎螽授披螨胄錯(cuò)受自能力囂成。牖的群帆圖卜：全自主吸塵機(jī)器人規(guī)格對(duì)比全自主吸塵器組成結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)全自主吸塵器通?？捎蓚€(gè)主要部分組成：控制器部分、行走驅(qū)動(dòng)部分、傳感器部分、吸塵部分和電源部分。行走驅(qū)動(dòng)部分是吸塵機(jī)器人的主體，決定了吸塵器的運(yùn)動(dòng)空間，一般采用輪式機(jī)構(gòu)。傳感器部分一般采用超聲波測(cè)距儀、接觸和接近傳感器、視覺傳感器、紅外線傳感器和攝像機(jī)等。這種吸塵器實(shí)際中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文上融合了移動(dòng)機(jī)器人和吸塵器技術(shù)，故稱為智能吸塵器或吸塵機(jī)器人。隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展，吸塵機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)己具備了堅(jiān)

18、實(shí)的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。目前發(fā)展較快、對(duì)吸塵機(jī)器人發(fā)展影響較大的關(guān)鍵技術(shù)是：傳感器技術(shù)、環(huán)境建模、定位、路徑規(guī)劃技術(shù)。傳感器技術(shù)傳感器是機(jī)器人的感覺器官，負(fù)責(zé)采集外界環(huán)境和自身狀態(tài)的信息。根據(jù)采集信息的種類可以分為內(nèi)傳感器和外傳感器。內(nèi)傳感器負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)自身狀態(tài)的信息，包括編碼器、陀螺儀、電子羅盤等。外傳感器負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)外部信息，包括視覺傳感器、激光雷達(dá)、超聲波傳感器、紅外傳感器、接觸和接近傳感器。超聲波、紅外和接觸傳感器，具有價(jià)格低廉、工作可靠、速度快的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人的局部無(wú)碰撞導(dǎo)航。激光雷達(dá)是應(yīng)用較為廣泛的一種全局信息獲限制了其應(yīng)用范圍。而器件可以提供類似人類的視覺信息，隨著技術(shù)

19、的發(fā)展，其價(jià)格越來(lái)越低，在車牌識(shí)別、人臉識(shí)別、無(wú)人監(jiān)控、遙感圖像等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但是圖象處理的數(shù)據(jù)量大，算法復(fù)雜，特征提取和深度信息回復(fù)困難，所以在機(jī)器人視覺方面的應(yīng)用還是有限的。隨著集成電路的發(fā)展和計(jì)算機(jī)視覺的深入研究，視覺傳感器必將成為機(jī)器人環(huán)境感知的主要來(lái)源，同時(shí)促使機(jī)器人智能產(chǎn)生飛躍。環(huán)境建模環(huán)境建模是移動(dòng)機(jī)器人一個(gè)基礎(chǔ)而重要的課題。環(huán)境建模是在傳感器信息的基礎(chǔ)上，對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行二維或者三維重建。自主吸塵機(jī)器人的工作環(huán)境為三維環(huán)境，但是它總是約束在地面并且高度有限，因此可以強(qiáng)環(huán)境地圖簡(jiǎn)化為二維模型。地圖的形式主要由三種：幾何信息表示法，拓?fù)鋱D表示法和結(jié)合幾何信息和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的

20、復(fù)合方法。幾何法可以精確描述環(huán)境，但是隨著分辨率的提高和環(huán)境面積的增大，數(shù)據(jù)量迅速增大，很難滿足實(shí)時(shí)性的要求；拓?fù)涞貓D具有抽象性的特點(diǎn)，所以對(duì)環(huán)境變化和傳感器噪聲不敏感，并且存儲(chǔ)小，但是分辨率較低，所取手段，可以進(jìn)行定位和環(huán)境建模，但是所提供的信息不全面，并且價(jià)格較高，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文以目前研究者重點(diǎn)放在結(jié)合幾何信息和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)合方法上。定位定位是指機(jī)器人對(duì)自身位置的估計(jì)，包括位置（，）和方向的估計(jì)。移動(dòng)機(jī)器人的準(zhǔn)確定位是保證其正確完成導(dǎo)航、控制任務(wù)的關(guān)鍵之一。目前移動(dòng)機(jī)器人常用的定位方法有全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（）、光電碼盤、慣性陀螺、磁羅盤、路標(biāo)匹配、廣義路標(biāo)匹配等。上述每一種方法均有

21、各自優(yōu)點(diǎn)及局限性，因而移動(dòng)機(jī)器人實(shí)際采用幾種方法結(jié)合使用，以充分發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)而避免各自的缺陷，從而提高定位系統(tǒng)的精度和可靠性。己知環(huán)境地圖的定位易于解決。但在完全未知環(huán)境下，定位具有更大的難度，目前存在三種方法。一種是利用編碼器、陀螺儀等傳感器計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)機(jī)器人的方位變化，并不斷累計(jì)，從而實(shí)時(shí)獲得方位信息。這種方法不能消除累計(jì)誤差，即使使用諸如卡爾曼濾波器等方法進(jìn)行傳感器融合，也不能根本解決這個(gè)問題；另一個(gè)方法是對(duì)前一種方法的擴(kuò)展。這種方法引入外界信標(biāo)，來(lái)消除航位推測(cè)系統(tǒng)的累計(jì)誤差。但是這種方法改變了外界環(huán)境或者依賴于特定環(huán)境，并且信標(biāo)不能完全覆蓋所有區(qū)域，所以并不理想：第三種方法將定位問題

22、與環(huán)境感知、環(huán)境建模緊密結(jié)合起來(lái)，獨(dú)立于具體的工作環(huán)境。但是地圖的信息也來(lái)源于傳感器信息和定位信息，定位與環(huán)境建模必然形成了“先有雞還是先有蛋”的復(fù)雜關(guān)系。在實(shí)現(xiàn)上，定位與環(huán)境建模同步進(jìn)行（），相互依賴。所以必須具有從現(xiàn)有地圖中確立自身位置以及辨識(shí)新區(qū)域、實(shí)時(shí)融入新區(qū)域等功能。路徑規(guī)劃一般的路徑規(guī)劃問題主要是尋求從起始點(diǎn)到目的標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)或者近似最優(yōu)的無(wú)碰撞路徑。但是自主吸塵機(jī)器人的路徑規(guī)劃具有“遍歷”的特點(diǎn)。規(guī)劃器的目標(biāo)是在封閉區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走路徑對(duì)工作區(qū)域的最大覆蓋率和最小重復(fù)率。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于自主吸塵機(jī)器人、擦窗機(jī)器人、掃雷機(jī)器人、割草機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、打磨拋光設(shè)備等都具有重要的意義

23、。自主吸塵機(jī)器人的遍歷路徑規(guī)劃方法可以分為兩類：無(wú)環(huán)境模型的規(guī)劃方法和基于環(huán)境模型的規(guī)劃方法。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文）無(wú)環(huán)境模型的規(guī)劃方法目前定位和環(huán)境建模還處于探索階段，所以廣泛使用無(wú)環(huán)境模型的規(guī)劃方法：隨機(jī)工作方式和隨機(jī)局部遍歷規(guī)劃方式。隨機(jī)工作方式基于這樣的前提：時(shí)間足夠長(zhǎng)的條件下，機(jī)器人的行走路徑可以完全覆蓋工作區(qū)域。顯然這種方式效率不高。而隨機(jī)局部遍歷規(guī)劃的方式是在缺少全局環(huán)境地圖和全局定位能力的條件下，在局部范圍內(nèi)進(jìn)行遍歷性質(zhì)的路徑規(guī)劃。這種方式對(duì)定位能力和環(huán)境建模精度要求低，但覆蓋率較高，重復(fù)率較低，在浙江大學(xué)上己經(jīng)成功應(yīng)用了此種方法。）基于環(huán)境地圖的規(guī)劃方法在理想條件下，基于

24、環(huán)境模型的全局規(guī)劃方式具有最大的覆蓋率和最小的重復(fù)率。但是定位和環(huán)境建模技術(shù)還不成熟，所以全局規(guī)劃的研究還主要處在理論分析階段。使用的方法有單元分解、行為模板、光柵掃描、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和代價(jià)函數(shù)法等。單元分解法將工作區(qū)域分解成相互不重疊的單元。規(guī)劃器按照一定的方法確定單元的訪問順序，從而產(chǎn)生一個(gè)最優(yōu)或者近似最優(yōu)的全局路徑。在路徑規(guī)劃中，機(jī)器人的自定位具有關(guān)鍵性的作用。定位誤差使規(guī)劃路徑在實(shí)際應(yīng)用中效率大打折扣，甚至失敗。因此徹底解決路徑規(guī)劃問題，必須首先解決定位問題。另外，自主吸塵機(jī)器人中的關(guān)鍵技術(shù)還包括機(jī)器人局部區(qū)域的無(wú)碰撞導(dǎo)航技術(shù)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)等，這些技術(shù)己經(jīng)能夠發(fā)展較為成熟，因此不再詳述

25、。綜上所述，全自主智能吸塵器具有廣闊的市場(chǎng)前景，雖然在這方面的研究己經(jīng)取得了很大進(jìn)步，進(jìn)入了實(shí)用階段，并且有很多樣機(jī)和產(chǎn)品已經(jīng)產(chǎn)生，但它們?nèi)杂泻芏嗟膯栴}需解決，比如自主能力、工作效率等還不夠理想。吸塵器自主地在房間內(nèi)吸塵而不需主人太多的干預(yù)，是一件非常有挑戰(zhàn)性的工作，它涉及了當(dāng)前多項(xiàng)人工智能技術(shù)。從技術(shù)上來(lái)說，智能吸塵器主要智能指標(biāo)為自主性和適應(yīng)性。自主性指機(jī)器人能根據(jù)人下達(dá)的工作任務(wù)和周圍環(huán)境情況自己確定工作步驟工作方式和行走路徑。適應(yīng)性是指機(jī)器人通過學(xué)習(xí)適應(yīng)復(fù)雜多變工作環(huán)境的能力，不但能識(shí)別周圍物體，還能理解周圍環(huán)境，做出正確判斷及反應(yīng)。因此在技術(shù)上還需要進(jìn)一步解決傳感器技術(shù)、定位和環(huán)境建

26、模技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，自主吸塵機(jī)器人將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)將可以向著高度智能化、多功能集成、低成本的方向發(fā)展。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文第二章機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)和行為分析模塊化設(shè)計(jì)模塊化設(shè)計(jì)是一種著重解決產(chǎn)品品種、規(guī)格、與設(shè)計(jì)制造的周期、成本之間矛盾的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法，是在對(duì)一定范圍內(nèi)的產(chǎn)品或系統(tǒng)進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能獨(dú)立、結(jié)構(gòu)獨(dú)立的基本單元一模塊，并使模塊系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，通過模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同的產(chǎn)品或系統(tǒng)，以滿足不同需求的設(shè)計(jì)方法。模塊化設(shè)計(jì)在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)理論分析和實(shí)踐證明，其意義主要體現(xiàn)在下述借個(gè)方面：可以縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造周期，從而大大地縮短供貨期限

27、。有利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代以及新產(chǎn)品的開發(fā)，增加對(duì)市場(chǎng)的快速應(yīng)變能力。有利于提高質(zhì)量，降低成本，增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力。便于維修服務(wù)機(jī)器人具有環(huán)境多義性和高智能化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)周期和制造成本成為急需解決的難題。模塊化概念的引入為推動(dòng)服務(wù)機(jī)器人實(shí)用化進(jìn)程提供了新的思路，選擇適當(dāng)?shù)哪K機(jī)器人拓?fù)潢P(guān)系和標(biāo)準(zhǔn)模塊，迅速組成模塊機(jī)器人是縮短機(jī)器人設(shè)計(jì)周期和降低成本的有效途徑。目前模塊設(shè)計(jì)主要存在個(gè)方面問題合理劃分模塊。模塊劃分的合理，則模塊的適應(yīng)力強(qiáng)，組合性好。要做到這一點(diǎn)，除進(jìn)行功能分析之外還應(yīng)很好的解決模塊之間的聯(lián)系問題，這種聯(lián)系既要滿足安裝、定位的要求，又要滿足力流和運(yùn)動(dòng)傳遞方面的需求。模塊的管理。模塊化設(shè)

28、計(jì)的產(chǎn)品不同常規(guī)產(chǎn)品，而是按照模塊為單元進(jìn)行管理。充分利用現(xiàn)有模塊，進(jìn)行合理組合，并使能迅速有效的組成滿足需要的產(chǎn)品解決好造型與冗余結(jié)構(gòu)冗余的問題。模塊用于不同規(guī)格的產(chǎn)品，常會(huì)有尺寸上的不協(xié)調(diào)問題，所以在進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)時(shí)必須同時(shí)注意其造型。全自主智能吸塵器應(yīng)包括吸塵器車體、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、吸塵系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等組成。其中控制系統(tǒng)包括系統(tǒng)管理單元、運(yùn)動(dòng)控制單元等：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括移動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速裝置等。每個(gè)模塊系統(tǒng)的在緊密相連的同時(shí)保持很大的獨(dú)立性，不僅便于設(shè)計(jì)，安裝，調(diào)試，而且各個(gè)部分都能實(shí)現(xiàn)自己特有的功能。車體設(shè)計(jì)不僅機(jī)器人各個(gè)系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)

29、思想，車體本身的機(jī)械設(shè)計(jì)也采用了模塊化設(shè)計(jì)思想。整個(gè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以分為：個(gè)后輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，碰板系統(tǒng)，前輪系統(tǒng)，清掃系統(tǒng)。其中除了碰板系統(tǒng)模塊是雙自由度外，其他系統(tǒng)模塊都是單自由度和車體基板相連接。機(jī)器人本體良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是其他各項(xiàng)功能的基礎(chǔ)。由于移動(dòng)機(jī)器人所采用的機(jī)械傳動(dòng)方式，加工制作等所產(chǎn)生的固有誤差，勢(shì)必對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的控制帶來(lái)影響，增加控制難度，所以在機(jī)器人本體設(shè)計(jì)上，要充分考慮這些因素，盡量減小系統(tǒng)的固有誤差，為實(shí)現(xiàn)更精確的控制創(chuàng)造條件。移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械傳動(dòng)盡可能選用一些傳動(dòng)平穩(wěn)、可靠、簡(jiǎn)單實(shí)用的傳動(dòng)方式。車體的形狀，傳感器的種類、數(shù)量和位置，軟件所采取的算法，這三者必須作為一個(gè)整體

30、綜合加以考慮才易于使智能吸塵器達(dá)到良好的效果。車體形狀的選擇應(yīng)該比較優(yōu)化和適當(dāng)簡(jiǎn)化，這樣智能吸塵器不僅便于移動(dòng)和工作，也便于傳感器的安裝和提高傳感器的利用效果，最后對(duì)軟件的編寫也是有利的，比如使程序結(jié)構(gòu)更合理，更簡(jiǎn)潔，易于閱讀，執(zhí)行速度更快，可靠性提高吸塵器外形將影響它的覆蓋區(qū)域。好的外形不僅能降低移動(dòng)機(jī)器人的算法復(fù)雜程度，而且能減少區(qū)域邊角的死區(qū)，還能降低能耗提高行走精確度。吸塵器外形主要有矩形、圓形?？紤]到機(jī)構(gòu)和控制的復(fù)雜性本文吸塵器采用圓形本體，圓形車體的最大優(yōu)點(diǎn)就是運(yùn)動(dòng)靈活，控制簡(jiǎn)單，不會(huì)發(fā)生卡死的現(xiàn)象。本文的吸塵器原形樣機(jī)的車體采用鋁合金板經(jīng)機(jī)械加工而成。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文圖一

31、機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)圖車體前端是一個(gè)碰板系統(tǒng)由一套機(jī)械裝置和光電開關(guān)組成，用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)方向上的障礙物。左右二個(gè)后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，每個(gè)輪子都有電機(jī)、碼盤、光電傳感器，各自是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，只接受控制系統(tǒng)的控制信號(hào)和反饋給控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)信息。中間鏤空的部分是清掃系統(tǒng)，包括二個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一個(gè)清掃裝置和一個(gè)吸塵裝置。車體左右二側(cè)裝有二個(gè)超聲波傳感器，用于對(duì)車體側(cè)面進(jìn)行探測(cè)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)車輪系統(tǒng)行走機(jī)構(gòu)、車輪的個(gè)數(shù)、車輪的平面布置、驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪的個(gè)數(shù)及分配對(duì)車體的靈活性、準(zhǔn)確定位和導(dǎo)航都有著非常關(guān)鍵的影響。行走機(jī)構(gòu)的決定應(yīng)以盡量減少滑動(dòng)，控制策略不過分復(fù)雜，制作相對(duì)容易為原則。常見的行走機(jī)構(gòu)有三輪結(jié)構(gòu)或四輪結(jié)構(gòu)：三輪

32、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活，穩(wěn)定性稍差；四輪結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜一些驅(qū)動(dòng)方式有三種：前輪轉(zhuǎn)向前輪驅(qū)動(dòng)，前輪轉(zhuǎn)向后輪差速驅(qū)動(dòng)，兩后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。前輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)方式移動(dòng)靈活、控制精度高，后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制精度稍差。綜合利弊，本文采用在室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人中應(yīng)用廣泛的三輪結(jié)構(gòu)，兩后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式前輪為隨動(dòng)輪靠?jī)珊筝喼g的速度差來(lái)控制小車的運(yùn)動(dòng)方向。前面的萬(wàn)向輪為隨動(dòng)輪，無(wú)導(dǎo)向作用輪子的材料采用鋁合金加橡皮護(hù)套，既可以避免橡皮輪因壓癟變形導(dǎo)致誤差，又可以避免金屬輪因摩擦阻力小導(dǎo)致滑動(dòng)，兩后輪分別由一臺(tái)直流電機(jī)經(jīng)一對(duì)齒輪箱變速后驅(qū)動(dòng)。圖：后輪結(jié)構(gòu)圖整個(gè)后輪的骨架部分是在一塊完整的

33、鋁合金上加工出來(lái)的，電機(jī)固定在槽里，和車輪用履帶連接，車輪有一半是淘空的，裝有自制的碼盤。整個(gè)后輪部分是結(jié)合在一起的一個(gè)系統(tǒng)，但不是固定的，它和車體有一個(gè)鉸接點(diǎn)，圍繞這個(gè)點(diǎn)，可以做小幅度擺動(dòng)。運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，整個(gè)后輪系統(tǒng)會(huì)被車體上的限位裝置卡住，從而正常移動(dòng)，而當(dāng)車輪懸空的時(shí)候（比如下臺(tái)階），這時(shí)候，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)下擺，相應(yīng)的傳感裝置也會(huì)反饋給控制系統(tǒng)這樣的信息：這里不能運(yùn)動(dòng)，電機(jī)會(huì)自動(dòng)停止，等待后輪系統(tǒng)歸位。這樣的設(shè)計(jì)的目的是為了節(jié)省能源，避免電機(jī)做無(wú)用攻前輪也有一個(gè)和后輪相類似的設(shè)計(jì)。前輪的支撐部分是一個(gè)垂直方向可滑動(dòng)桿，中間有彈簧做緩沖（運(yùn)動(dòng)的時(shí)候也有減震的作用），滑動(dòng)桿的上端接有光電傳感器，

34、當(dāng)前輪懸空的時(shí)候，車輪帶動(dòng)連桿下滑，光電傳感器接到信號(hào)后也會(huì)傳到控制系統(tǒng)。前輪這個(gè)設(shè)計(jì)的作用主要是對(duì)樓梯等臺(tái)階的檢測(cè)，因?yàn)闄C(jī)器人是不適合在樓梯上清掃的，所以系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)認(rèn)為這是環(huán)境邊緣，并做相應(yīng)處理。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文定位系統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人的定位技術(shù)是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。從實(shí)用性和成本角度考慮，我們采用光電編碼器一磁航行傳感器的定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)精度高、數(shù)據(jù)更新快、性能穩(wěn)定而且成本低。光電編碼器通過光電轉(zhuǎn)換，可以將輸出軸的角位移、角速度等機(jī)械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖以數(shù)字量輸出。我們采用增量式光電編碼器。當(dāng)電編碼器軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，有相應(yīng)的脈沖輸出，其旋轉(zhuǎn)方向的判別和脈沖數(shù)的增減需借助外部的判向電路和計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)

35、：其計(jì)數(shù)起點(diǎn)可任意設(shè)定，并可實(shí)現(xiàn)多圈的無(wú)限累加和測(cè)量：軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈會(huì)輸出固定的脈沖，對(duì)于光學(xué)式旋轉(zhuǎn)編碼器，輸出脈沖數(shù)與編碼器光柵的刻線數(shù)相同。我們?cè)O(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人本體采用兩個(gè)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)后輪，光電編碼器作為位置測(cè)量的傳感器與后輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)電機(jī)到車輪的傳動(dòng)比為，車輪直徑為，光電編碼器線數(shù)為，時(shí)間內(nèi)光電編碼器輸出的脈沖數(shù)為，車體運(yùn)行距離為，則：一萬(wàn)妒根據(jù)光電編碼器測(cè)出的脈沖數(shù)，可求出后輪轉(zhuǎn)過的距離，進(jìn)而計(jì)算出機(jī)器人的位置坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)方向。光電編碼器屬于高精密儀器。安裝或使用不當(dāng)會(huì)影響編碼器的性能和使用壽命。編碼器與外部聯(lián)接應(yīng)避免剛性聯(lián)接，而應(yīng)采用彈性連軸器、尼龍齒輪或同步帶聯(lián)接傳動(dòng)。避免因用戶軸的竄

36、動(dòng)、跳動(dòng)造成編碼器軸系和碼盤的損壞。編碼器正常工作時(shí)的極限轉(zhuǎn)速其中為光柵刻線數(shù)。傳感器單元移動(dòng)機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境的感知，就必須要建立一個(gè)對(duì)環(huán)境能夠準(zhǔn)確探測(cè)的傳感器系統(tǒng)。傳感器的選擇要考慮多方面的因素。首先，根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人所要完成的任務(wù)和要求來(lái)決定使用哪些，再則，根據(jù)各類傳感器的使用性能和特點(diǎn)來(lái)選擇。而且，還要考慮經(jīng)濟(jì)性，即成本問題，不能一味地追求尖端技術(shù)的傳感中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩論文器。在障礙物探測(cè)傳感器的選擇中，考慮不同傳感器對(duì)不同特征包括形狀、顏色、黑度等，物體的靈敏度、有效探測(cè)角度和距離等因素，同時(shí)考慮提高傳感器系統(tǒng)識(shí)別物體的可靠性，照顧足夠?qū)挼囊暯蔷嚯x和高度以決定傳感器的數(shù)量。通常使

37、用紅外線、超聲波、可見光、激光等傳感器探測(cè)障礙物。超聲波傳感器方向性差，但其相對(duì)光學(xué)傳感器而言具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，不受陰影、灰塵、煙霧等環(huán)境限制，對(duì)于吸塵器這一點(diǎn)尤為重要。超聲傳感器比別的視覺設(shè)備便宜且不易損壞，超聲傳感器能測(cè)實(shí)距可沿聲波方向獲得三維信息，攝像機(jī)所成的像由灰度信息組成，它隨光線變化而變化，因而很難根據(jù)相對(duì)的灰度等級(jí)判斷物體各部分距離的遠(yuǎn)近。紅外傳感器方向性強(qiáng)，測(cè)量精度高，主要缺點(diǎn)是探測(cè)視角小，很難探測(cè)前方狹小障礙物。紅外傳感器和超聲傳感器單個(gè)使用只能獲得目標(biāo)的距離信息，不能獲得目標(biāo)的邊界信息。在實(shí)際使用中，通常多個(gè)傳感器聯(lián)合使用?？紤]傳感器價(jià)格和吸塵器的功能要求本文選擇二種基本

38、的傳感器：光電開關(guān)和超聲傳感器。光電開關(guān)紅外線屬于一種電磁射線，其特性等同于無(wú)線電或射線。人眼可見的光波是一，發(fā)射波長(zhǎng)為的長(zhǎng)射線稱為紅外線紅外線光電開關(guān)（光電傳感器）屬于光電接近開關(guān)的簡(jiǎn)稱，它是利用被檢測(cè)物體對(duì)紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測(cè)物體的有無(wú)，其物體不限于金屬，對(duì)所有能反射光線的物體均可檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)方式的不同，紅外線光電開關(guān)可分為漫反射式光電開關(guān)鏡反射式光電開關(guān)對(duì)射式光電開關(guān)槽式光電開關(guān)光纖式光電開關(guān)紅外傳感器主要有以下技術(shù)指標(biāo)：檢測(cè)距離：動(dòng)作距離是指檢測(cè)體按一定方式移動(dòng)時(shí)，從基準(zhǔn)位置（光電開關(guān)的感應(yīng)表面）到開關(guān)動(dòng)作時(shí)測(cè)得的基準(zhǔn)位置到檢測(cè)面的空間距離。額定動(dòng)作距離指接近開

39、關(guān)動(dòng)作距離的標(biāo)稱值。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文回差距離：動(dòng)作距離與復(fù)位距離之間的絕對(duì)值。響應(yīng)頻率：按規(guī)定的秒的時(shí)間間隔內(nèi)，允許光電開關(guān)動(dòng)作循環(huán)的次數(shù)。瑜出狀態(tài)：分常開和常閉。當(dāng)無(wú)檢測(cè)物體時(shí)，常開型的光電開關(guān)所接通的負(fù)載，由于光電開關(guān)內(nèi)部的輸出晶體管的截止而不工作，當(dāng)檢測(cè)到物體時(shí)，晶體管導(dǎo)通，負(fù)載得電工作。檢測(cè)方式：根據(jù)光電開關(guān)在檢測(cè)物體時(shí)，發(fā)射器所發(fā)出的光線被折回到接收器的途徑的不同，可分為漫反射式，鏡反射式，對(duì)射式等。詳見工作原理說明）輸出形式：分二線，三線，四線，二線，三線，四線，二線，五線（自帶繼電器），及直流常開常閉多功能等幾種常用的形式輸出。環(huán)境特性：光電開關(guān)應(yīng)用的環(huán)境亦是影響其長(zhǎng)期工

40、作可靠性的重要條件。當(dāng)光電開關(guān)工作于最大檢測(cè)距離狀態(tài)時(shí)，由于光學(xué)透鏡會(huì)被環(huán)境中的污物粘住，甚至?xí)灰恍?qiáng)酸性物質(zhì)腐蝕，以至降低使用參數(shù)特性，這些變量盡管已列入我們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)考慮范圍之內(nèi)，但它終究是造成可靠性降低的最大因數(shù)，其較簡(jiǎn)便的解決方法是根據(jù)傳感器的最大檢測(cè)距離（）降額使用來(lái)確定最佳工作距離另外還有還有防護(hù)等級(jí)，指向角等等本文使用的光電開關(guān)為槽式，基本結(jié)構(gòu)如圖：本機(jī)器人對(duì)光電開關(guān)的應(yīng)用為個(gè)輪子的懸空判斷，這個(gè)車輪系統(tǒng)都會(huì)外延一個(gè)中間有孔的一塊遮光板，遮光板和車輪系統(tǒng)保持相對(duì)靜止，當(dāng)機(jī)器人正常運(yùn)動(dòng)時(shí)，折光板中間的孔正好讓接收器接收到發(fā)射器的信號(hào)。當(dāng)車輪懸空時(shí)，帶動(dòng)遮光板運(yùn)動(dòng)，接收器收不到發(fā)射

41、器的信號(hào)糟式先宅開罄橙曲體甚圖光電開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖超聲波傳感器中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文人們能聽到聲音是由于物體振動(dòng)產(chǎn)生的，它的頻率在一范圍內(nèi)，超過稱為超聲波，低于的稱為次聲波。常用的超聲波頻率為幾十一幾十。超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱和振蕩（縱波）。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，一般為幾十，而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。利用超聲波的特性，可做成各種超聲傳感器，

42、配上不同的電路，制成各種超聲測(cè)量?jī)x器及裝置，并在通迅，醫(yī)療家電等各方面得到廣泛應(yīng)用。超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅鳎梢詫㈦娔苻D(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收到超聲波時(shí)，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發(fā)送，也能作接收。超聲波應(yīng)用有三種基本類型，透射型用于遙控器，防盜報(bào)警器、自動(dòng)門、接近開關(guān)等；分離式反射型用于測(cè)距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測(cè)厚等。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器如圖所示共鬣蠢屯越片電投基崖引蛙誓一（外斃）并囊喇

43、直麓陬理圖結(jié)構(gòu)圖圖：超聲波傳感器原理結(jié)構(gòu)圖壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波發(fā)生器中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電品片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶體將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將使得壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器。我們把發(fā)射、接收超聲波的器件稱為超聲波換能器。超聲波在空氣傳播過程中，波束面積會(huì)不斷擴(kuò)大，這就使得超聲波換能器在接收波和發(fā)射波時(shí)有一定的指向性。圖是個(gè)商品化的超聲波換能器（開）的指

44、向特性圖。指向特性是隨著超聲波頻率的增高而變化的，頻率越高特性曲線越尖銳，不可能像光束那樣集中，因此在進(jìn)行距離測(cè)量時(shí)，方向性不是很好。用于移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的超聲測(cè)距方法，一般采用渡越時(shí)間法（），即，其中為移動(dòng)機(jī)器人與被測(cè)障礙物之間的距離，為聲波在介廣質(zhì)中的傳播速（空氣中殺米秒，為絕對(duì)溫度），在不要求測(cè)距精度很高的情況下，一般可以認(rèn)為為常數(shù)，為超聲發(fā)射到超聲返回的時(shí)間間隔，即“渡越時(shí)間”，此法測(cè)量主要是測(cè)量時(shí)間。定封囂弋亙丑喝璧卜盛婦豳圖：超聲波測(cè)距原理圖在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間

45、，即可求得距離。這就是超聲波測(cè)距儀的機(jī)理。本機(jī)器人的超聲波傳感器安裝在車體的側(cè)面，用來(lái)對(duì)靠近車體的墻壁或障礙物進(jìn)行探測(cè)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩十論文前置接觸傳感器本機(jī)器人沒有采用陣列式碰撞傳感器。而是獨(dú)立設(shè)計(jì)了一塊碰板和光電開關(guān)組成，它可以檢測(cè)到車體前方的一切障礙物，不存在任何盲點(diǎn)?；⌒蔚呐霭逋ㄟ^個(gè)連桿和車體鉸接在起，連桿和碰板連接的部分可以沿碰板外徑方向滑動(dòng)，而和車體連接的部分可以旋轉(zhuǎn)，碰板二端和光電開關(guān)相連，當(dāng)碰撞引發(fā)碰板移動(dòng)后，通過光電開關(guān)的變化把信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)。碰板的原理圖如下：二個(gè)支撐桿一端可以繞車體上的支撐點(diǎn)左右轉(zhuǎn)動(dòng)，另一端通過滑塊機(jī)構(gòu)鉸接在碰板上，所以當(dāng)車體前方任何位置出現(xiàn)障礙物的

46、時(shí)候，都會(huì)有足夠的自由度使碰板發(fā)生扭動(dòng)，同時(shí)會(huì)帶動(dòng)光電開關(guān)產(chǎn)生信號(hào)的變化。夕發(fā)生碰撞點(diǎn)；圖：碰板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖碰板可以把障礙物的位置分為類：正前方，左前方，右前方。通過個(gè)光電開關(guān)的組合狀態(tài)給出，如果個(gè)光電開關(guān)的初始狀態(tài)是，則可以表示為左光電開關(guān)右光電開關(guān)障礙物位置白目未碰撞匠日正前中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文清掃系統(tǒng)擴(kuò)蹩等盈一飛脬一一二口枷圖一：清掃機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)清掃系統(tǒng)如圖所示，通過后方的圓孔和車體相鉸接，所以可以作很小幅度的擺動(dòng)，這樣的設(shè)計(jì)將使機(jī)器人對(duì)地面的適應(yīng)性有很大提高，整個(gè)清掃系統(tǒng)又可以分為二個(gè)部分：清掃部分和吸塵部分，每部分各有一個(gè)電機(jī)提供動(dòng)力，清掃部分在前端，由電機(jī)帶動(dòng)二個(gè)旋轉(zhuǎn)方向不同的滾刷轉(zhuǎn)動(dòng)

47、，從而把紙片等大塊垃圾清掃進(jìn)后面的灰塵箱。后面的吸塵系統(tǒng)類似一個(gè)吸塵器，橡膠制成的吸塵端口與地面相接。這樣雙選擇性的清掃比一般地單一清掃方式效果要好的多。電源移動(dòng)機(jī)器人的電源要同時(shí)滿足機(jī)器人多種能源的需求，如為移動(dòng)機(jī)器人提供驅(qū)動(dòng)力、為控制電路提供穩(wěn)定的電壓。移動(dòng)機(jī)器人分為有纜和無(wú)纜移動(dòng)機(jī)器人兩種。移動(dòng)電源的地位在無(wú)纜移動(dòng)機(jī)器人中歷來(lái)十分重要，可以說是他的生命源電中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文源。日本本田公司的步行機(jī)器人雖然代表著當(dāng)今世界這類機(jī)器人的最高水平，但仍存在供能時(shí)間短、行走緩慢和語(yǔ)音功能不完善等方面的問題。機(jī)器人目前采用的鎳鋅電池只能供給分鐘的電量，電池的體積、重量與其蓄電容量相比，龐大而笨

48、重，遠(yuǎn)不能滿足未來(lái)服務(wù)步行機(jī)器人的工作時(shí)間要求。需研制適用于移動(dòng)機(jī)器人攜帶的蓄電容量大且體積小、重量輕的蓄電池，以解決可攜帶能源問題。理想的電池應(yīng)該具有十分高的能量密度，能夠在放電過程中保持恒定的電壓，小內(nèi)阻以便具有快速放電能力，能夠耐高溫，可充電以及成本低等。但實(shí)際上沒有一種電池可同時(shí)具備上述優(yōu)點(diǎn)，這就要求設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)際任務(wù)的需要，選擇一種合適的電池。現(xiàn)在的電池可選范圍一般為或者，就吸塵器本身來(lái)說，使用鉛酸電池的吸塵器，已經(jīng)逐步淘汰出市場(chǎng)。的特點(diǎn)是可以采用很高倍率（“高倍率”即電池容量的倍數(shù)電流，如電池，倍率為電流放電）的電流放電，而且對(duì)溫度適應(yīng)性很強(qiáng)，穩(wěn)定而且略便宜。缺點(diǎn)是不環(huán)保，含元素

49、污染很大。而突出優(yōu)點(diǎn)就是綠色環(huán)保，而且容量高即使用時(shí)間長(zhǎng)，缺點(diǎn)為價(jià)格稍貴。在如今環(huán)保呼聲越來(lái)越高的大環(huán)境中，電池將成為今后的焦點(diǎn)，本機(jī)器人采用電池組作為供電系統(tǒng)。至于充電器，由于暫時(shí)只是基本功能的研究，故不予考慮。運(yùn)動(dòng)分析為了在自主運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方面對(duì)機(jī)器人的控制問題做近一步的研究，有必要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分析，運(yùn)動(dòng)模型為研究機(jī)器人路徑規(guī)劃提供理論依據(jù)，本節(jié)在無(wú)滑動(dòng)的條件下，對(duì)兩輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人建立如下運(yùn)動(dòng)模型中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文為后動(dòng)輪半徑，為機(jī)器人的速度瞬心，以兩后輪軸線的中點(diǎn)一點(diǎn)的位姿和速度代表機(jī)器人的位姿和速度，（，）表示機(jī)器人在平面坐標(biāo)系中的位置，為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)于軸的方向角設(shè)機(jī)器人線速度

50、為，角速度為，則機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)學(xué)（，黔鰳由上述的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可知，控制左右輪的速度就可以控制車體的線速度和角中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文。（，）！：“（珊，矽，只（只）（“，（出，）鼠（）”，（，）若給車體建立坐標(biāo)系，以點(diǎn)為原點(diǎn)，橫向?qū)ΨQ軸為軸，縱向?qū)ΨQ軸為軸，車頭方向取為軸的正向，按右手法則確定坐標(biāo)系。這是一個(gè)動(dòng)坐標(biāo)系，它隨著車體的運(yùn)動(dòng)變化而相對(duì)于平面坐標(biāo)系作平移和旋轉(zhuǎn)。則在任意時(shí)刻，設(shè)坐標(biāo)為（，）由車體坐標(biāo)到平面坐標(biāo)的變換為：一一（）從坤。州叫一一即一科（）（）由平面坐標(biāo)到車體坐標(biāo)的變換為（），（）（目（）塔）口口（）（）川圳（）兒中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文第三章路徑規(guī)劃?rùn)C(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)概述路徑規(guī)劃技術(shù)是智能機(jī)器人領(lǐng)域中的核心問題之一。機(jī)器人導(dǎo)論中為路徑規(guī)劃做出了這樣的定義：路徑規(guī)劃是自治式移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)重要組成部分，它的任務(wù)就是在具有障礙物的環(huán)境內(nèi)，按照一定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，尋找一條從起始狀態(tài)（包括位置和姿態(tài)）到達(dá)目標(biāo)狀態(tài)（位置和姿態(tài)）的無(wú)碰路徑。路徑規(guī)劃本身可